WO2016116184A1 - Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system - Google Patents

Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
WO2016116184A1
WO2016116184A1 PCT/EP2015/075958 EP2015075958W WO2016116184A1 WO 2016116184 A1 WO2016116184 A1 WO 2016116184A1 EP 2015075958 W EP2015075958 W EP 2015075958W WO 2016116184 A1 WO2016116184 A1 WO 2016116184A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
fluid
cathode
anode
fuel cell
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/075958
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marius WALTERS
Rene Savelsberg
Maximilian WICK
Thorsten PLUM
Original Assignee
Fev Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fev Gmbh filed Critical Fev Gmbh
Priority to DE112015006019.7T priority Critical patent/DE112015006019A5/en
Publication of WO2016116184A1 publication Critical patent/WO2016116184A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04432—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the present invention relates to a method of operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least an anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid supply and a cathode fluid discharge, and a control device.
  • the invention further relates to a fuel cell system, comprising at least one anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid supply and a cathode fluid discharge, and a control device.
  • Fuel cell systems are widely used in modern technology as energy sources.
  • Such fuel cell systems usually have a plurality of fuel cells, which are in particular often designed as membrane fuel cells, comprising an anode, a cathode and a membrane arranged therebetween.
  • the membrane in such a membrane electrode assembly (MEA, Membrane Electrode Assembly) separates a gas space of the cathode and a gas space of the anode.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • An uneven pressure load in the two gas chambers can have a detrimental effect on the membrane and thus on the fuel cell as a whole. In this case, too high a pressure difference between the gas space of the cathode and the gas space of the anode lead to damage, in the worst case to a destruction of the membrane.
  • a regulation of operating parameters, in particular, for example, the pressure of gases used in a fuel cell is known in principle.
  • a pressure difference between the cathode fluid and the anode fluid is adjusted, in particular to ensure a uniform reaction rate in the fuel cell.
  • a limitation of the pressure difference is not provided.
  • DE 10 2013 209 200 A1 it is also known to adjust the pressure of a cathode fluid such that an excessive pressure difference between the two gas spaces of the anode and the cathode is avoided. Pressure fluctuations within the pressure difference remain unnoticed.
  • the object is achieved by a method for operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least an anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid guide and a cathode fluid discharge, and a control device.
  • a method according to the invention is characterized by the following steps: a) measuring a pressure of an anode fluid in the anode fluid system,
  • step a) of a method according to the invention the pressure of a cathode fluid in the anode fluid system of a fuel cell of the fuel cell system is measured.
  • the pressures in anode gas spaces of fuel cells are usually in a range of 1, 5 bar to 3 bar, which of course in certain types of fuel cells or fuel cell configurations, other absolute pressures are possible.
  • the stress on a membrane between the anode and the cathode of the fuel cell is caused by the pressure of the anode fluid.
  • step b) of the method according to the invention in which a desired pressure for a cathode fluid in the cathode fluid system and thus in particular in the gas space of the cathode is determined as a function of the pressure of the anode fluid measured in step a).
  • the target pressure for the cathode fluid can be determined in particular equal to the pressure of the anode fluid be, but of course also with a pressure difference with respect to the pressure of the anode fluid.
  • step c) of the method according to the invention the pressure of the cathode fluid is regulated to the setpoint pressure determined in step b).
  • the pressure of the cathode fluid is regulated to a predetermined target pressure.
  • a method according to the invention may be characterized in that, in step b), the target pressure of the cathode fluid is fixed with a fixed pressure difference to the pressure of the anode fluid measured in step a).
  • This is a particularly safe and easy determination of the target pressure for the cathode fluid.
  • small pressure differences between the target pressure and the measured pressure of the anode fluid can be fixed, in particular, that the target pressure of the cathode fluid is set identically to the measured pressure of the anode fluid. In this way, it is particularly easy to create uniform pressure conditions inside the fuel cell, in particular in the gas spaces of the anode and the cathode, at any time during operation of the fuel cell.
  • a particularly safe operation of the fuel cell in particular with regard to avoidable loading of the membrane between the gas space of the cathode and the gas space of the anode, can be ensured.
  • a longer life of the fuel cell can be made possible by this avoidance of stress on the membrane, for example.
  • a value of between about 0 mbar and about 500 mbar is used as the pressure difference.
  • a small pressure difference may be used to influence, for example, a reaction rate between the cathode fluid and the anode fluid in the fuel cell.
  • step a) and / or step b) and / or step c) are carried out continuously or at least substantially continuously.
  • Continuous within the meaning of the invention means in particular that the steps of the method according to the invention are carried out continuously and without interruption.
  • a continuous monitoring of the pressure of the anode fluid, the setting of the target pressure or the regulation of the pressure of the cathode fluid to this target pressure can thereby take place.
  • a substantially continuous performance of steps a) and / or b) and / or c) is understood in the sense of the invention to mean that just mentioned steps with a frequency in the range of about 10 Hz, preferably in the range of about 100 Hz , particularly preferred in Range of about 1 kHz, be performed.
  • a pressure change in the anode fluid can be detected particularly well and quickly and converted via steps b) and c) into a change in the pressure of the cathode fluid.
  • Such a pressure change in the anode fluid thus does not lead to a change in the relative pressure conditions in the fuel cell in the case of a continuous or at least substantially continuous implementation of the method.
  • a pressure difference between the pressure of the anode fluid and the pressure of the cathode fluid in the fuel cell can be kept constant or at least substantially constant, regardless of changes, in particular rapid changes, in the pressure of the anode fluid.
  • a mass flow of anode fluid adjusted to the measured pressure of the anode fluid can also be set such that a change in pressure of the anode fluid is not accompanied by a mass flow change of the anode fluid. That's the way it is Thus, in particular a decoupling of the controlled variables of pressure and mass flow for fluids of the fuel cell allows.
  • a method according to the invention thus enables a particularly versatile applicability of a fuel cell system whose operation can be adapted in particular to many different requirements.
  • step a) the pressure of the anode fluid in the anode fluid supply and / or the anode fluid discharge is measured.
  • the decisive factor for the gas pressure acting from the anode side to the membrane of the fuel cell is the pressure of the anode fluid in the anode.
  • an absolute pressure measurement can be carried out at both locations, whereby the pressure in the anode itself can be determined, for example, by averaging the two measurement results.
  • Another possibility is an absolute pressure measurement at one location and a relative pressure measurement at the second location.
  • the pressure between the two measurement locations, and thus in particular in the gas space of the anode, can also be determined from these two parameters.
  • a particularly accurate measurement of the pressure of the anode fluid, in particular a particularly accurate extrapolation of the pressure of the anode fluid in the gas space of the anode, can be achieved.
  • step c) the pressure of the cathode fluid is measured and the measured pressure of the cathode fluid is compared with an upper limit and a lower limit.
  • the control in step c) of the method according to the invention can be supplied with the respectively measured pressure of the cathode fluid as input parameter.
  • a measurement of the pressure of the cathode fluid in the cathode fluid supply and / or the cathode fluid removal is also possible for the cathode fluid system.
  • all of the possibilities and advantages of the pressure measurement in the anode fluid system already apply correspondingly to a pressure measurement in the cathode fluid system.
  • step c) of the method according to the invention By comparing the measured pressure of the cathode fluid with an upper and a lower limit in step c) of the method according to the invention, it is possible in particular to regulate the pressure of the cathode fluid between these two limit values.
  • the two limit values may preferably be chosen such that the setpoint pressure determined in step b) of the method according to the invention is between the two limit values. A particularly secure control of the pressure of the cathode fluid to the specified target pressure is made possible.
  • a pressure difference to the setpoint pressure of about 100 mbar, preferably of about 25 mbar, is used as the upper and / or lower limit value.
  • the limit values are selected to be so large that the control in step c) of the method according to the invention can be carried out simply without requiring too frequent control steps. This makes it possible, for example, a control electronics, which may be arranged in particular in the control device, simpler to design.
  • the upper and lower limit values are selected symmetrically to the setpoint pressure.
  • the target pressure thus represents the middle between the two limit values. In the case of normal, random fluctuations, the target pressure is thus assumed on average as the pressure of the cathode fluid. A particularly safe and simple control of the pressure of the cathode fluid is thereby made possible.
  • a fuel cell system comprising at least one anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid supply and a cathode fluid discharge, and a control device.
  • An inventive fuel cell system is characterized in that the control device for Execution of a method according to the first aspect of the invention is formed. Accordingly, a fuel cell system according to the invention brings the same advantages as have been explained in detail with reference to a method according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • the fuel cell system has all the necessary components to supply the control device with the necessary input data, such as the pressure of the anode fluid, as well as to make the provided in step c) of the method control the pressure of the cathode fluid.
  • a pressure control device in particular a controllable throttle valve, is provided for regulating the pressure of the cathode fluid.
  • the pressure regulating device may be provided in the cathode fluid supply, but also in the cathode fluid discharge.
  • a pressure control device is a particularly simple way to make the provided in step c) of the method according to the invention control of the pressure.
  • throttle valve By a controllable throttle valve, it is particularly easy to change the pressure of a fluid, which is passed through the throttle valve.
  • throttle valves can be used, for example, valves that are used in internal combustion engines in exhaust gas recirculation systems.
  • a particularly good and reliable control of the pressure of the cathode fluid in the cathode fluid system can be provided thereby.
  • a differential pressure limiting device in particular a pressure compensator, is arranged between the anode fluid system and the cathode fluid system.
