DE10250355A1 - PEM fuel cell operating method for operating a fuel cell system at ambient temperatures below zero Celsius uses a fuel cell stack, a wetting unit, a condenser and a control device - Google Patents

PEM fuel cell operating method for operating a fuel cell system at ambient temperatures below zero Celsius uses a fuel cell stack, a wetting unit, a condenser and a control device Download PDF

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Abstract

A control device (18) measures out portions of an operating substance flowing through a condenser (14) and a bypass (36) by relying on ambient temperature and a fuel cell stack's operating temperature (FCSOT). Variation in operating pressure and the FCSOT reduces a fuel cell system's operating temperature so that wetting an operating substance with a wetting unit (12) can be avoided. An Independent claim is also included for a fuel cell system with a fuel cell stack, a wetting unit, a condenser and a control device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen unter 0°C, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, eine Befeuchtungseinheit, einen Verdichter und eine Steuereinrichtung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein solchermaßen aufgebautes Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for operating a fuel cell system at ambient temperatures below 0 ° C, wherein the fuel cell system comprises a fuel cell stack, a Humidification unit, a compressor and a control device having. The invention further relates to such a structure Fuel cell system.

Ein Brennstoffzellenstapel besitzt pro Brennstoffzelle eine Membran-Elektrodeneinheit mit einem zentral angeordneten Elektrolyten, wie beispielsweise bei der PEM (Polymer-Elektrolyt-Membranen)-Brennstoffzelle einer Ionenaustauschermembran, die als Hauptbestandteil eine Ionenaustauschergruppe, beispielsweise Sulfonsäure-Gruppe (sulfonierte Verbindung) enthält. Diese Gruppe chemischer Verbindungen bindet Wasser in der Membran, um eine ausreichende Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten.Has a fuel cell stack one membrane electrode unit with one central per fuel cell arranged electrolytes, such as in the PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell an ion exchange membrane, the main component of which is an ion exchange group, for example sulfonic acid group (sulfonated compound) contains. This group of chemical compounds binds water in the membrane, to ensure sufficient proton conductivity.

Der Betrieb eines Brennstoffzellensystems auf der Basis von PEM-Brennstoffzellen setzt die Einhaltung vorgegebener Betriebsparameter voraus. Besonders im Hinblick auf den Feuchtegehalt der Gase und die Betriebstemperatur eines PEM-Brennstoffzellenstapels gelten strenge Vorgaben für einen kontinuierlichen, sicheren Betrieb. Kennzeichnend für die PEM-Brennstoffzelle sind übliche Betriebstemperaturen von unter 100°C und der Bedarf einer anoden- und/oder kathodenseitigen Gasbefeuchtung mit destilliertem Wasser zur Erhaltung der Protonenleitfähigkeit der Membran. Für eine ausreichende Befeuchtung der Brennstoffzellen werden die in die Brennstoffzelle eintretenden Gasströme angefeuchtet. Im Fall eines Brennstoffzellensystems mit Kraftstoffreformierung kann die Feuchte dabei hauptsächlich über den Anodengastrom zugeführt werden. Beim Einsatz eines Systems, das reinen Wasserstoff verwendet, erfolgt die Befeuchtung vornehmlich über den Kathodengasstrom. Die Befeuchtung der Gase erfolgt dabei beispielsweise mittels Wassereinspritzung, über geeignete Membran-Gasbefeuchter oder über Dampfzugabe zum Gasstrom. So ist beispielsweise aus der EP 0 629 014 A2 eine Vorrichtung zur Befeuchtung von Prozessgas für den Betrieb von Brennstoffzellensystemen bekannt, bei der feine Wassertröpfchen dosiert in die Gasführungsleitung eingespritzt werden, wodurch die Prozessluft befeuchtet wird.The operation of a fuel cell system based on PEM fuel cells requires compliance with specified operating parameters. With regard to the moisture content of the gases and the operating temperature of a PEM fuel cell stack, there are strict requirements for continuous, safe operation. Typical of the PEM fuel cell are normal operating temperatures of below 100 ° C and the need for gas humidification on the anode and / or cathode side with distilled water to maintain the proton conductivity of the membrane. To adequately humidify the fuel cells, the gas streams entering the fuel cell are moistened. In the case of a fuel cell system with fuel reforming, the moisture can be supplied primarily via the anode gas flow. When using a system that uses pure hydrogen, humidification takes place primarily via the cathode gas flow. The humidification of the gases is carried out, for example, by means of water injection, via suitable membrane gas humidifiers or by adding steam to the gas stream. For example, from the EP 0 629 014 A2 a device for humidifying process gas for the operation of fuel cell systems is known, in which fine water droplets are injected into the gas supply line in a metered manner, as a result of which the process air is humidified.

