WO2013045042A1 - Method for preparing to re-start a fuel cell system - Google Patents

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WO2013045042A1
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cell system
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Definitions

  • the invention relates to a method for preparing the restart of a
  • Fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Fuel cell systems using fuel cells in PEM fuel cell technology are often critical to restarting. This is especially true if the restart takes place at temperatures below freezing, since in these situations, the fuel cell systems completely or in relevant parts by liquid in the
  • Fuel cell remaining product water may be frozen.
  • individual components may be impaired in their functionality by the ice, so that a restart is not or only very slowly possible.
  • High voltage or high voltage battery which is also used to hybridize the
  • Fuel cell and can be used for storage of regenerative braking energy is correspondingly complex and expensive and must have a comparatively high residual charge for the case described when parking the fuel cell system to realize the drying / purging of the fuel cell system when parking by means of the air conveyor of the fuel cell system can.
  • Fuel cell system which has two separate air conveying devices. One of the air conveyors is driven by a high-voltage motor, the other air conveyor arranged in parallel therewith is driven by a low-voltage motor.
  • said document also describes a method for starting such a fuel cell system, which can be started by dispensing with the high-voltage battery via the air-conveying device driven by the low-voltage motor.
  • Air conveyor can be used when turning off the fuel cell system for flushing the same.
  • this method is achieved with the features in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments and a preferred use of the method according to the invention are in the dependent
  • Fuel cell system provided. This works with a high voltage motor in a conventional manner.
  • the driven with the low-voltage motor air conveyor is so preferably used for the special case of the process control according to the invention, and optionally for the start of the fuel cell system.
  • High-voltage motor for the regular air supply of the fuel cell system is arranged. Such an arrangement is particularly advantageous because the two
  • Air conveyors are arranged parallel to each other. They do not influence each other, so that one is very free when choosing the technology of the air conveyors and parallel to operate once, the other and in order to cover peak power, both of the air conveyors in parallel.
  • the air conveying device with the low-voltage motor is arranged in series with an air conveying device with a high-voltage motor for the regular air supply of the fuel cell system.
  • the air conveyors can as a flow compressor or
  • the air conveying device may also be made for the air conveying device to be started with the low-voltage motor as a function of the ambient temperature during and / or after switching off the fuel cell system.
  • Such starting the air conveyor with the low-voltage motor for rinsing / drying of at least parts of the fuel cell system is in terms of the life of the fuel cell is of crucial advantage.
  • Fuel cell system which inevitably dries out the membranes and thus burdened in their life, so must always be done only if this is absolutely necessary due to the ambient temperature. On the one hand, this can already be done at
  • the fuel cell system is then woken up and purged or dried by starting the air conveying device with the low-voltage motor.
  • an improvement in the life of the fuel cell is also a very
  • the rinsing / drying is implemented via an air conveyor with low-voltage motor, this is also of high relevance in terms of safety.
  • the rinsing / drying can also take place in this case if the fuel cell system is without supervision, for example if it is used in a vehicle and the vehicle is parked in a parking lot. If the temperatures then fall below the critical limit, the fuel cell system is woken up and the air conveyor with the
  • Fuel cell system plays a role in particular when a
  • Fuel cell system in a vehicle A particularly preferred use relates to the use of the method for preparing the restart of the
  • Fuel cell system in a vehicle in which the fuel cell system provides the power required to drive the vehicle.
  • Figure 1 is a principle indicated section of a fuel cell system in a vehicle.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the detail of the fuel cell system according to FIG. 1.
  • FIG. 1 a fuel cell system indicated in principle is shown in a relevant section for the invention.
  • the fuel cell system I should be arranged in an indicated vehicle 2. It is there to provide the propulsion of the vehicle 2 required electrical power.
  • Section of the fuel cell system 1 essentially comprises the fuel cell 3 and an air supply device 4 for the fuel cell.
  • Air supply device 4 which will be described in more detail later, is supplied to a cathode chamber 5 of the fuel cell 3 air as an oxygen supplier.
  • An anode compartment 6 of the fuel cell 3 is supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas as starting material. Since this is not relevant for the invention, this is merely indicated in the illustration of FIG.
  • the air supply device 4 comprises two air conveying devices 7, 8 arranged parallel to one another, which are each driven by an electric motor 9, 10. Now it is the case that in a fuel cell system 1
  • This voltage level is typically of the order of 100 to 500 V DC and will be referred to hereinafter as
  • High voltage (HV) called High voltage (HV) called. Parallel there is for the on-board electronics of the
  • Vehicle 2 typically a second electrical network, which is generally formed as a low-voltage (NV) network.
  • NV low-voltage
  • Such a low voltage network is typically based on 12 or 24V.
  • a voltage level of 2 V is also conceivable.
  • I I and 12 designated boxes labeled HV and NV principle indicated. Now it is so that the air conveyor 7 is driven by the electric motor 9. This is designed as a high voltage motor 9 and is available with the
  • High voltage network 11 in conjunction.
  • High-voltage motor 9 are shown to illustrate this fact in the illustration of Figure 1 slightly larger than the air conveyor 8 and the electric motor 10 of the air conveyor 8, which should be designed as a low-voltage motor 10. It is accordingly connected to the low-voltage network 12 in the electrical connection indicated here.
  • a first check valve 13 is provided in the flow direction downstream of the second air conveying device 8.
  • Vehicle 2 should now be turned off, then various routines must be run when parking the fuel cell system 1.