  • a differential pressure limiting device provides an additional safety device to avoid excessive differential pressure between the cathode fluid and the anode fluid.
  • a differential pressure limiting device can in particular also be configured such that a certain differential pressure between the two fluid systems still remains possible. This can be achieved particularly easily, for example, in the case of a pressure balance, in that the individual fluid systems of the cathode and the anode are connected in a fluid-communicating manner with pistons in the pressure compensator are, wherein the pistons have different cross sections.
  • Plungers in these pistons are pressurized by the cathode fluid or the anode fluid, wherein a balance of the plunger position is established by a pressure difference between these two fluids.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows a differential pressure limiting device of a fuel cell system according to the invention
  • a method according to the invention is shown.
  • the fuel cell system 10 configured to carry out this method is not shown.
  • a pressure of an anode fluid 23 of an anode fluid system 20 of a fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10 is measured by a pressure sensor 17.
  • the measured values are passed to a control device 15 of the fuel cell system 10 and evaluated there.
  • the control device 15 in a Step b) 101 set a target pressure for a cathode fluid 33 as a function of the pressure of the anode fluid 23 measured in step a) 100.
  • the target pressure of the cathode fluid 33 is determined such that on the one hand damage to a membrane 14, which is arranged in the fuel cell between a gas space of the anode 12 and a gas space of the cathode 13, can be safely avoided.
  • the desired pressure of the cathode fluid 33 is determined with regard to the operation of the fuel cell 11, so that, for example, a small difference between the pressures in the anode fluid system 20 and in the cathode fluid system 30 is established, by which a reaction rate between the anode fluid 23 and the cathode fluid 33 is improved At least it can be controlled.
  • this pressure of the cathode fluid 33 is regulated to the setpoint pressure determined in step b) 101.
  • the current pressure of the cathode fluid 33 can be measured, for example, by a further pressure sensor 17.
  • a particularly safe operation of the fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10, in particular with regard to a pressure load on a membrane 14, can be achieved thereby.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 10 according to the invention.
  • the fuel cell system 10 according to the invention has in particular a fuel cell
  • anode 1 which comprises an anode 12, a cathode 13 and a membrane 14 arranged therebetween.
  • the anode 12 is supplied with anode fluid 23 by an anode fluid system 20.
  • the anode fluid 23 flows through an anode fluid supply 21 into the anode
  • a recirculation line 25 is further provided in the illustrated embodiment of a fuel cell system 10 according to the invention, through which the anode fluid discharge 22 are again connected to the anode fluid supply 21 can.
  • a conveying device 24 is furthermore arranged, by means of which a particularly uniform flow of the anode fluid 23 in the anode fluid system 20 can be ensured.
  • the cathode 13 of the fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10 is connected to a cathode fluid system 30.
  • the cathode fluid system 30 also has a cathode fluid supply 31, in which cathode fluid 33 the cathode 13 is supplied. After flowing through the cathode 13, during which it reacts with the anode fluid 23 comes, which in particular electrical energy is generated in the fuel cell 1 1, the remaining cathode fluid 33 is discharged through a cathode fluid discharge 32 again from the cathode 13 of the fuel cell 1 1.
  • a mass flow control device 50 is provided, which is designed as a compressor 51 in the illustrated embodiment.
  • a cooling device 34 is arranged downstream of the compressor 51 in the direction of flow of the cathode fluid 33.
  • anode fluid drain 22 there is a fluid communicating connection between the anode fluid drain 22 and the cathode fluid drain 32 in which a purge valve 26 is disposed.
  • this purge valve 26 it is possible, for example, to supply superfluous anode fluid 23 to the cathode fluid discharge 32 at one end of an operation of the fuel cell system 10 and to discharge it from the fuel cell system 10.
  • a plurality of measuring devices are provided which may be designed as a mass flow sensor 16, pressure sensor 17 or temperature sensor 18. Through these sensors 16, 17, 18, data about both the anode fluid 23 and the cathode fluid 33 can be collected. These data are supplied to a control device 15 of the fuel cell system 10 according to the invention.
  • the pressure of the anode fluid 23 can be measured and determined by the pressure sensors 17 which are arranged in the anode fluid system 20 and can be arranged, for example, both in the anode fluid supply 21 and in the anode fluid discharge 22. These measured values are evaluated in the control device 15, which is designed in particular for carrying out a method according to the invention.
  • a target pressure for the cathode fluid 33 is set and sent in the illustrated embodiment of the fuel cell system 10 according to the invention to a pressure control device 40, which is designed here as a throttle valve 41.
  • a pressure control device 40 which is designed here as a throttle valve 41.
  • the pressure of the cathode fluid 33 in the cathode fluid system 30 can be adjusted by this pressure control device 40.
  • a plurality of pressure sensors 17 are again provided, which are arranged in the cathode fluid system 30, here as well in the cathode fluid supply 31 and in the cathode fluid discharge 32.
  • the mass flow control device 50 can be driven there, for example also by the control device 15, so that the mass flow of the cathode fluid 33 set by the mass flow control device 50 is set as a function of the set pressure of the cathode fluid 33.
  • a differential pressure limiting device 60 is provided, which is arranged between the cathode fluid discharge 32 and the anode fluid discharge 22.
  • the differential pressure limiting device 60 is designed as a pressure compensator 61.
  • Fig. 3 shows such a differential pressure limiting device 60, which is designed in particular as a pressure compensator 61.
  • the pressure compensator 61 is connected in a fluid-communicating manner both with the anode fluid discharge 22 and the cathode fluid discharge 32, wherein the anode fluid discharge 22 is connected in a fluid-communicating manner to an anode cylinder 62 and the cathode fluid discharge 32 to a cathode cylinder 63.
  • a differential pressure between the anode fluid 23 in the anode 12 of the fuel cell 1 1 and the cathode fluid 33 in the cathode 13 of the fuel cell 1 1 could lead to a deterioration of the membrane 14 between the anode 12 and the cathode 13.
  • an anode plunger 64 and a cathode plunger 65 are pressurized. Due to the different dimensions of the two plungers 64, 65 it is possible to consider a desired pressure difference between the anode fluid 23 and the cathode fluid 33. In the event of deviations from the set pressure difference, the plungers 64, 65 are deflected out of their zero position, wherein they are pushed back by spring elements 66 into the zero position. Too large a deflection leads to an opening of overflow channels 67, whereby the pressure difference can be compensated.
  • a pressure compensator 61 formed as a differential pressure limiting device 60.
  • additional sensors can be avoided, thereby making the entire fuel cell system 10 simpler.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system (10), the fuel cell system (10) comprising at least a fuel cell (11) with an anode (12) and a cathode (13), an anode fluid system (20) with an anode fluid inlet (21) and an anode fluid outlet (22), a cathode fluid system (30) with a cathode fluid inlet (31) and a cathode fluid outlet (32), and a control apparatus (15). The invention also relates to a fuel cell system (10) comprising at least a fuel cell (11) with an anode (12) and a cathode (13), an anode fluid system (20) with an anode fluid inlet (21) and an anode fluid outlet (22), a cathode fluid system (30) with a cathode fluid inlet (31) and a cathode fluid outlet (32), and a control apparatus (15).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie  Method for operating a fuel cell system as well
Brennstoffzellensystem  The fuel cell system
B e s c h r e i b u n g Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Brennstoffzellensystem zumindest aufweisend eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, ein Anodenfluidsystem mit einer Anodenfluidzuführung und einer Anodenfluidabführung, ein Kathodenfluidsystem mit einer Kathodenfluidzuführung und einer Kathodenfluidabführung, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, ein Anodenfluidsystem mit einer Anodenfluidzuführung und einer Anodenfluidabführung, ein Kathodenfluidsystem mit einer Kathodenfluidzuführung und einer Kathodenfluidabführung, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Brennstoffzellensysteme werden in der modernen Technik vielfältig als Energiequellen eingesetzt. Derartige Brennstoffzellensysteme weisen dabei zumeist mehrere Brennstoffzellen auf, die insbesondere oftmals als Membranbrennstoffzellen, aufweisend eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Membran, ausgebildet sind. Die Membran in einer derartigen Membran-Elektrodeneinheit (MEA, Membrane Electrode Assembly) trennt dabei einem Gasraum der Kathode und einem Gasraum der Anode. Eine ungleichmäßige Druckbelastung in den beiden Gasräumen kann sich dabei schädlich auf die Membran und damit insgesamt auf die Brennstoffzelle auswirken. Dabei kann ein zu hoher Druckunterschied zwischen dem Gasraum der Kathode und dem Gasraum der Anode zu einer Beschädigung, schlimmstenfalls zu einer Zerstörung der Membran führen. The present invention relates to a method of operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least an anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid supply and a cathode fluid discharge, and a control device. The invention further relates to a fuel cell system, comprising at least one anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid supply and a cathode fluid discharge, and a control device. Fuel cell systems are widely used in modern technology as energy sources. Such fuel cell systems usually have a plurality of fuel cells, which are in particular often designed as membrane fuel cells, comprising an anode, a cathode and a membrane arranged therebetween. The membrane in such a membrane electrode assembly (MEA, Membrane Electrode Assembly) separates a gas space of the cathode and a gas space of the anode. An uneven pressure load in the two gas chambers can have a detrimental effect on the membrane and thus on the fuel cell as a whole. In this case, too high a pressure difference between the gas space of the cathode and the gas space of the anode lead to damage, in the worst case to a destruction of the membrane.