Die Flüssigkeitszugabe dient innerhalb eines Brennstoffzellensystems sowohl der Befeuchtung der Gasströme als auch der Regulierung der Gastemperaturen. So kann beispielsweise mittels einer Wassereinspritzung in den Kathodengasstrom die Temperatur dieses Gases auf die üblichen Betriebstemperaturen des Brennstoffzellensystems reduziert werden, welche sich durch die Abwärme des Verdichters stark erhöht und zur Schädigung der Membranen führen kann. Bei der bereits genannten EP 0 629 014 A2 geschieht dies dadurch, dass die Prozessluft durch Teilverdampfung der Wassertröpfchen automatisch gekühlt wird, wobei die restliche Wassermenge der Brennstoffzelle in Tröpfchenform zugeführt wird.The addition of liquid within a fuel cell system serves both to humidify the gas flows and to regulate the gas temperatures. For example, by means of water injection into the cathode gas flow, the temperature of this gas can be reduced to the usual operating temperatures of the fuel cell system, which can be greatly increased by the waste heat from the compressor and can damage the membranes. With the already mentioned EP 0 629 014 A2 This is done by the process air being automatically cooled by partial evaporation of the water droplets, the remaining amount of water being fed to the fuel cell in droplet form.

Ein wesentlicher Nachteil der Wasserzugabe in die Gasströme ergibt sich aus der Notwendigkeit, einen frostsicheren Betrieb zu realisieren, da die Befeuchtung hochreines Wasser voraussetzt und damit die Zugabe von Frostschutzmitteln zum Einspritzwasser unmöglich macht. Der Start und der Betrieb derartig ausgeführter Brennstoffzellensysteme ist dadurch in der Regel auf Temperaturen oberhalb 0°C beschränkt. Ein vollständiger Verzicht auf eine Befeuchtung führt bei Systemen der oben genannten Art und bei den üblichen Betriebstemperaturen zu einer irreparablen Beschädigung der Membranen.A major disadvantage of adding water in the gas flows arises from the need to operate frost-proof realize, because humidification requires high-purity water and so that the addition of antifreeze to the injection water makes it impossible. The start and operation of such fuel cell systems is usually limited to temperatures above 0 ° C. On complete Refrain from humidification in systems of the type mentioned above and at the usual operating temperatures irreparable damage of the membranes.

Die DE 199 17 812 A1 offenbart eine Brennstoffzellenbatterie, die selbstbefeuchtend ist und die eine Membran-Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle umfasst, die eine Katalysatorschicht innerhalb der Membran hat. Innerhalb der Membran kann durch die Rekombination der Reaktionsgase H2 und O2 Wasser gezielt erzeugt werden. Die Menge und Art an eingearbeitetem Katalysator (Platin auf Kohlenstoff oder reines Platin) richtet sich nach dem Wasserbedarf der Zelle und variiert je nach Betriebssystem. Bei höherem Wasserbedarf können die Membrandicke erniedrigt und/oder mehr Katalysator mit höherem Prozentsatz an Platin und/oder mehr hygroskopische Partikel eingearbeitet werden. Die Stelle und/oder die Stellen, an der der Katalysator in die Membran eingearbeitet wird, kann frei gewählt werden und wird insbesondere dort erfolgen, wo das Problem der Austrocknung am größten ist. Auf eine Befeuchtungseinheit kann bei dieser Anordnung deshalb verzichtet werden.The DE 199 17 812 A1 discloses a fuel cell battery that is self-humidifying and that includes a membrane electrode assembly of a fuel cell that has a catalyst layer within the membrane. Water can be specifically generated within the membrane by the recombination of the reaction gases H 2 and O 2 . The amount and type of catalyst incorporated (platinum on carbon or pure platinum) depends on the water requirement of the cell and varies depending on the operating system. If more water is required, the membrane thickness can be reduced and / or more catalyst with a higher percentage of platinum and / or more hygroscopic particles can be incorporated. The point and / or the points at which the catalyst is incorporated into the membrane can be chosen freely and will take place in particular where the problem of drying out is greatest. A humidification unit can therefore be dispensed with in this arrangement.