  • One of these routines is a flushing of at least the fuel cell 3 itself with a gas,
  • Freezing conditions is possible. This rinsing / drying can take place directly when the fuel cell system 1 is switched off. In particular, however, it should be initiated via a temperature sensor 14 and a control unit 15. If the
  • the controller 15 Only when the temperature drops below the predetermined temperature limit in the region of the temperature sensor 14, the controller 15 will wake the fuel cell system 1 and the
  • control unit 15 becomes the air conveying device 8 or the
  • Air conveyor 8 with the low-voltage motor 10 funded air can then flush the fuel cell 3 and here directly the cathode compartment 5 of the fuel cell 3 and discharge moisture and water or dry the fuel cell 3.
  • a here indicated valve means 17 between the cathode side and the anode side which here for example in the flow direction before the
  • Fuel cell 3 is shown, but in principle can also be arranged behind it, are opened accordingly. As a result, the anode compartment 6 of the Fuel cell 3 of the by the air conveyor 8 with the
  • Low-voltage motor 10 conveyed air flushed and / or dried.
  • the design has the decisive advantage that it only needs the low voltage for flushing / drying the fuel cell 3 and thus to a
  • High-voltage battery in the fuel cell 1 can be dispensed with in principle.
  • recuperative braking energy can then, for example, on
  • Capacitors are used which are much more efficient at short term power peaks, but less suitable for long term energy storage. The construction becomes easier and more efficient. In addition, with the
  • the operation of the air conveyor 8 can be ensured. This is particularly advantageous if this is done without supervision by a driver or the like in the parked operation of the vehicle 2 before a possible restart, if the temperature falls in the range of the temperature sensor 14 below the predetermined limit. Then the system is unattended and can be operated much more safely with low voltage than with high voltage, which would be potentially dangerous for a person in contact with it.
  • the two air conveyors 7 and 8 are not parallel to each other in the embodiment shown here, but connected in series with each other. Otherwise, that is
  • Air conveyors 7, 8 promoted air flow can be overflowed accordingly, even if they are not in operation.
  • the air conveyors 7, 8 promoted air flow can be overflowed accordingly, even if they are not in operation.
  • Air conveyor 7 as a flow compressor and the air conveyor 8 may be formed as a side channel compressor. Equally conceivable would be the two
  • Air conveyors 7, 8 similar form.

Abstract

The invention relates to a method for preparing to re-start a fuel cell system (1) having at least one air-conveying device (7, 8), wherein, before or after the fuel cell system (1) has been shut down and before the fuel cell system is re-started, air is conveyed at least through parts of the fuel cell system (1), in order to flush and/or dry the latter. The invention is characterized in that the air for flushing/drying the fuel cell system (1) is conveyed by an air-conveying device (8) driven by a low-voltage motor (10), wherein an air-conveying device (7) driven by a high-voltage motor (9) is connected in parallel or in series thereto.

Description

Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems  Method for preparing the restart of a fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines The invention relates to a method for preparing the restart of a
Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1.
Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Solche Verfahren dienen dabei vor allem zum Vorbereiten des späteren Wiederstarts des Brennstoffzellensystems. Insbesondere Methods for shutting down a fuel cell system are known from the general state of the art. Such methods are used primarily for preparing the later restart of the fuel cell system. Especially
Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellen in PEM-Brennstoffzellentechnologie sind hinsichtlich des Wiederstarts häufig kritisch. Dies gilt insbesondere wenn der Wiederstart bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgt, da in diesen Situationen die Brennstoffzellensysteme ganz oder in relevanten Teilen durch flüssiges in der Fuel cell systems using fuel cells in PEM fuel cell technology are often critical to restarting. This is especially true if the restart takes place at temperatures below freezing, since in these situations, the fuel cell systems completely or in relevant parts by liquid in the
Brennstoffzelle verbliebenes Produktwasser eingefroren sein können. In diesem Fall können einzelne Komponenten in ihrer Funktionalität durch das Eis beeinträchtigt sein, sodass ein Wiederstart nicht oder nur sehr langsam möglich ist. Um dieser Problematik vorzubeugen ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems eine Abschaltprozedur zu durchfahren. Diese Fuel cell remaining product water may be frozen. In this case, individual components may be impaired in their functionality by the ice, so that a restart is not or only very slowly possible. In order to prevent this problem, it is known from the general state of the art to pass through a switch-off procedure when switching off a fuel cell system. These
Abschaltprozedur sorgt einerseits dafür, dass Restwasserstoff aufgebraucht wird und nicht an die Umgebung gelangen kann, und sorgt insbesondere dafür, dass das On the one hand shutdown procedure ensures that residual hydrogen is used up and can not reach the environment, and in particular ensures that the
Brennstoffzellensystem nach dem Abschalten in einem vergleichsweise trockenen Zustand ist. In einer solchen Abschaltprozedur wird eine Luftfördereinrichtung der Brennstoffzelle, welche diese im regulären Betrieb mit Luftsauerstoff als Edukt versorgt, zumindest kurzzeitig betrieben. Der dadurch entstehende Luftstrom trocknet die Fuel cell system after switching off in a relatively dry state. In such a switch-off procedure, an air conveying device of the fuel cell, which supplies it with oxygen from the air as starting material during normal operation, is operated at least for a short time. The resulting air flow dries the
Brennstoffzelle und ihre Komponenten und/oder bläst verbliebene Feuchtigkeit und flüssiges Wasser aus den kritischen Bereichen aus. Dieses Spülen/Trocknen eines Brennstoffzellensystems ist allgemein bekannt und üblich. Es hat dabei den Fuel cell and its components and / or expels remaining moisture and liquid water from the critical areas. This purging / drying of a fuel cell system is well known and commonplace. It has the
entscheidenden Nachteil, dass es Energie benötigt. Diese kommt typischerweise aus einer Hochspannungsbatterie des Brennstoffzellensystems, welche auf eine crucial disadvantage that it requires energy. This typically comes from a high voltage battery of the fuel cell system, which on a
vergleichbare Spannung ausgelegt ist, wie die Brennstoffzelle selbst. Diese comparable voltage is designed as the fuel cell itself. This
Hochspannungs- oder Hochvoltbatterie, welche auch zur Hybridisierung der High voltage or high voltage battery, which is also used to hybridize the
Brennstoffzelle und zur Einspeicherung von regenerativer Bremsenergie genutzt werden kann, ist dabei entsprechend aufwändig und teuer und muss für den beschriebenen Fall beim Abstellen des Brennstoffzellensystems noch eine vergleichsweise hohe Restladung aufweisen, um das Trocknen/Spülen des Brennstoffzellensystems beim Abstellen mittels der Luftfördereinrichtung des Brennstoffzellensystems realisieren zu können. Fuel cell and can be used for storage of regenerative braking energy is correspondingly complex and expensive and must have a comparatively high residual charge for the case described when parking the fuel cell system to realize the drying / purging of the fuel cell system when parking by means of the air conveyor of the fuel cell system can.