Eine Regelung von Betriebsparametern, insbesondere beispielsweise dem Druck, von in einer Brennstoffzelle verwendeten Gasen ist grundsätzlich bekannt. So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 024 228 A1 bekannt, den Druck eines Anodenfluids in Abhängigkeit einer Konzentration von Brennstoffen in diesem Anodenfluid einzustellen. Hierbei wird insbesondere eine Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid eingestellt, um insbesondere eine gleichmäßige Reaktionsrate in der Brennstoffzelle sicherzustellen. Eine Begrenzung der Druckdifferenz ist jedoch nicht vorgesehen. Aus der DE 10 2013 209 200 A1 ist ferner bekannt, den Druck eines Kathodenfluids derart einzustellen, dass eine zu große Druckdifferenz zwischen den beiden Gasräumen der Anode und der Kathode vermieden wird. Druckschwankungen innerhalb der Druckdifferenz bleiben dabei jedoch unbeachtet. A regulation of operating parameters, in particular, for example, the pressure of gases used in a fuel cell is known in principle. For example, it is known from DE 10 2008 024 228 A1 to adjust the pressure of an anode fluid as a function of a concentration of fuels in this anode fluid. Here, in particular, a pressure difference between the cathode fluid and the anode fluid is adjusted, in particular to ensure a uniform reaction rate in the fuel cell. However, a limitation of the pressure difference is not provided. From DE 10 2013 209 200 A1 it is also known to adjust the pressure of a cathode fluid such that an excessive pressure difference between the two gas spaces of the anode and the cathode is avoided. Pressure fluctuations within the pressure difference remain unnoticed.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, die in besonders einfache kostengünstige Art und Weise eine besonders gute Einstellbarkeit und insbesondere Regelung eines Drucks eines Fluids in einer Brennstoffzelle ermöglichen und gleichzeitig die Sicherheit beim Betreiben des Brennstoffzellensystems erhöhen. It is therefore an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to provide a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system, which allow in a particularly simple cost-effective manner a particularly good adjustability and in particular regulation of a pressure of a fluid in a fuel cell and at the same time the safety in operating the Increase fuel cell system.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale im Detail der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarungen zu den einzelnen Erfindungsaspekten wechselseitig Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann. The above object is achieved by a method for operating a fuel cell system having the features of independent claim 1. Further The object is achieved by a fuel cell system with the features of claim 10. Further features in detail of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the method according to the invention, of course, also in connection with the fuel cell system according to the invention and in each case vice versa, so that with respect to the disclosures to the individual aspects of the invention reciprocally referred to or can be taken.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Brennstoffzellensystem zumindest aufweisend eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, ein Anodenfluidsystem mit einer Anodenfluidzuführung und einer Anodenfluidabführung, ein Kathodenfluidsystem mit einer Kathodenfluidführung und einer Kathodenfluidabführung, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: a) Messen eines Drucks eines Anodenfluids im Anodenfluidsystem, According to a first aspect of the invention, the object is achieved by a method for operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising at least an anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid guide and a cathode fluid discharge, and a control device. A method according to the invention is characterized by the following steps: a) measuring a pressure of an anode fluid in the anode fluid system,
b) Festlegen eines Solldrucks für ein Kathodenfluid im Kathodenfluidsystem in Abhängigkeit des in Schritt a) gemessenen Drucks des Anodenfluids, und  b) setting a target pressure for a cathode fluid in the cathode fluid system as a function of the pressure of the anode fluid measured in step a), and
c) Regelegung des Drucks des Kathodenfluids auf den in Schritt b) festgelegten Solldruck.  c) regulating the pressure of the cathode fluid to the setpoint pressure determined in step b).
In Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druck eines Kathodenfluids im Anodenfluidsystem einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems gemessen. Die Drücke in Anodengasräumen von Brennstoffzellen liegen dabei zumeist in einem Bereich von 1 ,5 bar bis 3 bar, wobei selbstverständlich bei bestimmten Brennstoffzellentypen bzw. Brennstoffzellenkonfigurationen auch andere absolute Drücke möglich sind. Durch den Druck des Anodenfluids wird dabei insbesondere auch die Belastung einer Membran zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle bedingt. Dies wird in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt, in dem ein Solldruck für ein Kathodenfluid im Kathodenfluidsystem und damit insbesondere im Gasraum der Kathode in Abhängigkeit des in Schritt a) gemessenen Drucks des Anodenfluids festgelegt wird. Der Solldruck für das Kathodenfluid kann dabei insbesondere gleich dem Druck des Anodenfluids festgelegt werden, aber selbstverständlich auch mit einer Druckdifferenz bezüglich des Drucks des Anodenfluids. Beim Festlegen des Solldrucks für das Kathodenfluid kann dabei insbesondere berücksichtigt werden, dass als Unterschied zwischen dem Solldruck für Kathodenfluid und dem gemessenen Druck des Anodenfluids ein derartig kleiner Unterschied eingestellt wird, dass eine Beeinträchtigung und insbesondere eine Beschädigung der Membran zwischen dem Anodengasraum und dem Kathodengasraum sicher vermieden werden können. Abschließend wird im Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens der Druck des Kathodenfluids auf den im Schritt b) festgelegten Solldruck geregelt. Im Gegensatz zu einer Regelung, bei der nur ein maximaler Differenzdruck zwischen dem Anodenfluid und dem Kathodenfluid vorgegeben wird, wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Druck des Kathodenfluids auf einen festgelegten Solldruck geregelt. Große Schwankungen, wie sie bei einer lediglichen Vorgabe eines maximalen Differenzdrucks vorkommen können, können so sicher vermieden werden. Ein Betrieb der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems mit im Wesentlichen gleichbleibenden Druckverhältnissen kann dadurch besonders einfach sichergestellt werden. Ein besonders gleichmäßiger Betrieb einer Brennstoffzelle kann somit durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht werden. Darüber hinaus kann selbstverständlich durch die Wahl des festgelegten Solldrucks, der in Abhängigkeit des gemessenen Drucks des Anodenfluids festgelegt wird, besonders einfach sichergestellt werden können, dass eine Beeinträchtigung bis hin zu einer Beschädigung der Brennstoffzelle, insbesondere einer Membran in der Brennstoffzelle zwischen den Gasräumen und der Anode und der Kathode, sicher vermieden werden kann. In step a) of a method according to the invention, the pressure of a cathode fluid in the anode fluid system of a fuel cell of the fuel cell system is measured. The pressures in anode gas spaces of fuel cells are usually in a range of 1, 5 bar to 3 bar, which of course in certain types of fuel cells or fuel cell configurations, other absolute pressures are possible. In particular, the stress on a membrane between the anode and the cathode of the fuel cell is caused by the pressure of the anode fluid. This is taken into account in step b) of the method according to the invention, in which a desired pressure for a cathode fluid in the cathode fluid system and thus in particular in the gas space of the cathode is determined as a function of the pressure of the anode fluid measured in step a). The target pressure for the cathode fluid can be determined in particular equal to the pressure of the anode fluid be, but of course also with a pressure difference with respect to the pressure of the anode fluid. When setting the target pressure for the cathode fluid can be taken into account in particular that is set as the difference between the target pressure for cathode fluid and the measured pressure of the anode fluid such a small difference that interference and in particular damage to the membrane between the anode gas chamber and the cathode gas safe can be avoided. Finally, in step c) of the method according to the invention, the pressure of the cathode fluid is regulated to the setpoint pressure determined in step b). In contrast to a regulation in which only a maximum differential pressure between the anode fluid and the cathode fluid is predetermined, in a method according to the invention, the pressure of the cathode fluid is regulated to a predetermined target pressure. Large fluctuations, as they can occur in a single specification of a maximum differential pressure can be safely avoided. An operation of the fuel cell of the fuel cell system with substantially constant pressure conditions can be ensured particularly simple. A particularly uniform operation of a fuel cell can thus be made possible by the use of the method according to the invention. In addition, of course, by the choice of the set target pressure, which is determined as a function of the measured pressure of the anode fluid, can be particularly easily ensured that an impairment to damage to the fuel cell, in particular a membrane in the fuel cell between the gas chambers and the Anode and the cathode, can be safely avoided.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahin gehend gekennzeichnet sein, dass in Schritt b) der Solldruck des Kathodenfluids mit einer festen Druckdifferenz zu dem in Schritt a) gemessen Druck des Anodenfluids festgelegt wird. Dies stellt eine besonders sichere und einfache Festlegung des Solldrucks für das Kathodenfluid dar. Dabei sind selbstverständlich auch geringe Druckdifferenzen zwischen dem Solldruck und dem gemessenen Druck des Anodenfluids festlegbar, insbesondere auch, dass der Solldruck des Kathodenfluids identisch zum gemessenen Druck des Anodenfluids festgelegt wird. Auf diese Weise ist es besonders einfach möglich, im Inneren der Brennstoffzelle, insbesondere in den Gasräumen der Anode und der Kathode, zu jederzeit im Betrieb der Brennstoffzelle gleichmäßige Druckbedingungen zu schaffen. Ein besonders sicherer Betrieb der Brennstoffzelle, insbesondere hinsichtlich einer zu vermeidenden Belastung der Membran zwischen dem Gasraum der Kathode und dem Gasraum der Anode, kann dadurch sichergestellt werden. Insbesondere kann durch diese Vermeidung einer Belastung der Membran beispielsweise auch eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle ermöglicht werden. Furthermore, a method according to the invention may be characterized in that, in step b), the target pressure of the cathode fluid is fixed with a fixed pressure difference to the pressure of the anode fluid measured in step a). This is a particularly safe and easy determination of the target pressure for the cathode fluid. Of course, small pressure differences between the target pressure and the measured pressure of the anode fluid can be fixed, in particular, that the target pressure of the cathode fluid is set identically to the measured pressure of the anode fluid. In this way, it is particularly easy to create uniform pressure conditions inside the fuel cell, in particular in the gas spaces of the anode and the cathode, at any time during operation of the fuel cell. A particularly safe operation of the fuel cell, in particular with regard to avoidable loading of the membrane between the gas space of the cathode and the gas space of the anode, can be ensured. In particular, a longer life of the fuel cell can be made possible by this avoidance of stress on the membrane, for example.