Einer Absenkung der Betriebstemperatur steht bei mobilen Anwendungen entgegen, dass zur Sicherstellung der Kühlung des Brennstoffzellensystems die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen möglichst hoch gewählt wird, um so mit minimalem Aufwand die beträchtliche Wärmemenge eines Brennstoffzellensystems abführen zu können. Die hohe Betriebstemperatur setzt jedoch eine starke Befeuchtung bis hin zur Sättigung der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Gase voraus, weist deshalb aber die erwähnten Nachteile im Falle niedriger Temperaturen unter 0°C auf. Um die insbesondere dem Kathodengasstrom zuzugebende Wassermenge zu reduzieren und die Leistung der Brennstoffzelle zu erhöhen, wird meist ein Betriebsüberdruck des Systems von mehreren bar gewählt.The operating temperature is reduced in mobile applications that counter to ensure the cooling of the Fuel cell system the operating temperature of the fuel cells as possible chosen high is to remove the considerable amount of heat of a fuel cell system with minimal effort can. However, the high operating temperature places a high level of humidification up to saturation of the gases supplied to the fuel cell stack ahead, but therefore points the mentioned Disadvantages in the case of low temperatures below 0 ° C. Around to reduce the amount of water to be added in particular to the cathode gas flow and increasing the performance of the fuel cell usually becomes an operating pressure of the system chosen from several bar.