Aus dem Stand der Technik in Form der DE 10 2005 007 077 A1 ist ein From the prior art in the form of DE 10 2005 007 077 A1 is a
Brennstoffzellensystem bekannt, welches zwei getrennte Luftfördereinrichtungen aufweist. Eine der Luftfördereinrichtungen ist dabei über einen Hochspannungsmotor angetrieben, die andere hierzu parallel angeordnete Luftfördereinrichtung ist über einen Niederspannungsmotor angetrieben. Die besagte Schrift beschreibt neben diesem Aufbau des Brennstoffzellensystems außerdem ein Verfahren zum Starten eines solchen Brennstoffzellensystems, welches unter Verzicht auf die Hochvoltbatterie über die von dem Niederspannungsmotor angetriebene Luftfördereinrichtung gestartet werden kann. Fuel cell system is known, which has two separate air conveying devices. One of the air conveyors is driven by a high-voltage motor, the other air conveyor arranged in parallel therewith is driven by a low-voltage motor. In addition to this design of the fuel cell system, said document also describes a method for starting such a fuel cell system, which can be started by dispensing with the high-voltage battery via the air-conveying device driven by the low-voltage motor.
Aus der DE 10 2005 049 846 A1 ist außerdem der Aufbau eines Brennstoffzellensystems bekannt, welcher mit einer einzigen Luftfördereinrichtung auskommt. Diese ist ebenfalls elektromotorisch angetrieben. Über eine entsprechende Elektronik ist es möglich, die Luftfördereinrichtung dabei einmal aus der Hochvoltbatterie oder mit der Hochspannung der Brennstoffzelle selbst anzutreiben. Andererseits lässt die Elektronik auch den Antrieb der Luftfördereinrichtung mit Niederspannung zu. Im Rahmen dieser Anmeldung ist es auch beschrieben, dass eine solche über Niederspannung angetriebene From DE 10 2005 049 846 A1, the structure of a fuel cell system is also known, which manages with a single air conveyor. This is also driven by an electric motor. By means of appropriate electronics, it is possible to drive the air delivery device once from the high-voltage battery or with the high voltage of the fuel cell itself. On the other hand, the electronics also allow the drive of the low-voltage air conveyor. In the context of this application, it is also described that such a low-voltage driven
Luftfördereinrichtung beim Abstellen des Brennstoffzellensystems zum Spülen desselben verwendet werden kann. Air conveyor can be used when turning off the fuel cell system for flushing the same.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zum Abstellen eines The object of the present invention is now to avoid the disadvantages mentioned and an improved method for stopping a
Brennstoffzellensystems anzugeben. Specify fuel cell system.
Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen  According to the invention, this method is achieved with the features in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments and a preferred use of the method according to the invention are in the dependent
Unteransprüchen angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun so, dass die Luft zum Spülen/Trocknen des Brennstoffzellensystems durch eine von einem Niederspannungsmotor angetriebene Luftfördereinrichtung gefördert wird. Dieser Antrieb über eine mit Niederspannung betriebene Luftfördereinrichtung ermöglicht den Verzicht auf eine Hochvoltbatterie beziehungsweise benötigt diese beim Spülen/Trocknen des Brennstoffzellensystems nicht. Dadurch entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welcher energieeffizient ein sicheres und zuverlässiges Abstellen des Brennstoffzellensystems mit einem Spülen/Trocknen ermöglicht. Damit ist ein sicherer und zuverlässiger Wiederstart, auch unter widrigen Bedingungen, wie beispielsweise Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, möglich. Subclaims specified. In the method according to the invention, it is now the case that the air for purging / drying the fuel cell system is conveyed by an air conveying device driven by a low-voltage motor. This drive via a low-voltage air conveyor device makes it possible to dispense with a high-voltage battery or does not need it when flushing / drying the fuel cell system. This results in a very simple structure, which energy-efficiently enables a safe and reliable shutdown of the fuel cell system with a rinse / dry. This enables a safe and reliable restart, even under adverse conditions such as sub-freezing ambient temperatures.