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass als Druckdifferenz ein Wert zwischen etwa 0 mbar und etwa 500 mbar, bevorzugt zwischen etwa 200 mbar und etwa 300 mbar, verwendet wird. Bei Werten der Druckdifferenz zwischen etwa 0 mbar und etwa 500 mbar kommt es zumeist zu keiner übermäßigen Beanspruchung einer Membran, die in der Brennstoffzelle die Gasräume der Kathode und der Anode trennt. Beschädigungen bis hin zu einer Zerstörung der Membran können bei diesen Druckdifferenzen daher sicher vermieden werden. Eine geringe Druckdifferenz kann jedoch verwendet werden, um beispielsweise eine Reaktionsrate zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid in der Brennstoffzelle zu beeinflussen. Werte zwischen etwa 200 mbar und etwa 300 mbar für eine Druckdifferenz zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid haben sich dabei als besonders günstig herausgestellt. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es somit möglich, diese günstigen Druckdifferenzen, die insbesondere je nach Einsatzort bzw. -zweck der Brennstoffzelle auch unterschiedlich sein können, festzulegen und insbesondere durch den Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens auch über eine Betriebsdauer der Brennstoffzelle auf diesen Wert zu halten. Ein besonders sicherer und insbesondere gleichmäßiger Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann dadurch erreicht werden. In a preferred further development of a method according to the invention, it may further be provided that a value of between about 0 mbar and about 500 mbar, preferably between about 200 mbar and about 300 mbar, is used as the pressure difference. At values of the pressure difference between about 0 mbar and about 500 mbar, there is usually no excessive stress on a membrane which separates the gas chambers of the cathode and the anode in the fuel cell. Damage up to a destruction of the membrane can therefore be safely avoided at these pressure differences. However, a small pressure difference may be used to influence, for example, a reaction rate between the cathode fluid and the anode fluid in the fuel cell. Values between about 200 mbar and about 300 mbar for a pressure difference between the cathode fluid and the anode fluid have been found to be particularly favorable. By means of a method according to the invention, it is thus possible to determine these favorable pressure differences, which may also differ, in particular depending on the location or purpose of the fuel cell, and in particular by step c) of the method according to the invention over an operating period of the fuel cell to this value hold. A particularly safe and in particular uniform operation of a fuel cell according to the invention can be achieved thereby.
Insbesondere kann beim erfindungsgemäßen Verfahren auch vorgesehen sein, dass Schritt a) und/oder Schritt b) und/oder Schritt c) kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich durchgeführt werden. Kontinuierlich im Sinne der Erfindung bedeutet dabei insbesondere, dass die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ständig und ohne Unterbrechung durchgeführt werden. Eine durchgehende Überwachung des Drucks des Anodenfluids, des Festlegens des Solldrucks bzw. der Regelung des Drucks des Kathodenfluids auf diesen Solldruck kann dadurch erfolgen. Ein im Wesentlichen kontinuierliches Durchführen der Schritte a) und/oder b) und/oder c) wird dabei im Sinne der Erfindung dahin gehend verstanden, dass eben genannte Schritte mit einer Frequenz im Bereich von etwa 10 Hz, bevorzugt im Bereich von etwa 100 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 1 kHz, durchgeführt werden. Insgesamt kann durch eine kontinuierliche oder zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Durchführung des Schritts a) eine Druckänderung im Anodenfluid besonders gut und schnell erfasst werden und über die Schritte b) und c) in eine Änderung des Drucks des Kathodenfluids übergeführt werden. Eine derartige Druckänderung im Anodenfluid führt somit bei einer kontinuierlichen oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlichen Durchführung des Verfahrens nicht zu einer Änderung der relativen Druckverhältnisse in der Brennstoffzelle. Insbesondere kann beispielsweise dadurch eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des Anodenfluids und des Drucks des Kathodenfluids in der Brennstoffzelle konstant oder zumindest im Wesentlichen konstant gehalten werden, unabhängig von Änderungen, insbesondere schnellen Änderungen, des Drucks des Anodenfluids. Die Gefahr einer Beschädigung der Membran zwischen den Gasräumen der Kathode und der Anode kann dadurch nochmals verringert werden. Besonders bevorzugt kann ferner beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass eine Regelung eines Massenflusses des Anodenfluids und/oder eine Regelung eines Massenflusses des Kathodenfluids abhängig von den Schritten a), b) und c) durchgeführt werden. Durch eine einfache und insbesondere unkompensierte Änderung des Drucks des Kathodenfluids durch die Regelung in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, dass sich auch der Massenstrom an Kathodenfluid, der durch die Kathodenfluidzuführung in die Kathode einströmt, ändert. Eine derartige Änderung des Massenstroms kann jedoch zu Fluktuationen insbesondere einer Reaktionsrate zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid führen, wodurch beispielsweise der durch die Brennstoffzelle produzierte Strom Schwankungen unterworfen sein kann. Durch eine Regelung eines Massenflusses des Anodenfluids und/oder des Kathodenfluids abhängig insbesondere vom geregelten Druck des Kathodenfluids kann eine derartige, mit der Druckänderung einhergehende Massenstromänderung kompensiert werden. Dadurch ist es insbesondere möglich, den Druck beispielsweise des Kathodenfluids unabhängig von einem Massenstrom an Kathodenfluid einzustellen. Selbstverständlich kann, da in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens der Druck des Anodenfluids gemessen wird, auch ein Massenstrom an Anodenfluid derart angepasst an den gemessenen Druck des Anodenfluids eingestellt werden, dass auch hier eine Druckänderung des Anodenfluids nicht mit einer Massenstromänderung des Anodenfluids einhergeht. Auf diese Art und Weise ist insbesondere somit eine Entkopplung der Regelgrößen von Druck und Massenstrom für Fluide der Brennstoffzelle ermöglicht. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht somit eine besonders vielfältige Einsetzbarkeit eines Brennstoffzellensystems, dessen Betrieb insbesondere an viele verschiedene Anforderungen anpassbar ist. In particular, it can also be provided in the method according to the invention that step a) and / or step b) and / or step c) are carried out continuously or at least substantially continuously. Continuous within the meaning of the invention means in particular that the steps of the method according to the invention are carried out continuously and without interruption. A continuous monitoring of the pressure of the anode fluid, the setting of the target pressure or the regulation of the pressure of the cathode fluid to this target pressure can thereby take place. A substantially continuous performance of steps a) and / or b) and / or c) is understood in the sense of the invention to mean that just mentioned steps with a frequency in the range of about 10 Hz, preferably in the range of about 100 Hz , particularly preferred in Range of about 1 kHz, be performed. Overall, by a continuous or at least substantially continuous performance of step a), a pressure change in the anode fluid can be detected particularly well and quickly and converted via steps b) and c) into a change in the pressure of the cathode fluid. Such a pressure change in the anode fluid thus does not lead to a change in the relative pressure conditions in the fuel cell in the case of a continuous or at least substantially continuous implementation of the method. In particular, for example, a pressure difference between the pressure of the anode fluid and the pressure of the cathode fluid in the fuel cell can be kept constant or at least substantially constant, regardless of changes, in particular rapid changes, in the pressure of the anode fluid. The risk of damage to the membrane between the gas chambers of the cathode and the anode can be further reduced. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, it is possible for a control of a mass flow of the anode fluid and / or a regulation of a mass flow of the cathode fluid to be carried out as a function of steps a), b) and c). By a simple and in particular uncompensated change in the pressure of the cathode fluid through the control in step c) of the method according to the invention, it is possible that the mass flow of cathode fluid, which flows into the cathode through the cathode fluid supply, changes. However, such a change in the mass flow may lead to fluctuations in particular a reaction rate between the cathode fluid and the anode fluid, whereby, for example, the current produced by the fuel cell may be subject to fluctuations. By regulating a mass flow of the anode fluid and / or the cathode fluid, in particular depending on the regulated pressure of the cathode fluid, such a mass flow change accompanying the pressure change can be compensated. This makes it possible, in particular, to set the pressure of, for example, the cathode fluid independently of a mass flow of cathode fluid. Of course, since the pressure of the anode fluid is measured in step a) of the method according to the invention, a mass flow of anode fluid adjusted to the measured pressure of the anode fluid can also be set such that a change in pressure of the anode fluid is not accompanied by a mass flow change of the anode fluid. That's the way it is Thus, in particular a decoupling of the controlled variables of pressure and mass flow for fluids of the fuel cell allows. A method according to the invention thus enables a particularly versatile applicability of a fuel cell system whose operation can be adapted in particular to many different requirements.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass in Schritt a) der Druck des Anodenfluids in der Anodenfluidzuführung und/oder der Anodenfluidabführung gemessen wird. Ausschlaggebend für den Gasdruck, der von der Anodenseite auf die Membran der Brennstoffzelle wirkt, ist der Druck des Anodenfluids in der Anode. Durch ein Messen des Drucks des Anodenfluids in der Anodenfluidzuführung und/oder der Anodenfluidabführung ist es ermöglicht, möglichst nah am Gasraum der Anode diesen Druck zu bestimmen. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass der Druck sowohl in der Anodenfluidzuführung als auch in der Anodenfluidabführung gemessen wird. Dabei kann einerseits an beiden Stellen eine absolute Druckmessung durchgeführt werden, wobei beispielsweise über eine Mittelwertbildung der beiden Messergebnisse der Druck in der Anode selbst bestimmbar ist. Eine weitere Möglichkeit stellt eine absolute Druckmessung an einem Ort und eine relative Druckmessung am zweiten Ort dar. Auch aus diesen beiden Messgrößen kann der Druck zwischen den beiden Messorten, und somit insbesondere im Gasraum der Anode, bestimmt werden. Eine besonders genaue Messung des Drucks des Anodenfluids, insbesondere eine besonders genaue Extrapolation des Drucks des Anodenfluids im Gasraum der Anode, kann dadurch erreicht werden. In addition, it can be provided in a method according to the invention that in step a) the pressure of the anode fluid in the anode fluid supply and / or the anode fluid discharge is measured. The decisive factor for the gas pressure acting from the anode side to the membrane of the fuel cell is the pressure of the anode fluid in the anode. By measuring the pressure of the anode fluid in the anode fluid supply and / or the anode fluid discharge, it is possible to determine this pressure as close as possible to the gas space of the anode. Particularly preferably, it can be provided that the pressure is measured both in the anode fluid supply and in the anode fluid discharge. In this case, on the one hand, an absolute pressure measurement can be carried out at both locations, whereby the pressure in the anode itself can be determined, for example, by averaging the two measurement results. Another possibility is an absolute pressure measurement at one location and a relative pressure measurement at the second location. The pressure between the two measurement locations, and thus in particular in the gas space of the anode, can also be determined from these two parameters. A particularly accurate measurement of the pressure of the anode fluid, in particular a particularly accurate extrapolation of the pressure of the anode fluid in the gas space of the anode, can be achieved.