Aus der WO 00/65676 ist ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bekannt, welche auch bei Umgebungstemperaturen unter 0°C eingesetzt werden kann. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlkreislauf auf, der von der aktiven Membran des Brennstoffzellenstapels getrennt ist. Als Kühlmittel werden Flüssigkeiten verwendet, deren Gefrierpunkt ausreichend unter 0°C liegt. Hierdurch ist es möglich, das Betriebsmedium der Brennstoffzelle unbefeuchtet zuzuführen. Die Befeuchtung wird dabei verzögert, bis die Temperaturen des Brennstoffzellenstapels und des Kühlmittels über den Gefrierpunkt von Wasser angestiegen sind. Während der Startphase des Brennstoffzellensystems wird lediglich komprimierte trockene Luft ohne Befeuchtung der Kathode zugeführt. Die erzeugte Hitze wird dazu verwendet, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels und des Kühlmittels zu erhöhen. Sobald die Temperatur des Brennstoffzellenstapels ansteigt, wird dieser in einen effizienteren Energieerzeugungsmodus verbracht. Mit der Befeuchtung des Kathodengasstromes wird erst dann begonnen, wenn der Brennstoffzellenstapel und die Kühlmitteltemperatur über dem Gefrierpunkt liegen.From WO 00/65676 a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system are known which can also be used at ambient temperatures below 0 ° C. For this purpose, the fuel cell system has a cooling circuit which is separated from the active membrane of the fuel cell stack. As coolant liquids are used whose freezing point is sufficiently below 0 ° C. This makes it possible to supply the operating medium to the fuel cell without being moistened. The humidification is delayed until the temperatures of the fuel cell stack and the coolant have risen above the freezing point of water. During the start phase of the fuel cell system, only compressed dry air is supplied to the cathode without humidification. The heat generated is used to raise the temperature of the fuel cell stack and the coolant. As soon as the temperature of the fuel cell stack rises, it is placed in a more efficient energy generation mode. Humidification of the cathode gas flow only begins when the fuel cell stack and the coolant temperature are above freezing point.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das auch bei Umgebungstemperaturen unter 0°C den Start und den Betrieb derselben ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches beschädigungsfrei auch unter dem Gefrierpunkt von Wasser gestartet und betrieben werden kann.The object of the present invention is another method of operating a fuel cell system to indicate that the start and at ambient temperatures below 0 ° C the operation of the same. Another task is to specify a fuel cell system which is damage free also be started and operated below the freezing point of water can.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen unter 0°C ist durch die Merkmale des Anspruches 1 definiert.The method according to the invention for operating a fuel cell system at ambient temperatures below 0 ° C is through defines the features of claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Befeuchtungseinheit, einen Verdichter Steuereinrichtung aufweist, ist vorgesehen, dass durch Variieren des Betriebsdrucksund eine und der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems abgesenkt wird, so dass auf eine Befeuchtung des Betriebsmediums verzichtet werden kann. Während übliche Betriebstemperaturen einer PEM-Brennstoffzelle um 100°C liegen, sieht die Erfindung vor, die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels bei Bedart auf unter 70°C abzusenken. Auf eine Befeuchtung des Betriebsmediums kann verzichtet werden, wenn das Material der Membran einer Membran-Elektrodeneinheit der Brennstoffzellen derart gewählt ist, dass durch Rückdiffusion von Produktwasser von der Kathode auf die Anode eine Selbstbefeuchtung der Membran erfolgt. Die Rückdiffusion stellt eine ausreichende Befeuchtung der Membran sicher, so dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Mit anderen Worten sieht die Erfindung somit vor, Befeuchtung, Betriebstemperatur und Betriebsdruck in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur derart zu variieren, dass im Zusammenspiel mit der verwendeten Membran eine Rückdiffusion eine Selbstbefeuchtung der Membran ermöglicht, wodurch der Start und der Betrieb des Brennstoffzellensystems auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes gewährleistet ist.In the method according to the invention for operating a fuel cell system comprising a fuel cell stack, a humidification unit, a compressor control device, it is contemplated that by varying the operating pressure and one and the operating temperature of the fuel cell stack is the operating temperature of the fuel cell system is lowered, so that humidification of the operating medium can be dispensed with. During normal operating temperatures a PEM fuel cell around 100 ° C lie, the invention provides the operating temperature of the fuel cell stack if required below 70 ° C lower. There is no need to humidify the operating medium be when the material of the membrane of a membrane electrode assembly of fuel cells selected in this way is that through back diffusion self-humidification of product water from the cathode to the anode the membrane takes place. The back diffusion ensures sufficient moistening of the membrane so that ensures safe operation is. In other words, the invention thus provides humidification, Operating temperature and pressure depending on the ambient temperature to vary in such a way that it interacts with the membrane used a back diffusion self-moistening of the membrane enables the start and the operation of the fuel cell system even at temperatures below of freezing point guaranteed is.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird durch die Merkmale des Anspruches 8 wiedergegeben.The fuel cell system according to the invention is represented by the features of claim 8.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Verdichter, einer Befeuchtungseinheit und einer Steuereinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinheit einen Bypass aufweist, der eine direkte Zuführung des Betriebsmediums vom Verdichter zu dem Brennstoffzellenstapel erlaubt, wobei die Aufteilung der Anteile des durch den Verdichter und den Bypass strömenden Betriebsmedium mittels der Steuereinrichtung erfolgt. Während der Startphase des Brennstoffzellensystems kann das gesamte vom Verdichter komprimierte Betriebsmedium direkt, d. h. ohne Befeuchtung, dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden. Sobald die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems und/oder die Umgebungstemperatur in vorgegebene Temperaturbereiche gelangen, die ein Gefrieren des über die Befeuchtungseinheit zugegebenen Wassers ausschließen, kann zunächst ein Teil des Betriebsmediums durch die Befeuchtungseinheit geführt werden. Sobald die genannten Temperaturen in unkritische Bereiche (über 0°C) gestiegen sind, kann das gesamte Betriebsmedium durch die Befeuchtungseinheit geführt werden. Die Steuereinrichtung bestimmt dabei, zu welchem Anteil das Betriebsmedium über den Bypass oder durch die Befeuchtungseinheit in den Brennstoffzellenstapel gelangt.The fuel cell system according to the invention with a fuel cell stack, a compressor, a humidification unit and a control device is characterized in that the Humidification unit has a bypass, which is a direct supply of the Operating medium allowed from the compressor to the fuel cell stack, where the distribution of the proportions by the compressor and the Bypass Flowing Operating medium by means of the control device. During the The start phase of the fuel cell system can do all of the compressor compressed operating medium directly, d. H. without humidification, the Fuel cell stack supplied become. As soon as the operating temperature of the fuel cell system and / or the ambient temperature in predetermined temperature ranges get a freezing over exclude the humidification unit added water can initially a Part of the operating medium is led through the humidification unit. As soon as the temperatures mentioned rose to non-critical areas (above 0 ° C) are the entire operating medium through the humidification unit guided become. The control device determines the proportion the operating medium the bypass or through the humidification unit in the fuel cell stack arrives.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.Advantageous configurations result each from the dependent Claims.

In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur variiert wird. Mit der Variation der Betriebstemperatur wird gleichzeitig die Möglichkeit Abwärme des Brennstoffzellensystems an die Umgebung abzugeben, beeinflusst.In an advantageous variant of the inventive method it is provided that the operating temperature of the fuel cell system dependent on the ambient temperature is varied. With the variation of the operating temperature becomes the possibility at the same time waste heat of the fuel cell system to the environment.