Neben der Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor ist in Reihe oder parallel dazu eine reguläre Luftfördereinrichtung für den Normalbetrieb des In addition to the air conveyor with the low voltage motor is in series or in parallel to a regular air conveyor for normal operation of the
Brennstoffzellensystems vorgesehen. Diese arbeitet mit einem Hochspannungsmotor in an sich bekannter Art und Weise. Die mit dem Niederspannungsmotor angetriebene Luftfördereinrichtung wird so vorzugsweise für den Spezialfall der erfindungsgemäßen Verfahrensführung, sowie gegebenenfalls für den Start des Brennstoffzellensystems eingesetzt. Fuel cell system provided. This works with a high voltage motor in a conventional manner. The driven with the low-voltage motor air conveyor is so preferably used for the special case of the process control according to the invention, and optionally for the start of the fuel cell system.
Eine besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen A particularly favorable and advantageous embodiment of the invention
Verfahrens sieht es dabei vor, dass die Luftfördereinrichtung mit dem It provides in this case that the air conveyor with the
Niederspannungsmotor parallel zu der Luftfördereinrichtung mit einem Low-voltage motor in parallel to the air conveyor with a
Hochspannungsmotor für die reguläre Luftversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet wird. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die beiden High-voltage motor for the regular air supply of the fuel cell system is arranged. Such an arrangement is particularly advantageous because the two
Luftfördereinrichtungen parallel zueinander angeordnet werden. Sie beeinflussen sich dabei nicht, sodass man bei der Wahl der Technologie der Luftfördereinrichtungen sehr frei ist und parallel einmal die eine, einmal die andere und, um Leistungsspitzen abzudecken, auch beide der Luftfördereinrichtungen parallel betreiben kann. Air conveyors are arranged parallel to each other. They do not influence each other, so that one is very free when choosing the technology of the air conveyors and parallel to operate once, the other and in order to cover peak power, both of the air conveyors in parallel.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dagegen vorgesehen, dass die Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor in Reihe zu einer Luftfördereinrichtung mit einem Hochspannungsmotor für die reguläre Luftversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet wird. Eine solche In a further very favorable embodiment of the method according to the invention, on the other hand, it is provided that the air conveying device with the low-voltage motor is arranged in series with an air conveying device with a high-voltage motor for the regular air supply of the fuel cell system. Such
Reihenschaltung der Luftfördereinrichtungen ist besonders einfach und effizient, da diese hinsichtlich der Ventile und der Verrohrungen einfach realisiert werden kann. Sie erfordert dann jedoch einen Bautyp der Luftfördereinrichtungen, welcher ein Überströmen ermöglicht. Die Luftfördereinrichtungen können als Strömungsverdichter oder Series connection of the air conveyors is particularly simple and efficient, as these in terms of valves and piping can be easily realized. However, it then requires a type of construction of the air conveyors, which allows overflow. The air conveyors can as a flow compressor or
Seitenkanalverdichter ausgebildet sein. Da bei Brennstoffzellensystemen häufig ohnehin Strömungsverdichter in einem elektrischen Turbolader als Luftfördereinrichtung eingesetzt werden, stellt dies jedoch keinen nennenswerten Nachteil dar. Durch die Einsparung der Verrohrung oder eines eventuellen zweiten Luftfilters und der benötigten Rückschlagventile bei der parallelen Verschaltung ist der Aufbau entsprechend einfacher, kleiner, leichter und typischerweise auch kostengünstiger. Be formed side channel blower. However, since fuel cell systems often use flow compressors in an electric turbocharger as an air conveyor, this is not a significant disadvantage. By saving the piping or a possible second air filter and the required check valves in the parallel interconnection of the structure is correspondingly simpler, smaller, lighter and typically also cheaper.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur beim und/oder nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems gestartet wird. Ein solches Starten der Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor zum Spülen/Trocknen von zumindest Teilen des Brennstoffzellensystems ist dabei hinsichtlich der Lebensdauer der Brennstoffzelle von entscheidendem Vorteil. Das Spülen/Trocknen des In a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, provision may also be made for the air conveying device to be started with the low-voltage motor as a function of the ambient temperature during and / or after switching off the fuel cell system. Such starting the air conveyor with the low-voltage motor for rinsing / drying of at least parts of the fuel cell system is in terms of the life of the fuel cell is of crucial advantage. The rinsing / drying of the
Brennstoffzellensystems, welches unweigerlich die Membranen austrocknet und damit in ihrer Lebensdauer belastet, muss so immer nur dann erfolgen, wenn dies aufgrund der Umgebungstemperatur zwingend notwendig ist. Dies kann einerseits bereits beim Fuel cell system, which inevitably dries out the membranes and thus burdened in their life, so must always be done only if this is absolutely necessary due to the ambient temperature. On the one hand, this can already be done at
Abstellen des Brennstoffzellensystems immer dann erfolgen, wenn die Turn off the fuel cell system always take place when the
Umgebungstemperatur in diesen Situationen bereits entsprechend niedrig ist. Ambient temperature is already low in these situations.