Auch kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass in Schritt c) der Druck des Kathodenfluids gemessen wird und der gemessene Druck des Kathodenfluids mit einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert verglichen wird. Insbesondere kann durch ein derartiges Messen des Drucks des Kathodenfluids die Regelung in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem jeweils gemessenen Druck des Kathodenfluids als Eingabeparameter versorgt werden. Selbstverständlich ist auch für das Kathodenfluidsystem eine Messung des Drucks des Kathodenfluids in der Kathodenfluidzuführung und/oder der Kathodenfluidabführung möglich. Sämtliche bereits zur Druckmessung im Anodenfluidsystem aufgezeigten Möglichkeiten und deren Vorteile gelten selbstverständlich entsprechend auch für eine Druckmessung im Kathodenfluidsystem. Durch einen Vergleich des gemessenen Drucks des Kathodenfluids mit einem oberen und einem unteren Grenzwert in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere möglich, den Druck des Kathodenfluids zwischen diesen beiden Grenzwerten geregelt einzustellen. Selbstverständlich können bevorzugt die beiden Grenzwerte dabei derart gewählt werden, dass sich der in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens festgelegte Solldruck zwischen den beiden Grenzwerten befindet. Eine besonders sichere Regelung des Drucks des Kathodenfluids auf den festgelegten Solldruck ist dadurch ermöglicht. It can also be provided in a method according to the invention that in step c) the pressure of the cathode fluid is measured and the measured pressure of the cathode fluid is compared with an upper limit and a lower limit. In particular, by measuring the pressure of the cathode fluid in this way, the control in step c) of the method according to the invention can be supplied with the respectively measured pressure of the cathode fluid as input parameter. Of course, a measurement of the pressure of the cathode fluid in the cathode fluid supply and / or the cathode fluid removal is also possible for the cathode fluid system. Of course, all of the possibilities and advantages of the pressure measurement in the anode fluid system already apply correspondingly to a pressure measurement in the cathode fluid system. By comparing the measured pressure of the cathode fluid with an upper and a lower limit in step c) of the method according to the invention, it is possible in particular to regulate the pressure of the cathode fluid between these two limit values. Of course, the two limit values may preferably be chosen such that the setpoint pressure determined in step b) of the method according to the invention is between the two limit values. A particularly secure control of the pressure of the cathode fluid to the specified target pressure is made possible.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass als oberer und/oder unterer Grenzwert eine Druckdifferenz zum Solldruck von etwa 100 mbar, bevorzugt von etwa 25 mbar, verwendet wird. Diese Werte haben sich dabei als besonders vorteilhaft herausgestellt, da sie zum einen Abweichungen vom Solldruck darstellen, bei denen eine Beeinträchtigung oder sogar eine Beschädigung der Membran durch eine zu hohe Druckdifferenz zwischen dem Druck des Anodenfluids und dem Druck des Kathodenfluids sicher vermieden werden kann. Zum anderen sind die Grenzwerte dabei derart groß gewählt, dass die Regelung in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens einfach ausgeführt werden kann, ohne das zu häufig Regelschritte vorgenommen werden müssen. Dadurch ist es möglich, beispielsweise eine Regelelektronik, die insbesondere in der Steuerungsvorrichtung angeordnet sein kann, einfacher auszugestalten. According to a particularly preferred further development of a method according to the invention, it may further be provided that a pressure difference to the setpoint pressure of about 100 mbar, preferably of about 25 mbar, is used as the upper and / or lower limit value. These values have been found to be particularly advantageous because they represent deviations from the target pressure, where an impairment or even damage to the membrane can be safely avoided by an excessive pressure difference between the pressure of the anode fluid and the pressure of the cathode fluid. On the other hand, the limit values are selected to be so large that the control in step c) of the method according to the invention can be carried out simply without requiring too frequent control steps. This makes it possible, for example, a control electronics, which may be arranged in particular in the control device, simpler to design.
Besonders bevorzugt kann ferner vorgesehen sein, dass der obere und der untere Grenzwert symmetrisch zum Solldruck gewählt werden. Der Solldruck stellt somit die Mitte zwischen den beiden Grenzwerten dar. Bei normalen, zufälligen Schwankungen wird somit der Solldruck im Mittel als Druck des Kathodenfluids angenommen. Eine besonders sichere und einfache Regelung des Drucks des Kathodenfluids ist dadurch ermöglicht. Particularly preferably, it may further be provided that the upper and lower limit values are selected symmetrically to the setpoint pressure. The target pressure thus represents the middle between the two limit values. In the case of normal, random fluctuations, the target pressure is thus assumed on average as the pressure of the cathode fluid. A particularly safe and simple control of the pressure of the cathode fluid is thereby made possible.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, ein Anodenfluidsystem mit einer Anodenfluidzuführung und einer Anodenfluidabführung, ein Kathodenfluidsystem mit einer Kathodenfluidzuführung und einer Kathodenfluidabführung, sowie eine Steuerungsvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind. Selbstverständlich weist dabei das Brennstoffzellensystem sämtliche nötigen Bauelemente auf, um die Steuerungsvorrichtung mit den nötigen Eingangsdaten, wie beispielsweise dem Druck des Anodenfluids, zu versorgen, sowie um die in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Regelung des Drucks des Kathodenfluids vorzunehmen. Besonders bevorzugt kann beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass im Kathodenfluidsystem eine Druckregelvorrichtung, insbesondere ein regelbares Drosselventil, zum Regeln des Drucks des Kathodenfluids vorgesehen ist. Dabei kann die Druckregelvorrichtung in der Kathodenfluidzuführung, aber auch in der Kathodenfluidabführung vorgesehen sein. Eine derartige Druckregelvorrichtung stellt eine besonders einfache Art und Weise dar, um die in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Regelung des Drucks vorzunehmen. Insbesondere durch ein regelbares Drosselventil ist es besonders einfach möglich, den Druck eines Fluids, das durch das Drosselventil geleitet ist, zu verändern. Als derartige Drosselventile können dabei beispielsweise Ventile verwendet werden, die in Verbrennungsmotoren in Abgasrückführungssystemen zum Einsatz kommen. Eine besonders gute und sichere Regelung des Drucks des Kathodenfluids im Kathodenfluidsystem kann dadurch bereitgestellt werden. According to a second aspect of the invention, the object is achieved by a fuel cell system, comprising at least one anode and cathode fuel cell, an anode fluid system having an anode fluid supply and an anode fluid discharge, a cathode fluid system having a cathode fluid supply and a cathode fluid discharge, and a control device. An inventive fuel cell system is characterized in that the control device for Execution of a method according to the first aspect of the invention is formed. Accordingly, a fuel cell system according to the invention brings the same advantages as have been explained in detail with reference to a method according to the invention according to the first aspect of the invention. Of course, in this case, the fuel cell system has all the necessary components to supply the control device with the necessary input data, such as the pressure of the anode fluid, as well as to make the provided in step c) of the method control the pressure of the cathode fluid. Particularly preferably, it can be provided in the fuel cell system according to the invention that in the cathode fluid system, a pressure control device, in particular a controllable throttle valve, is provided for regulating the pressure of the cathode fluid. In this case, the pressure regulating device may be provided in the cathode fluid supply, but also in the cathode fluid discharge. Such a pressure control device is a particularly simple way to make the provided in step c) of the method according to the invention control of the pressure. In particular, by a controllable throttle valve, it is particularly easy to change the pressure of a fluid, which is passed through the throttle valve. As such throttle valves can be used, for example, valves that are used in internal combustion engines in exhaust gas recirculation systems. A particularly good and reliable control of the pressure of the cathode fluid in the cathode fluid system can be provided thereby.