Vorteilhafterweise erfolgt das Absenken der Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit des wirksamen Temperaturgefälles zwischen Umgebung und Brennstoffzellensystem und den Temperaturvorgaben der Membran der Brennstoffzelle. Die Absenkung erfolgt auf eine Temperatur, bei der die Rückdiffusion innerhalb der Membran ausreichend für eine sichere Betriebsweise des Brennstoffzellensystems ist. Die Temperaturvorgabe ergibt sich aus dem Material der Membran.The lowering advantageously takes place the operating temperature of the fuel cell system depending the effective temperature gradient between Environment and fuel cell system and the temperature specifications of the Membrane of the fuel cell. The temperature drops to a temperature where the back diffusion sufficient within the membrane for safe operation of the fuel cell system. The temperature specification results from the material of the membrane.

Im Falle niedriger Umgebungstemperaturen, d. h. Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser, wird vorteilhafterweise der Betriebsdruck abgesenkt und auf eine Befeuchtung des Betriebsmediums verzichtet. Durch die Druckabsenkung reduziert sich die Temperatur des Betriebsmediums aufgrund der geringeren Abwärme des Verdichters. Der Druck und damit die Temperatur des Betriebsmediums werden so gewählt, dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems der durch das Rückdiffusionsvermögen der Membran begrenzten maximalen Betriebstemperatur entspricht.In the case of low ambient temperatures, ie temperatures below the freezing point of water, the operating pressure is advantageously reduced and the operating medium is not humidified. The pressure drop reduces the temperature of the operating medium the lower waste heat from the compressor. The pressure and thus the temperature of the operating medium are selected such that the operating temperature of the fuel cell system corresponds to the maximum operating temperature limited by the back diffusion capacity of the membrane.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems bei steigender Umgebungstemperatur erhöht wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass mit steigender Umgebungstemperatur das der Brennstoffzelle zugeführte Betriebsmedium befeuchtet und gekühlt wird. Das Befeuchten und Kühlen kann in üblicher Weise, beispielsweise über Wassereinspritzung oder Membranbefeuchter, realisiert werden.In a further embodiment of the The method provides that the operating temperature of the fuel cell system is increased with increasing ambient temperature. It is also provided that that with increasing ambient temperature that of the fuel cell supplied Operating medium is moistened and cooled. Humidifying and Cool can in usual Way, for example about Water injection or membrane humidifier can be realized.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels der Abwärme des Verdichters im befeuchtungsfreien Fall niedriger Umgebungstemperaturen Teile des Brennstoffzellensystems oder das gesamte Brennstoffzellensystem vorgewärmt wird.In a further advantageous embodiment provided that by means of the waste heat of the compressor in the humidification-free case of low ambient temperatures Parts of the fuel cell system or the entire fuel cell system preheated becomes.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung mit einer ersten Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung der Umgebungstemperatur und einer zweiten Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels verbunden, wobei die Temperaturwerte der ersten und zweiten Temperaturerfassungseinrichtung Parameterwerte der Steuereinrichtung darstellen. Abhängig von den Temperaturwerten der ersten und zweiten Temperaturerfassungseinrichtung werden über die Steuereinrichtung Mittel angesteuert, die eine Aufteilung der Anteile des durch den Verdichter und dem Bypass strömenden Kathodengases umsetzen. Bei diesen Mitteln kann es sich beispielsweise um Ventile handeln.In a preferred embodiment of the fuel cell system is the control device with a first temperature detection device for detecting the ambient temperature and a second temperature detection device for detection the operating temperature of the fuel cell stack, wherein the temperature values of the first and second temperature detection devices Represent parameter values of the control device. Depending on the temperature values of the first and second temperature detection devices are about the control device is controlled by means of a division of the Convert portions of the cathode gas flowing through the compressor and the bypass. These means can be, for example, valves.

Das Brennstoffzellensystem ist in einer vorteilhaften Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, das dieses bei niedriger Umgebungstemperatur eine gegenüber Normalbedingungen abgesenkte Betriebssystemtemperatur aufweist. Als Normalbedingungen werden dabei Umgebungstemperaturen angenommen, die über dem Gefrierpunkt von Wasser liegen.The fuel cell system is in an advantageous development characterized by this at low ambient temperature a lower than normal conditions Operating system temperature. As normal conditions assuming ambient temperatures that are above the freezing point of water.

In einer Weiterbildung ist das Material der Membran einer Membran-Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels derart gewählt, das durch Rückdiffusion von Produktwasser von der Kathode auf die Anode eine Selbstbefeuchtung der Membran im Fall niedriger Umgebungstemperaturen erfolgt. Als niedrige Umgebungstemperatur werden Temperaturen unterhalb 0°C und knapp darüber verstanden.The material is in a further training the membrane of a membrane electrode assembly of a fuel cell of the fuel cell stack chosen such that by back diffusion self-humidification of product water from the cathode to the anode the membrane occurs in the case of low ambient temperatures. As low ambient temperature means temperatures below 0 ° C and just above.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert.The invention is hereinafter in an embodiment based on an associated drawing explained in more detail.

Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Zeichnung ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem. Dieses weist einen Brennstoffzellenstapel mit zumindest einer Brennstoffzelle auf. Jede Brennstoffzelle ist in bekannter Weise aus einer Membran-Elektrodeneinheit gebildet. Über einen Eintritt wird dem Brennstoffzellenstapel 10 das Betriebsmedium (Kathodengas) zugeführt (Pfeil 40). Das Kathodengas wird zunächst dem Eintritt eines Verdichters 14 zugeführt (Pfeil 30). Nach der Kompression in dem Verdichter 14 wird das verdichtete Kathodengas über ein Ventil 24 einer Befeuchtungseinheit 12 (Pfeil 34) und/oder einem Bypass 36 zugeführt. Der Austritt der Befeuchtungseinheit 12 sowie der Bypass 36 sind mit einem weiteren Ventil 26 verbunden. Dieses ist ausgangsseitig direkt mit dem Eintritt des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden (Pfeil 40). Das aus den Brennstoffzellenstapel 10 austretende Kathodengas wird gemäß Pfeil 42 einer Wasserabscheidung 16 zugeführt.The single figure shows a fuel cell system according to the invention in a schematic drawing. This has a fuel cell stack with at least one fuel cell. Each fuel cell is formed in a known manner from a membrane electrode assembly. The fuel cell stack is accessed via an entrance 10 the operating medium (cathode gas) supplied (arrow 40 ). The cathode gas is first the entry of a compressor 14 fed (arrow 30 ). After compression in the compressor 14 the compressed cathode gas through a valve 24 a humidification unit 12 (Arrow 34 ) and / or a bypass 36 fed. The humidifier exit 12 as well as the bypass 36 are with another valve 26 connected. On the output side, this is directly with the entry of the fuel cell stack 10 connected (arrow 40 ). That from the fuel cell stack 10 escaping cathode gas is according to arrow 42 a water separation 16 fed.

Das in dieser abgeschiedene Wasser wird über eine Wasserrückführung 46 wiederum der Befeuchtungseinheit 12 zur Verfügung gestellt. Das Kathodengas selbst tritt gemäß Pfeil 40 aus der Wasserabscheidung 16 aus.The water separated in this is in turn sent to the humidification unit via a water return 46 12 made available. The cathode gas itself occurs according to the arrow 40 from water separation 16 out.

Das Brennstoffzellensystem weist darüber hinaus eine Steuereinrichtung 18 auf, die mit einem ersten Temperatursensor 20 und einem zweiten Temperatursensor 22 verbunden ist. Der erste Temperatursensor 20 erfasst die Umgebungstemperatur, in der sich das Brennstoffzellensystem befindet. Der zweite Temperatursensor 22 dient zur Erfassung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10. Die von der ersten und der zweiten Temperaturerfassungseinrichtung 20, 22 gelieferten Temperaturmesswerte stellen Parameterwerte zur Steuerung der Ventile 24, 26 dar. Abhängig von den gemessenen Temperaturen wird zumindest ein Teil des aus dem Verdichter 14 austretenden Kathodengasstromes über den Bypass 36 ohne Befeuchtung dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt.The fuel cell system also has a control device 18 on that with a first temperature sensor 20 and a second temperature sensor 22 connected is. The first temperature sensor 20 detects the ambient temperature in which the fuel cell system is located. The second temperature sensor 22 is used to record the operating temperature of the fuel cell stack 10 , That of the first and the second temperature detection device 20 . 22 Delivered temperature measured values provide parameter values for controlling the valves 24 . 26 Depending on the measured temperatures, at least part of the from the compressor 14 emerging cathode gas flow through the bypass 36 without humidifying the fuel cell stack 10 fed.