Insbesondere kann es jedoch erst nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems erfolgen, wenn die Umgebungstemperatur einen bestimmten Grenzwert von In particular, however, it can only be done after switching off the fuel cell system, when the ambient temperature is a certain limit of
beispielsweise ca. 3° C unterschreitet und damit ein weiteres Absinken der Temperaturen zu befürchten ist. In diesem Fall wird das Brennstoffzellensystem dann aufgeweckt und durch einen Start der Luftfördereinrichtung mit dem Niederspannungsmotor gespült beziehungsweise getrocknet. Neben der Schonung der Brennstoffzelle und damit einer Verbesserung der Lebensdauer der Brennstoffzelle wird außerdem ein sehr For example, falls below about 3 ° C and thus a further drop in temperatures is to be feared. In this case, the fuel cell system is then woken up and purged or dried by starting the air conveying device with the low-voltage motor. In addition to the protection of the fuel cell and thus an improvement in the life of the fuel cell is also a very
energieeffizientes System erreicht, sodass bei hohen Umgebungstemperaturen auf den energiebenötigten Vorgang des Spülens/Trocknens gänzlich verzichtet werden kann. Insbesondere bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Spülen/Trocknen über eine Luftfördereinrichtung mit Niederspannungsmotor umgesetzt wird, ist dies auch hinsichtlich der Sicherheit von hoher Relevanz. Das Spülen/Trocknen kann in diesem Fall auch erfolgen, wenn das Brennstoffzellensystem ohne Aufsicht ist, beispielsweise wenn es in einem Fahrzeug eingesetzt wird und das Fahrzeug auf einem Parkplatz abgestellt ist. Wenn die Temperaturen dann unter den kritischen Grenzwert sinken, wird das Brennstoffzellensystem aufgeweckt und die Luftfördereinrichtung mit dem achieved energy-efficient system, so that at high ambient temperatures on the energetic process of rinsing / drying can be completely dispensed with. In particular, in the method according to the invention, in which the rinsing / drying is implemented via an air conveyor with low-voltage motor, this is also of high relevance in terms of safety. The rinsing / drying can also take place in this case if the fuel cell system is without supervision, for example if it is used in a vehicle and the vehicle is parked in a parking lot. If the temperatures then fall below the critical limit, the fuel cell system is woken up and the air conveyor with the
Niederspannungsmotor wird zum Trocknen/Spülen gestartet. In dieser Situation, bei unbeaufsichtigtem System, ist es hinsichtlich der Sicherheit ein entscheidender Vorteil, dass hier nur ein Niederspannungsmotor mit z.B. 12 V Gleichstrom angetrieben wird und kein Hochspannungsmotor mit Gleichstrom von mehr als 60 V, welcher für Personen potenziell gefährlich wäre. Das unbeaufsichtigte System, bei dem nicht sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden kann, dass eine Person mit den Low voltage motor is started for drying / rinsing. In this situation, in the case of an unattended system, it is a decisive advantage in terms of safety that only a low-voltage motor with e.g. 12 V DC is driven and no high-voltage motor with DC more than 60 V, which would be potentially dangerous for people. The unattended system where it can not be safely and reliably excluded that a person with the
spannungsführenden Teilen in Kontakt gerät, ist so sehr viel sicherer. contact with live parts is so much safer.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines The inventive method for preparing the restart of a
Brennstoffzellensystems spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn ein Fuel cell system plays a role in particular when a
Brennstoffzellensystem häufig abgestellt und wieder gestartet wird. Dies ist insbesondere bei Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen der Fall. Daher liegt die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Frequently turned off and restarted fuel cell system. This is the case in particular in fuel cell systems in vehicles. Therefore, the particularly preferred use of the method according to the invention is one
Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Eine besonders bevorzugte Verwendung betrifft dabei die Nutzung des Verfahrens zum Vorbereiten des Wiederstarts des Fuel cell system in a vehicle. A particularly preferred use relates to the use of the method for preparing the restart of the
Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, in welchem das Brennstoffzellensystem die zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung bereitstellt. Fuel cell system in a vehicle, in which the fuel cell system provides the power required to drive the vehicle.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden. Further advantageous embodiments of the method according to the invention and its use will become apparent from the remaining dependent subclaims and will be apparent from the embodiments, which are described below with reference to the figures.
Dabei zeigen: Showing:
Fig. 1 einen prinzipmäßig angedeuteten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; und Figure 1 is a principle indicated section of a fuel cell system in a vehicle. and
Fig. 2 eine alternative Ausgestaltung des Ausschnitts des Brennstoffzellensystems gemäß Fig. 1. 2 shows an alternative embodiment of the detail of the fuel cell system according to FIG. 1.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem für die Erfindung relevanten Ausschnitt dargestellt. Das Brennstoffzellensystem I soll dabei in einem angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein. Es soll dort die zum Vortrieb des Fahrzeugs 2 benötigte elektrische Leistung liefern. Der dargestellte In the illustration of Figure 1, a fuel cell system indicated in principle is shown in a relevant section for the invention. The fuel cell system I should be arranged in an indicated vehicle 2. It is there to provide the propulsion of the vehicle 2 required electrical power. The illustrated
Ausschnitt des Brennstoffzellensystems 1 umfasst im Wesentlichen die Brennstoffzelle 3 sowie eine Luftversorgungseinrichtung 4 für die Brennstoffzelle. Über die Section of the fuel cell system 1 essentially comprises the fuel cell 3 and an air supply device 4 for the fuel cell. About the
Luftversorgungseinrichtung 4, welche später noch näher beschrieben wird, wird einem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Einem Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas als Edukt zugeführt. Da dies für die Erfindung nicht weiter relevant ist, ist dies in der Darstellung der Figur 1 lediglich angedeutet. Air supply device 4, which will be described in more detail later, is supplied to a cathode chamber 5 of the fuel cell 3 air as an oxygen supplier. An anode compartment 6 of the fuel cell 3 is supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas as starting material. Since this is not relevant for the invention, this is merely indicated in the illustration of FIG.