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass zwischen dem Anodenfluidsystem und dem Kathodenfluidsystem eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung, insbesondere eine Druckwaage, angeordnet ist. Eine derartige Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung stellt eine zusätzliche Sicherheitsvorrichtung dar, um einen zu großen Differenzdruck zwischen dem Kathodenfluid und dem Anodenfluid zu vermeiden. Dabei kann eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung insbesondere auch derart ausgestaltet sein, dass ein gewisser Differenzdruck zwischen den beiden Fluidsystemen dennoch möglich bleibt. Dies kann beispielsweise bei einer Druckwaage besonders einfach dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Fluidsysteme der Kathode und der Anode mit Kolben in der Druckwaage fluidkommunizierend verbunden sind, wobei die Kolben unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Stößel in diesen Kolben werden durch das Kathodenfluid bzw. das Anodenfluid mit Druck beaufschlagt, wobei durch eine Druckdifferenz zwischen diesen beiden Fluiden sich ein Gleichgewicht der Stößelposition einstellt. Es kann dabei beispielsweise zusätzlich vorgesehen sein, dass bei einem zu großen Differenzdruck die Stößel in der Druckwaage derart weit bewegt werden, dass ein oder mehrere Überströmkanäle geöffnet werden, durch die für ein Druckausgleich zwischen dem Anodenfluidsystem und dem Kathodenfluidsystem ermöglicht wird. Zusätzlich zu einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, einen Differenzdruck zwischen den Gassystemen der Brennstoffzelle hinsichtlich einer zu großen Druckdifferenz abzusichern. Durch den Einsatz einer Druckwaage kann dies sogar ohne zusätzliche Sensoren bereitgestellt werden. Furthermore, it can be provided in a fuel cell system according to the invention that a differential pressure limiting device, in particular a pressure compensator, is arranged between the anode fluid system and the cathode fluid system. Such a differential pressure limiting device provides an additional safety device to avoid excessive differential pressure between the cathode fluid and the anode fluid. In this case, a differential pressure limiting device can in particular also be configured such that a certain differential pressure between the two fluid systems still remains possible. This can be achieved particularly easily, for example, in the case of a pressure balance, in that the individual fluid systems of the cathode and the anode are connected in a fluid-communicating manner with pistons in the pressure compensator are, wherein the pistons have different cross sections. Plungers in these pistons are pressurized by the cathode fluid or the anode fluid, wherein a balance of the plunger position is established by a pressure difference between these two fluids. In this case, it may, for example, additionally be provided that, if the differential pressure is too great, the plungers in the pressure compensator are moved so far that one or more transfer passages are opened which allow pressure equalization between the anode fluid system and the cathode fluid system. In addition to a method according to the invention, it is thus possible to ensure a differential pressure between the gas systems of the fuel cell with respect to a pressure difference that is too great. By using a pressure compensator, this can even be provided without additional sensors.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch: Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, embodiments of the invention are described in detail. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination. Elements with the same function and mode of operation are provided with the same reference numerals in the individual figures. They show schematically:
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 is a representation of a method according to the invention,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, und Fig. 3 eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung eines erfindungsgemäßen 2 shows a fuel cell system according to the invention, and FIG. 3 shows a differential pressure limiting device of a fuel cell system according to the invention
Brennstoffzellensystems.  Fuel cell system.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10, das zum Ausführen dieses Verfahrens ausgebildet ist, ist nicht mit abgebildet. In einem ersten Schritt a) 100 wird ein Druck eines Anodenfluids 23 eines Anodenfluidsystems 20 einer Brennstoffzelle 1 1 des Brennstoffzellensystems 10 durch einen Drucksensor 17 gemessen. Die Messwerte werden an eine Steuerungsvorrichtung 15 des Brennstoffzellensystems 10 geleitet und dort ausgewertet. Im Anschluss wird in der Steuerungsvorrichtung 15 in einem Schritt b) 101 ein Solldruck für ein Kathodenfluid 33 in Abhängigkeit des in Schritt a) 100 gemessenen Drucks des Anodenfluids 23 festgelegt. Der Solldruck des Kathodenfluids 33 wird dabei derart festgelegt, dass zum einen eine Beschädigung einer Membran 14, die in der Brennstoffzelle zwischen einem Gasraum der Anode 12 und einem Gasraum der Kathode 13 angeordnet ist, sicher vermieden werden kann. Zum anderen wird der Solldruck des Kathodenfluids 33 hinsichtlich des Betriebs der Brennstoffzelle 1 1 festgelegt, so dass sich beispielsweise eine kleine Differenz zwischen den Drücken im Anodenfluidsystem 20 und im Kathodenfluidsystem 30 einstellt, durch die eine Reaktionsrate zwischen dem Anodenfluid 23 und dem Kathodenfluid 33 verbessert bzw. zumindest gesteuert werden kann. In Schritt c) 102 wird dieser Druck des Kathodenfluids 33 auf den in Schritt b) 101 festgelegten Solldruck geregelt. Hierfür kann beispielsweise durch einen weiteren Drucksensor 17 der aktuelle Druck des Kathodenfluids 33 gemessen werden. Ein besonders sicherer Betrieb der Brennstoffzelle 1 1 des Brennstoffzellensystems 10, insbesondere hinsichtlich einer Druckbelastung einer Membran 14, kann dadurch erreicht werden. In Fig. 1, a method according to the invention is shown. The fuel cell system 10 configured to carry out this method is not shown. In a first step a) 100, a pressure of an anode fluid 23 of an anode fluid system 20 of a fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10 is measured by a pressure sensor 17. The measured values are passed to a control device 15 of the fuel cell system 10 and evaluated there. Subsequently, in the control device 15 in a Step b) 101 set a target pressure for a cathode fluid 33 as a function of the pressure of the anode fluid 23 measured in step a) 100. The target pressure of the cathode fluid 33 is determined such that on the one hand damage to a membrane 14, which is arranged in the fuel cell between a gas space of the anode 12 and a gas space of the cathode 13, can be safely avoided. On the other hand, the desired pressure of the cathode fluid 33 is determined with regard to the operation of the fuel cell 11, so that, for example, a small difference between the pressures in the anode fluid system 20 and in the cathode fluid system 30 is established, by which a reaction rate between the anode fluid 23 and the cathode fluid 33 is improved At least it can be controlled. In step c) 102, this pressure of the cathode fluid 33 is regulated to the setpoint pressure determined in step b) 101. For this purpose, the current pressure of the cathode fluid 33 can be measured, for example, by a further pressure sensor 17. A particularly safe operation of the fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10, in particular with regard to a pressure load on a membrane 14, can be achieved thereby.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 gezeigt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 weist dabei insbesondere eine BrennstoffzelleFIG. 2 shows a fuel cell system 10 according to the invention. The fuel cell system 10 according to the invention has in particular a fuel cell
1 1 auf, die eine Anode 12, eine Kathode 13 und eine dazwischen angeordnete Membran 14 umfasst. Die Anode 12 wird dabei durch ein Anodenfluidsystem 20 mit Anodenfluid 23 versorgt. Dabei fließt das Anodenfluid 23 durch eine Anodenfluidzuführung 21 in die Anode1 1, which comprises an anode 12, a cathode 13 and a membrane 14 arranged therebetween. The anode 12 is supplied with anode fluid 23 by an anode fluid system 20. In this case, the anode fluid 23 flows through an anode fluid supply 21 into the anode