Der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen unterhalb 0°C wird dadurch ermöglicht, dass auf eine Befeuchtung des aus dem Verdichter 14 austretenden Kathodengasstromes verzichtet wird. Zu diesem Zweck wird der Kathodengasstrom über den Bypass 36 direkt dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Weiterhin werden bei niedriger Umgebungstemperatur die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems abgesenkt, wobei die Absenkung in Abhängigkeit des wirksamen Temperaturgefälles zwischen der Umgebung und dem Brennstoffzellensystem einerseits und den Temperaturvorgaben der Membran, die materialabhängig sind, erfolgt. Wird gleichzeitig der Betriebsdruck abgesenkt, reduziert sich die Kathodengastemperatur aufgrund der geringeren Abwärme des Verdichters 14.The operation of the fuel cell system at ambient temperatures below 0 ° C is made possible by humidification of the compressor 14 emerging cathode gas flow is dispensed with. For this purpose, the cathode gas flow is bypassed 36 directly to the fuel cell stack 10 fed. Furthermore, the operating temperature of the fuel cell system is reduced at a low ambient temperature, the reduction taking place depending on the effective temperature gradient between the environment and the fuel cell system on the one hand and the temperature specifications of the membrane, which are material-dependent. If the operating pressure is reduced at the same time, the cathode gas temperature is reduced due to the lower waste heat from the compressor 14 ,

Der Druck und somit die Temperatur des Kathodengasstromes werden so gewählt, dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems der durch das Rückdiffusionsvermögen der Membran begrenzten maximalen Betriebstemperatur entspricht. Durch die Rückdiffusion von Produktwasser von der Kathode auf die Anode erfolgt eine Selbstbefeuchtung der Membran. Bei dem geeignet abgesenkten Druck und somit der Temperatur des Kathodengases reicht die Rückdiffusion für einen sicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems aus, so dass keine Beschädigung eintritt.The pressure and thus the temperature of the cathode gas flow are chosen so that the operating temperature of the fuel cell system is due to the back diffusion capacity of the membrane limited maximum operating temperature. The membrane is self-moistened by the back diffusion of product water from the cathode to the anode. With the suitably reduced pressure and thus the temperature of the cathode gas, the back diffusion is sufficient for safe operation of the fuel cell system, so that no damage occurs.

Bei steigender Umgebungstemperatur wird die Betriebstemperatur des Systems erhöht, indem der Betriebsdruck des Verdichters 14 angehoben wird. Damit verbunden werden die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Kathodengasströme in entsprechender Weise befeuchtet und gekühlt. Dies bedeutet, die Ventile 24, 26 werden durch die Steuereinrichtung 18 derart angesteuert, dass ein immer größerer Anteil des aus dem Verdichter 14 austretenden Kathodengasstromes durch die Befeuchtungseinheit 12 gelenkt wird, während der Anteil des Kathodengasstromes, der durch den Bypass 36 strömt, entsprechend verringert wird.As the ambient temperature rises, the operating temperature of the system is increased by the operating pressure of the compressor 14 is raised. This is connected to the fuel cell stack 10 supplied cathode gas streams humidified and cooled in a corresponding manner. This means the valves 24 . 26 are by the control device 18 controlled in such a way that an ever larger proportion of that from the compressor 14 emerging cathode gas flow through the humidification unit 12 is directed while the portion of the cathode gas flow through the bypass 36 flows, is reduced accordingly.

Damit das Brennstoffzellensystem zügig auf seine Betriebstemperatur gebracht werden kann, wird die Abwärme des Verdichters 14 zur Vorwärmung des gesamten oder eines Teiles des Brennstoffzellensystems verwendet, so lange der gesamte oder der größte Anteil des Kathodengasstromes durch den Bypass 36 strömt. Vorzugsweise werden die Befeuchtungseinheit 12 und etwaige Wassertanks in der Wasserabscheidung 16 frostsicher ausgelegt. Das Kühlmittel der Brennstoffzelle ist vorzugsweise nicht mit dem Befeuchtungswasser identisch und kann deshalb aus einer von Wasser unterschiedlichen Flüssigkeit mit einem Gefrierpunkt unterhalb dem von Wasser ausgelegt sein. Ein Einfrieren des Kühlmittels kann dann vermieden werden.So that the fuel cell system can be brought up to its operating temperature quickly, the waste heat from the compressor 14 used to preheat all or part of the fuel cell system as long as all or most of the cathode gas flow through the bypass 36 flows. Preferably, the humidification unit 12 and any water tanks in the water separation 16 designed frost-proof. The coolant of the fuel cell is preferably not identical to the dampening water and can therefore be designed from a liquid different from water with a freezing point below that of water. Freezing of the coolant can then be avoided.