Die Luftversorgungseinrichtung 4 gemäß Figur 1 umfasst zwei parallel zueinander angeordnete Luftfördereinrichtungen 7, 8, welche jeweils von einem Elektromotor 9, 10 angetrieben werden. Nun ist es so, dass in einem Brennstoffzellensystem 1 The air supply device 4 according to FIG. 1 comprises two air conveying devices 7, 8 arranged parallel to one another, which are each driven by an electric motor 9, 10. Now it is the case that in a fuel cell system 1
typischerweise das Spannungsniveau, mit welchem die Brennstoffzelle 3 ihre Leistung bereitstellt, in dem System vorherrscht. Dieses Spannungsniveau liegt typischerweise in der Größenordnung von 100 bis 500 V Gleichspannung und wird nachfolgend als typically the voltage level at which the fuel cell 3 provides its power prevails in the system. This voltage level is typically of the order of 100 to 500 V DC and will be referred to hereinafter as
Hochspannung (HV) bezeichnet. Parallel dazu gibt es für die Bordelektronik des High voltage (HV) called. Parallel there is for the on-board electronics of the
Fahrzeugs 2 typischerweise ein zweites elektrisches Netz, welches im Allgemeinen als Niederspannungs (NV)-netz ausgebildet ist. Ein solches Niederspannungsnetz ist typischerweise auf der Basis von 12 oder 24 V ausgebildet. Auch ein Spannungsniveau von 2 V ist denkbar. Wie bei Fahrzeugen üblich verfügt es typischerweise auch über eine NV-Batterie. Diese beiden Spannungsnetze des Fahrzeugs 2 sind durch die beiden mitVehicle 2 typically a second electrical network, which is generally formed as a low-voltage (NV) network. Such a low voltage network is typically based on 12 or 24V. A voltage level of 2 V is also conceivable. As is usual with vehicles, it typically also has a low-voltage battery. These two voltage networks of the vehicle 2 are by the two with
I I und 12 bezeichneten Boxen mit der Beschriftung HV und NV prinzipmäßig angedeutet. Nun ist es so, dass die Luftfördereinrichtung 7 von dem elektrischen Motor 9 angetrieben wird. Dieser ist als Hochspannungsmotor 9 ausgebildet und steht mit dem I I and 12 designated boxes labeled HV and NV principle indicated. Now it is so that the air conveyor 7 is driven by the electric motor 9. This is designed as a high voltage motor 9 and is available with the
Hochspannungsnetz 11 in Verbindung. Die Luftfördereinrichtung 7 und der High voltage network 11 in conjunction. The air conveyor 7 and the
Hochspannungsmotor 9 sind zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts in der Darstellung der Figur 1 etwas größer dargestellt, als die Luftfördereinrichtung 8 und der elektrische Motor 10 der Luftfördereinrichtung 8, welcher als Niederspannungsmotor 10 ausgebildet sein soll. Er steht dementsprechend mit dem Niederspannungsnetz 12 in der hier angedeuteten elektrischen Verbindung. High-voltage motor 9 are shown to illustrate this fact in the illustration of Figure 1 slightly larger than the air conveyor 8 and the electric motor 10 of the air conveyor 8, which should be designed as a low-voltage motor 10. It is accordingly connected to the low-voltage network 12 in the electrical connection indicated here.
Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird die Brennstoffzelle 3 In regular operation of the fuel cell system 1, the fuel cell 3
beziehungsweise ihr Kathodenraum 5 über die Luftfördereinrichtung 7 mit Luft versorgt. Typischerweise dient dazu die von der Brennstoffzelle 3 selbst erzeugte elektrische Leistung in dem Hochspannungsnetz 11 des Fahrzeugs. Um ein Abströmen der geförderten Luft nach der Luftfördereinrichtung 7 in Richtung der Luftfördereinrichtung 8 zu verhindern, ist ein erstes Rückschlagventil 13 in Strömungsrichtung nach der zweiten Luftfördereinrichtung 8 vorgesehen. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 in dem or supplied her cathode compartment 5 via the air conveyor 7 with air. Typically, the electric power generated by the fuel cell 3 itself serves this purpose Power in the high voltage network 11 of the vehicle. In order to prevent the conveyed air from flowing downstream to the air conveying device 7 in the direction of the air conveying device 8, a first check valve 13 is provided in the flow direction downstream of the second air conveying device 8. When the fuel cell system 1 in the
Fahrzeug 2 nun abgestellt werden soll, dann müssen verschiedene Routinen beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 durchlaufen werden. Eine dieser Routinen ist dabei ein Durchspülen zumindest der Brennstoffzelle 3 selbst mit einem Gas, Vehicle 2 should now be turned off, then various routines must be run when parking the fuel cell system 1. One of these routines is a flushing of at least the fuel cell 3 itself with a gas,
vorzugsweise verdichteter Luft, um Feuchtigkeit und Wasser auszutragen und die Brennstoffzelle 3 soweit zu trocknen, dass ein Wiederstart auch unter Preferably compressed air to carry moisture and water and dry the fuel cell 3 so far that a restart even under
Gefrierbedingungen möglich ist. Dieses Spülen/Trocknen kann dabei unmittelbar beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 erfolgen. Insbesondere soll es jedoch über einen Temperatursensor 14 und ein Steuergerät 15 initiiert erfolgen. Wenn die Freezing conditions is possible. This rinsing / drying can take place directly when the fuel cell system 1 is switched off. In particular, however, it should be initiated via a temperature sensor 14 and a control unit 15. If the
Temperatur beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 bereits unter einem Temperature when switching off the fuel cell system 1 already under a
vorgegebenen Temperaturgrenzwert liegt, dann erfolgt das Spülen/Trocknen unmittelbar. Wenn nicht, wird auf das Spülen/Trocknen verzichtet. Erst wenn die Temperatur unter den vorgegebenen Temperaturgrenzwert im Bereich des Temperatursensors 14 absinkt, wird das Steuergerät 15 das Brennstoffzellensystem 1 aufwecken und das predetermined temperature limit, then the rinsing / drying takes place immediately. If not, rinsing / drying is omitted. Only when the temperature drops below the predetermined temperature limit in the region of the temperature sensor 14, the controller 15 will wake the fuel cell system 1 and the
Spülen/Trocknen veranlassen. Wenn die Temperatur bis zum nächsten Wiederstart nicht unter den vorgegebenen Temperaturgrenzwert absinkt, unterbleibt dieses Prozedere gänzlich. Rinse / dry. If the temperature does not fall below the preset temperature limit until the next restart, this procedure is completely omitted.