12 ein und wird nach dem Durchströmen eines Gasraums der Anode 12 durch eine Anodenfluidabführung 22 wieder von der Anode 12 weggeleitet. Da es sich bei dem Anodenfluid 23 oftmals um Wasserstoff handelt und dieser insbesondere nicht unkontrolliert in die Umgebung abgegeben werden darf, ist in der dargestellten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 ferner eine Rezirkulationsleitung 25 vorgesehen, durch die die Anodenfluidabführung 22 wieder mit der Anodenfluidzuführung 21 verbunden werden kann. In dieser Rezirkulationsleitung 25 ist darüber hinaus eine Fördervorrichtung 24 angeordnet, durch die ein insbesondere gleichmäßiger Fluss des Anodenfluids 23 im Anodenfluidsystem 20 sichergestellt werden kann. Analog dazu ist die Kathode 13 der Brennstoffzelle 1 1 des Brennstoffzellensystems 10 mit einem Kathodenfluidsystem 30 verbunden. Auch das Kathodenfluidsystem 30 weist dabei eine Kathodenfluidzuführung 31 auf, in der Kathodenfluid 33 der Kathode 13 zugeführt wird. Nach dem Durchströmen der Kathode 13, während dem es zu Reaktionen mit dem Anodenfluid 23 kommt, wodurch in der Brennstoffzelle 1 1 insbesondere elektrische Energie erzeugt wird, wird das restliche Kathodenfluid 33 durch eine Kathodenfluidabführung 32 wieder aus der Kathode 13 der Brennstoffzelle 1 1 ausgeleitet. Zur Förderung des Kathodenfluids 33 im Kathodenfluidsystem 30 ist eine Massenstromregelvorrichtung 50 vorgesehen, die in der dargestellten Ausgestaltungsform als Verdichter 51 ausgebildet ist. Um das beim Verdichten erwärmte Kathodenfluid 33 wieder abzukühlen, ist in Flussrichtung des Kathodenfluids 33 nach dem Verdichter 51 eine Kühlvorrichtung 34 angeordnet. Darüber hinaus gibt es zwischen der Anodenfluidabführung 22 und der Kathodenfluidabführung 32 eine fluidkommunizierende Verbindung, in der ein Spülventil 26 angeordnet ist. Durch dieses Spülventil 26 ist es möglich, beispielsweise an einem Ende eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 überflüssiges Anodenfluid 23 der Kathodenfluidabführung 32 zuzuführen und durch diese aus dem Brennstoffzellensystem 10 auszuleiten. 12 and, after flowing through a gas space of the anode 12 by an anode fluid removal 22 again led away from the anode 12. Since the anode fluid 23 is often hydrogen and may in particular not be released uncontrollably into the environment, a recirculation line 25 is further provided in the illustrated embodiment of a fuel cell system 10 according to the invention, through which the anode fluid discharge 22 are again connected to the anode fluid supply 21 can. In this recirculation line 25, a conveying device 24 is furthermore arranged, by means of which a particularly uniform flow of the anode fluid 23 in the anode fluid system 20 can be ensured. Similarly, the cathode 13 of the fuel cell 1 1 of the fuel cell system 10 is connected to a cathode fluid system 30. The cathode fluid system 30 also has a cathode fluid supply 31, in which cathode fluid 33 the cathode 13 is supplied. After flowing through the cathode 13, during which it reacts with the anode fluid 23 comes, which in particular electrical energy is generated in the fuel cell 1 1, the remaining cathode fluid 33 is discharged through a cathode fluid discharge 32 again from the cathode 13 of the fuel cell 1 1. For promoting the cathode fluid 33 in the cathode fluid system 30, a mass flow control device 50 is provided, which is designed as a compressor 51 in the illustrated embodiment. In order to cool the cathode fluid 33 heated again during compression, a cooling device 34 is arranged downstream of the compressor 51 in the direction of flow of the cathode fluid 33. In addition, there is a fluid communicating connection between the anode fluid drain 22 and the cathode fluid drain 32 in which a purge valve 26 is disposed. By means of this purge valve 26, it is possible, for example, to supply superfluous anode fluid 23 to the cathode fluid discharge 32 at one end of an operation of the fuel cell system 10 and to discharge it from the fuel cell system 10.
Sowohl im Anodenfluidsystem 20 als auch im Kathodenfluidsystem 30 sind mehrere Messeinrichtungen vorgesehen, die als Massenstromsensor 16, Drucksensor 17 oder Temperatursensor 18 ausgebildet sein können. Durch diese Sensoren 16, 17, 18 können Daten über sowohl das Anodenfluid 23 als auch das Kathodenfluid 33 gesammelt werden. Diese Daten werden einer Steuerungsvorrichtung 15 des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 zugeführt. Insbesondere können dabei durch die im Anodenfluidsystem 20 angeordneten Drucksensoren 17, die wie abgebildet beispielsweise sowohl in der Anodenfluidzuführung 21 als auch in der Anodenfluidabführung 22 angeordnet sein können, der Druck des Anodenfluids 23 gemessen und bestimmt werden. Diese Messwerte werden in der Steuerungsvorrichtung 15 ausgewertet, die insbesondere zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. So wird in der Steuerungsvorrichtung 15 ein Solldruck für das Kathodenfluid 33 festgelegt und in der abgebildeten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 an eine Druckregelvorrichtung 40 gesendet, die hier als Drosselventil 41 ausgebildet ist. Durch diese Druckregelvorrichtung 40 kann somit der Druck des Kathodenfluids 33 im Kathodenfluidsystem 30 eingestellt werden. Zur Überwachung des Drucks des Kathodenfluids 33 sind wiederum mehrere Drucksensoren 17 vorgesehen, die im Kathodenfluidsystem 30 angeordnet sind, auch hier sowohl in der Kathodenfluidzuführung 31 als auch in der Kathodenfluidabführung 32. Durch diese Messungen des aktuellen Drucks des Kathodenfluids 33, die ebenfalls an die Steuerungsvorrichtung 15 übermittelt werden, ist eine Regelung des Drucks des Kathodenfluids 33 über eine erneute Ansteuerung der Druckregelvorrichtung 40 über die Steuerungsvorrichtung 15 ermöglicht. Eine besonders sichere und dabei dennoch einfache Art und Weise einer Druckregelung bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 10 kann dadurch ermöglicht werden. Besonders bevorzugt kann ferner die Massenstromregelvorrichtung 50 dahin gehend, beispielsweise ebenfalls von der Steuerungsvorrichtung 15, angesteuert werden, so dass der durch die Massenstromregelvorrichtung 50 eingestellte Massenstrom des Kathodenfluids 33 abhängig vom eingestellten Druck des Kathodenfluids 33 eingestellt wird. Insbesondere kann dadurch ermöglicht werden, dass Änderungen des Drucks des Kathodenfluids 33, die beispielsweise durch eine Änderung des Drucks des Anodenfluids 23 nötig sind, sich durch eine entsprechende Ansteuerung der Massenstromregelvorrichtung 50 durch die Steuerungsvorrichtung 15 nicht auf den Massenstrom auswirken. Eine Entkopplung der Größen Druck- und Massenstrom im Kathodenfluid 33 ist dadurch ermöglicht. Ein besonders vielseitiger Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 ist dadurch ermöglicht. Schließlich ist bei dem dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 10 eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung 60 vorgesehen, die zwischen der Kathodenfluidabführung 32 und der Anodenfluidabführung 22 angeordnet ist. Die Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung 60 ist dabei als Druckwaage 61 ausgebildet. Durch eine derartige Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung kann neben dem erfindungsgemäßen Verfahren eine weitere Sicherung bereitgestellt werden, um einen zu großen Differenzdruck zwischen dem Anodenfluid 23 und dem Kathodenfluid 33 sicher zu vermeiden. Both in the anode fluid system 20 and in the cathode fluid system 30, a plurality of measuring devices are provided which may be designed as a mass flow sensor 16, pressure sensor 17 or temperature sensor 18. Through these sensors 16, 17, 18, data about both the anode fluid 23 and the cathode fluid 33 can be collected. These data are supplied to a control device 15 of the fuel cell system 10 according to the invention. In particular, the pressure of the anode fluid 23 can be measured and determined by the pressure sensors 17 which are arranged in the anode fluid system 20 and can be arranged, for example, both in the anode fluid supply 21 and in the anode fluid discharge 22. These measured values are evaluated in the control device 15, which is designed in particular for carrying out a method according to the invention. Thus, in the control device 15, a target pressure for the cathode fluid 33 is set and sent in the illustrated embodiment of the fuel cell system 10 according to the invention to a pressure control device 40, which is designed here as a throttle valve 41. Thus, the pressure of the cathode fluid 33 in the cathode fluid system 30 can be adjusted by this pressure control device 40. To monitor the pressure of the cathode fluid 33, a plurality of pressure sensors 17 are again provided, which are arranged in the cathode fluid system 30, here as well in the cathode fluid supply 31 and in the cathode fluid discharge 32. By these measurements of the actual pressure of the cathode fluid 33, which also to the control device 15 is transmitted a regulation of the pressure of the cathode fluid 33 via a renewed activation of the pressure control device 40 via the control device 15 allows. A particularly safe and yet simple manner of pressure regulation in a fuel cell system 10 according to the invention can be made possible thereby. Further preferably, the mass flow control device 50 can be driven there, for example also by the control device 15, so that the mass flow of the cathode fluid 33 set by the mass flow control device 50 is set as a function of the set pressure of the cathode fluid 33. In particular, it can thereby be made possible that changes in the pressure of the cathode fluid 33, which are necessary, for example, due to a change in the pressure of the anode fluid 23, do not affect the mass flow due to a corresponding activation of the mass flow control device 50 by the control device 15. A decoupling of the sizes pressure and mass flow in the cathode fluid 33 is made possible. A particularly versatile operation of a fuel cell system 10 according to the invention is thereby made possible. Finally, in the illustrated fuel cell system 10 according to the invention, a differential pressure limiting device 60 is provided, which is arranged between the cathode fluid discharge 32 and the anode fluid discharge 22. The differential pressure limiting device 60 is designed as a pressure compensator 61. By means of such a differential pressure limiting device, in addition to the method according to the invention, a further safeguard can be provided in order to reliably avoid too great a differential pressure between the anode fluid 23 and the cathode fluid 33.