Claims (11)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen unter 0°C, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Befeuchtungseinheit (12), einen Verdichter (14) und eine Steuereinrichtung (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variieren des Betriebsdrucks und der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (10) die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems abgesenkt wird, wobei das Material der Membran einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) derart gewählt ist, dass bei abgesenkter Betriebstemperatur durch Rückdiffusion eine Selbstbefeuchtung der Membran einer Brennstoffzelle erfolgt.Method for operating a fuel cell system at ambient temperatures below 0 ° C, the fuel cell system comprising a fuel cell stack ( 10 ), a humidification unit ( 12 ), a compressor ( 14 ) and a control device ( 18 ), characterized in that by varying the operating pressure and the operating temperature of the fuel cell stack ( 10 ) the operating temperature of the fuel cell system is reduced, the material of the membrane of a fuel cell of the fuel cell stack ( 10 ) is selected such that when the operating temperature is reduced, the membrane of a fuel cell is self-moistened by back diffusion. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur variiert wird.A method according to claim 1, characterized in that the operating temperature of the fuel cell system is dependent the ambient temperature is varied. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken der Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit des wirksamen Temperaturgefälles zwischen Umgebung und Brennstoffzellensystem und der Temperaturvorgaben einer Membran der Brennstoffzelle (10) erfolgt.A method according to claim 2, characterized in that the lowering of the operating temperature of the fuel cell system depending on the effective temperature gradient between the environment and the fuel cell system and the temperature specifications of a membrane of the fuel cell ( 10 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedriger Umgebungstemperatur der Betriebsdruck abgesenkt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the operating pressure is reduced when the ambient temperature is low becomes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems bei steigender Umgebungstemperatur erhöht wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that that the operating temperature of the fuel cell system increases with Ambient temperature increased becomes. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit steigender Umgebungstemperatur das der Brennstoffzelle zugeführte Betriebsmedium befeuchtet und gekühlt wird.A method according to claim 5, characterized in that with increasing ambient temperature that of the fuel cell supplied Operating medium is moistened and cooled. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abwärme des Verdichters (14) im befeuchtungsfreien Fall niedriger Umgebungstemperaturen Teile des Brennstoffzellensystems oder das gesamte Brennstoffzellensystem vorgewärmt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that by means of the waste heat of the compressor ( 14 ) parts of the fuel cell system or the entire fuel cell system is preheated in the humidification-free case of low ambient temperatures. Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (10), einer Befeuchtungseinheit (12), einem Verdichter (14) und einer Steuereinrichtung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinheit (12) einen Bypass (36) aufweist, der eine direkte Zuführung des Betriebsmittels vom Verdichter (14) zu dem Brennstoffzellenstapel (10) erlaubt, wobei die Aufteilung der Anteile des durch den Verdichter und den Bypass strömenden Betriebsmittels mittels der Steuereinrichtung (18) erfolgt.Fuel cell system with a fuel cell stack ( 10 ), a humidification unit ( 12 ), a compressor ( 14 ) and a control device ( 18 ), characterized in that the humidification unit ( 12 ) a bypass ( 36 ), which supplies the equipment directly from the compressor ( 14 ) to the fuel cell stack ( 10 ) permitted, the distribution of the proportions of the operating medium flowing through the compressor and the bypass by means of the control device ( 18 ) he follows. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) mit einer ersten Temperaturerfassungseinrichtung (20) zur Erfassung der Umgebungstemperatur und einer zweiten Temperaturerfassungseinrichtung (22) zur Erfassung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (10) verbunden ist, wobei die Temperaturwerte der ersten und zweiten Temperaturertassungseinrichtung (20, 22) Parameterwerte der Steuereinrichtung darstellen.Fuel cell system according to claim 8, characterized in that the control device ( 18 ) with a first temperature detection device ( 20 ) for the detection of the ambient temperature and a second temperature detection device ( 22 ) to record the operating temperature of the fuel cell stack ( 10 ) is connected, the temperature values of the first and second temperature detection devices ( 20 . 22 ) Represent parameter values of the control device. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses bei niedriger Umgebungstemperatur eine gegenüber Normalbedingungen abgesenkte Betriebssystemtemperatur aufweist.Fuel cell system according to claim 8 or 9, characterized characterized that this is a low ambient temperature compared to normal conditions reduced operating system temperature. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Membran einer Membranelektrodeneinheit einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) derart gewählt ist, dass durch Rückdiffusion von Produktwasser von der Kathode auf die Anode eine Selbstbefeuchtung der Membran im Fall niedriger Umgebungstemperaturen erfolgt.Fuel cell system according to one of claims 8 to 10, characterized in that the material of the membrane of a membrane electrode unit of a fuel cell of the fuel cell stack ( 10 ) is chosen such that self-moistening of the membrane takes place in the case of low ambient temperatures by back diffusion of product water from the cathode to the anode.
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