Ist die Temperatur im Bereich des Temperatursensors 14 nun bereits beim Abstellen unter dem Grenzwert oder fällt diese während des Stillstands unter den Grenzwert, dann wird das Steuergerät 15 die Luftfördereinrichtung 8 beziehungsweise den If the temperature in the region of the temperature sensor 14 is already below the limit value when it is switched off, or if it falls below the limit value during standstill, then the control unit 15 becomes the air conveying device 8 or the
Niederspannungsmotor 10 der Luftfördereinrichtung 8 entsprechend starten. Dadurch wird Luft zu der Brennstoffzelle 3 gefördert. Damit die geförderte Luft nicht in Richtung der Luftfördereinrichtung 7 abströmt, ist hier ein weiteres Rückschlagventil 16 in Low-voltage motor 10 of the air conveyor 8 start accordingly. As a result, air is supplied to the fuel cell 3. So that the conveyed air does not flow in the direction of the air conveyor 7, here is another check valve 16 in
Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung 7 vorgesehen. Die über die Direction of flow after the air conveyor 7 is provided. The over the
Luftfördereinrichtung 8 mit dem Niederspannungsmotor 10 geförderte Luft kann dann die Brennstoffelle 3 und hier direkt den Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 durchspülen und Feuchtigkeit und Wasser austragen beziehungsweise die Brennstoffzelle 3 trocknen. Bei Bedarf kann eine hier angedeutete Ventileinrichtung 17 zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite, welche hier beispielhaft in Strömungsrichtung vor der Air conveyor 8 with the low-voltage motor 10 funded air can then flush the fuel cell 3 and here directly the cathode compartment 5 of the fuel cell 3 and discharge moisture and water or dry the fuel cell 3. If necessary, a here indicated valve means 17 between the cathode side and the anode side, which here for example in the flow direction before the
Brennstoffzelle 3 dargestellt ist, prinzipmäßig aber auch dahinter angeordnet sein kann, entsprechend geöffnet werden. Dadurch kann auch der Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 3 von der durch die Luftfördereinrichtung 8 mit dem Fuel cell 3 is shown, but in principle can also be arranged behind it, are opened accordingly. As a result, the anode compartment 6 of the Fuel cell 3 of the by the air conveyor 8 with the
Niederspannungsmotor 10 geförderten Luft durchspült und/oder getrocknet werden. Low-voltage motor 10 conveyed air flushed and / or dried.
Der Aufbau hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass er für das Spülen/Trocknen der Brennstoffzelle 3 lediglich die Niederspannung benötigt und somit auf eine The design has the decisive advantage that it only needs the low voltage for flushing / drying the fuel cell 3 and thus to a
Hochvoltbatterie in der Brennstoffzelle 1 prinzipiell verzichtet werden kann. Zur High-voltage battery in the fuel cell 1 can be dispensed with in principle. to
Speicherung von rekuperativer Bremsenergie kann dann beispielsweise auf Storage of recuperative braking energy can then, for example, on
Kondensatoren zurückgegriffen werden, welche bei kurzfristigen Leistungsspitzen sehr viel effizienter sind, für eine langfristige Speicherung der Energie jedoch weniger geeignet sind. Der Aufbau wird dadurch einfacher und effizienter. Außerdem kann mit dem Capacitors are used which are much more efficient at short term power peaks, but less suitable for long term energy storage. The construction becomes easier and more efficient. In addition, with the
Spannungsniveau des Niederspannungsnetzes 12 der Betrieb der Luftfördereinrichtung 8 sichergestellt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dies ohne Aufsicht durch einen Fahrer oder dergleichen im abgestellten Betrieb des Fahrzeugs 2 vor einem eventuellen Wiederstart erfolgt, wenn die Temperatur im Bereich des Temperatursensors 14 unter den vorgegebenen Grenzwert fällt. Dann ist das System ohne Aufsicht und kann mit Niederspannung sehr viel sicherer betrieben werden, als mit Hochspannung, welche für eine Person, welche mit ihr in Berührung kommt, potenziell gefährlich wäre. Voltage level of the low voltage network 12, the operation of the air conveyor 8 can be ensured. This is particularly advantageous if this is done without supervision by a driver or the like in the parked operation of the vehicle 2 before a possible restart, if the temperature falls in the range of the temperature sensor 14 below the predetermined limit. Then the system is unattended and can be operated much more safely with low voltage than with high voltage, which would be potentially dangerous for a person in contact with it.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein alternativer Aufbau dargestellt. Der Aufbau ist dabei mit Ausnahme der Luftversorgungseinrichtung 4 identisch, sodass nur auf die In the illustration of Figure 2, an alternative structure is shown. The structure is identical with the exception of the air supply device 4, so that only on the
Unterschiede innerhalb der Luftversorgungseinrichtung 4 eingegangen wird. Die beiden Luftfördereinrichtungen 7 und 8 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nicht parallel zueinander, sondern in Reihe zueinander verschaltet. Ansonsten ist die Differences within the air supply device 4 is received. The two air conveyors 7 and 8 are not parallel to each other in the embodiment shown here, but connected in series with each other. Otherwise, that is
Funktionalität dieselbe. Der Aufbau spart Leitungselemente, Verbindungspunkte und die beiden Rückschlagventile 13, 16 ein. Er muss dann allerdings so aufgebaut sein, dass die beiden Luftfördereinrichtungen 7, 8 jeweils entweder als Strömungsverdichter und/oder Seitenkanalverdichter ausgebildet sind, sodass diese von dem durch eine der Functionality same. The structure saves line elements, connection points and the two check valves 13, 16 a. However, it must then be constructed so that the two air conveyors 7, 8 are each formed either as a flow compressor and / or side channel compressor, so that they are separated from the one by the
Luftfördereinrichtungen 7, 8 geförderten Luftstrom entsprechend überströmt werden können, auch wenn sie nicht in Betrieb sind. Beispielsweise kann die Air conveyors 7, 8 promoted air flow can be overflowed accordingly, even if they are not in operation. For example, the
Luftfördereinrichtung 7 als Strömungsverdichter und die Luftfördereinrichtung 8 als Seitenkanalverdichter ausgebildet sein. Ebenso denkbar wäre es die beiden Air conveyor 7 as a flow compressor and the air conveyor 8 may be formed as a side channel compressor. Equally conceivable would be the two
Luftfördereinrichtungen 7, 8 gleichartig auszubilden. Air conveyors 7, 8 similar form.

Claims

Patentansprüche  claims
Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems (1 ) mit wenigstens einer Luftfördereinrichtung (7, 8), wobei bei oder nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems (1 ) und vor einem Wiederstart des Method for preparing the restart of a fuel cell system (1) with at least one air conveyor (7, 8), wherein during or after the switching off of the fuel cell system (1) and before a restart of the
Brennstoffzellensystems (1 ) Luft zumindest durch Teile des Fuel cell system (1) air at least through parts of the
Brennstoffzellensystems (1 ) gefördert wird, um diese zu spülen und/oder zu trocknen, Fuel cell system (1) is conveyed to rinse and / or to dry,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Luft zum Spülen/Trocknen des Brennstoffzellensystems (1 ) durch eine von einem Niederspannungsmotor (10) angetriebene Luftfördereinrichtung (8) gefördert wird, wobei parallel oder in Reihe dazu eine von einem Hochspannungsmotor (9) angetriebene Luftfördereinrichtung (7) angeordnet wird. the air for purging / drying the fuel cell system (1) is conveyed by an air conveying device (8) driven by a low voltage motor (10), wherein an air conveying device (7) driven by a high voltage motor (9) is arranged in parallel or in series therewith.
Verfahren nach Anspruch 1 , Method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Luftfördereinrichtung (8) mit dem Niederspannungsmotor (10) parallel zu der Luftfördereinrichtung (7) mit dem Hochspannungsmotor (9) für die reguläre the air conveyor (8) with the low voltage motor (10) parallel to the air conveyor (7) with the high voltage motor (9) for the regular
Luftversorgung des Brennstoffzellensystems angeordnet wird. Air supply of the fuel cell system is arranged.
Verfahren nach Anspruch 2, Method according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Luftfördereinrichtungen (7, 8) druckseitig über Rückschlagventile (13, 16) miteinander und mit einem Kathodenraum (5) einer Brennstoffzelle (3) verbunden werden. the air conveying means (7, 8) on the pressure side via check valves (13, 16) with each other and with a cathode space (5) of a fuel cell (3) are connected.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 4. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Luftfördereinrichtung (8) mit dem Niederspannungsmotor (10) in Reihe zu der Luftfördereinrichtung (7) mit dem Hochspannungsmotor (9) für die reguläre  the air conveyor (8) with the low voltage motor (10) in series with the air conveyor (7) with the high voltage motor (9) for the regular
Luftversorgung des Brennstoffzellensystems (1 ) angeordnet wird.  Air supply of the fuel cell system (1) is arranged.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. The method according to any one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Luftfördereinrichtung (8) mit dem Niederspannungsmotor (10) zum  the air conveying device (8) with the low - voltage motor (10) for
Spülen/Trocknen mit einem Kathodenraum (5) der Brennstoffzelle (3) verbunden wird.  Rinsing / drying with a cathode compartment (5) of the fuel cell (3) is connected.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. The method according to any one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Luftfördereinrichtung (8) mit dem Niederspannungsmotor (10) zum  the air conveying device (8) with the low - voltage motor (10) for
Spülen/Trocknen mit einem Anodenraum (6) der Brennstoffzelle (3) verbunden wird.  Rinsing / drying with an anode chamber (6) of the fuel cell (3) is connected.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. The method according to any one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Luftfördereinrichtung (8) mit dem Niederspannungsmotor (10) in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur beim und/oder nach dem Abstellen des  the air conveying device (8) with the low voltage motor (10) as a function of the ambient temperature during and / or after switching off the
Brennstoffzellensystems (1 ) und vor einem Wiederstart des  Fuel cell system (1) and before a restart of the
Brennstoffzellensystems (1 ) gestartet wird.  Fuel cell system (1) is started.
8. Verwendung des Verfahrens zum Vorbereiten eines Brennstoffzellensystems (1 ) auf den Wiederstart gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einem 8. Use of the method for preparing a fuel cell system (1) on the restart according to one of claims 1 to 7 in a
Brennstoffzellensystem (1 ) in einem Fahrzeug (2).  Fuel cell system (1) in a vehicle (2).
9. Verwendung nach Anspruch 8, 9. Use according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Brennstoffzellensystem (1) in dem Fahrzeug (2) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie verwendet wird.  the fuel cell system (1) is used in the vehicle (2) to provide electrical drive power.
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