Fig. 3 zeigt eine derartige Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung 60, die insbesondere als Druckwaage 61 ausgebildet ist. Dabei ist die Druckwaage 61 sowohl mit der Anodenfluidabführung 22 als auch der Kathodenfluidabführung 32 fluidkommunizierend verbunden, wobei die Anodenfluidabführung 22 mit einem Anodenzylinder 62 und die Kathodenfluidabführung 32 mit einem Kathodenzylinder 63 jeweils fluidkommunizierend verbunden sind. Ein Differenzdruck zwischen dem Anodenfluid 23 in der Anode 12 der Brennstoffzelle 1 1 und dem Kathodenfluid 33 in der Kathode 13 der Brennstoffzelle 1 1 könnte zu einer Beeinträchtigung der Membran 14 zwischen der Anode 12 und der Kathode 13 führen. Durch die fluidkommunizierende Verbindung werden im Anodenzylinder 62 und im Kathodenzylinder 63 jeweils ein Anodenstößel 64 bzw. ein Kathodenstößel 65 mit Druck beaufschlagt. Durch die verschiedene Dimensionierung der beiden Stößel 64, 65 ist es möglich, eine gewollte Druckdifferenz zwischen dem Anodenfluid 23 und dem Kathodenfluid 33 zu berücksichtigen. Bei Abweichungen von der eingestellten Druckdifferenz werden die Stößel 64, 65 aus ihrer Nulllage ausgelenkt, wobei sie von Federelementen 66 in die Nulllage zurückgedrängt werden. Eine zu große Auslenkung führt dabei zu einem Öffnen von Überströmkanälen 67, wodurch die Druckdifferenz ausgeglichen werden kann. Eine zu große Druckdifferenz, die beispielsweise zu einer Beeinträchtigung bis hin zu einer Beschädigung der Membran 14 führen könnte, kann somit durch eine derartige als Druckwaage 61 ausgebildete Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung 60 besonders einfach und sicher vermieden werden. Insbesondere können dabei bei der Ausgestaltungsform der Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung 60 als Druckwaage 61 zusätzliche Sensoren vermieden und dadurch das gesamte Brennstoffzellensystem 10 einfacher ausgestaltet werden. Fig. 3 shows such a differential pressure limiting device 60, which is designed in particular as a pressure compensator 61. In this case, the pressure compensator 61 is connected in a fluid-communicating manner both with the anode fluid discharge 22 and the cathode fluid discharge 32, wherein the anode fluid discharge 22 is connected in a fluid-communicating manner to an anode cylinder 62 and the cathode fluid discharge 32 to a cathode cylinder 63. A differential pressure between the anode fluid 23 in the anode 12 of the fuel cell 1 1 and the cathode fluid 33 in the cathode 13 of the fuel cell 1 1 could lead to a deterioration of the membrane 14 between the anode 12 and the cathode 13. By the fluid-communicating compound in the anode cylinder 62 and in the cathode cylinder 63 respectively an anode plunger 64 and a cathode plunger 65 are pressurized. Due to the different dimensions of the two plungers 64, 65 it is possible to consider a desired pressure difference between the anode fluid 23 and the cathode fluid 33. In the event of deviations from the set pressure difference, the plungers 64, 65 are deflected out of their zero position, wherein they are pushed back by spring elements 66 into the zero position. Too large a deflection leads to an opening of overflow channels 67, whereby the pressure difference can be compensated. Too large a pressure difference, which could lead, for example, to an impairment up to a damage of the diaphragm 14, can thus be avoided particularly simply and reliably by such a pressure compensator 61 formed as a differential pressure limiting device 60. In particular, in the embodiment of the differential pressure limiting device 60 as pressure compensator 61, additional sensors can be avoided, thereby making the entire fuel cell system 10 simpler.
Bezugszei chen l i ste Reference numeral
10 Brennstoffzellensystem 10 fuel cell system
11 Brennstoffzelle  11 fuel cell
12 Anode 12 anodes
13 Kathode  13 cathode
14 Membran  14 membrane
15 Steuerungsvorrichtung  15 control device
16 Massenstromsensor  16 mass flow sensor
17 Drucksensor 17 pressure sensor
18 Temperatursensor  18 temperature sensor
20 Anodenfluidsystem 20 anode fluid system
21 Anodenfluidzuführung  21 anode fluid supply
22 Anodenfluidabführung 22 anode fluid removal
23 Anodenfluid  23 anode fluid
24 Fördervorrichtung  24 conveyor
25 Rezirkulationsleitung  25 recirculation line
26 Spülventil  26 flushing valve
30 Kathodenfluidsystem 30 cathode fluid system
31 Kathodenfluidzuführung  31 cathode fluid supply
32 Kathodenfluidabführung  32 cathode fluid removal
33 Kathodenfluid  33 cathode fluid
34 Kühlvorrichtung 34 cooling device
40 Druckregelvorrichtung 40 pressure control device
41 Drosselventil 50 Massenstromregelvorrichtung  41 throttle valve 50 mass flow control device
51 Verdichter  51 compressors
60 Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung 60 differential pressure limiting device
61 Druckwaage  61 pressure balance
62 Anodenzylinder 62 anode cylinder
63 Kathodenzylinder  63 cathode cylinder
64 Anodenstößel  64 anode tappets
65 Kathodenstößel  65 cathode tappets
66 Federelement  66 spring element
67 Überströmkanal Schritt a) Schritt b) Schritt c) 67 overflow channel Step a) Step b) Step c)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P a n t a n s p r e c h e
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), das Brennstoffzellensystem (10) zumindest aufweisend eine Brennstoffzelle (1 1 ) mit einer Anode (12) und einer Kathode (13), ein Anodenfluidsystem (20) mit einer Anodenfluidzuführung (21 ) und einer Anodenfluidabführung (22), ein Kathodenfluidsystem (30) mit einer Kathodenfluidzuführung (31 ) und einer Kathodenfluidabführung (32), sowie eine Steuerungsvorrichtung (15), A method for operating a fuel cell system (10), the fuel cell system (10) comprising at least a fuel cell (1 1) with an anode (12) and a cathode (13), an anode fluid system (20) with an anode fluid supply (21) and an anode fluid discharge ( 22), a cathode fluid system (30) having a cathode fluid supply (31) and a cathode fluid discharge (32), and a control device (15),
gekennzeichnet durch folgende Schritte: characterized by the following steps:
a) Messen eines Drucks eines Anodenfluids (23) im Anodenfluidsystem (20), b) Festlegen eines Solldrucks für ein Kathodenfluid (33) im Kathodenfluidsystem (30) in Abhängigkeit des in Schritt a) (100) gemessenen Drucks des Anodenfluids (23), und  a) measuring a pressure of an anode fluid (23) in the anode fluid system (20), b) setting a target pressure for a cathode fluid (33) in the cathode fluid system (30) in dependence on the pressure of the anode fluid (23) measured in step a) (100), and
c) Regelung des Drucks des Kathodenfluids (33) auf den in Schritt b) (101 ) festgelegten Solldruck.  c) regulating the pressure of the cathode fluid (33) to the setpoint pressure determined in step b) (101).
Verfahren nach Anspruch 1 , Method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass in Schritt b) (101 ) der Solldruck des Kathodenfluids (33) mit einer festen Druckdifferenz zu dem in Schritt a) (100) gemessenen Druck des Anodenfluids (23) festgelegt wird. that in step b) (101) the target pressure of the cathode fluid (33) is set with a fixed pressure difference to the pressure of the anode fluid (23) measured in step a) (100).
Verfahren nach Anspruch 2, Method according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass als Druckdifferenz ein Wert zwischen etwa 0 mbar und etwa 500 mbar, bevorzugt zwischen etwa 200 mbar und etwa 300 mbar, verwendet wird. that a value between about 0 mbar and about 500 mbar, preferably between about 200 mbar and about 300 mbar, is used as the pressure difference.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass Schritt a) (100) und/oder Schritt b) (101 ) und/oder Schritt c) (102) kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich durchgeführt werden. that step a) (100) and / or step b) (101) and / or step c) (102) are carried out continuously or at least substantially continuously.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 5. Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine Regelung eines Massenflusses des Anodenfluids (23) und/oder eine Regelung eines Massenflusses des Kathodenfluids (33) abhängig von den Schritten a) (100), b) (101 ) und c) (102) durchgeführt werden.  in that a regulation of a mass flow of the anode fluid (23) and / or a regulation of a mass flow of the cathode fluid (33) are carried out as a function of the steps a) (100), b) (101) and c) (102).
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 6. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass in Schritt a) (100) der Druck des Anodenfluids (23) in der Anodenfluidzuführung (21 ) und/oder der Anodenfluidabführung (22) gemessen wird.  in step a) (100) the pressure of the anode fluid (23) in the anode fluid supply (21) and / or the anode fluid discharge (22) is measured.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass in Schritt c) (102) der Druck des Kathodenfluids (33) gemessen wird und der gemessene Druck des Kathodenfluids (33) mit einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert verglichen wird. 8. Verfahren nach Anspruch 7,  in step c) (102) the pressure of the cathode fluid (33) is measured and the measured pressure of the cathode fluid (33) is compared with an upper limit and a lower limit. 8. The method according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass als oberer und/oder unterer Grenzwert eine Druckdifferenz zum Solldruck von etwa 100 mbar, bevorzugt von etwa 25 mbar, verwendet wird.  in that a pressure difference to the target pressure of about 100 mbar, preferably of about 25 mbar, is used as the upper and / or lower limit value.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, 9. The method according to claim 7 or 8,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der obere und der untere Grenzwert symmetrisch zum Solldruck gewählt werden. that the upper and lower limit values are selected symmetrically to the target pressure.
10. Brennstoffzellensystem (10) aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (1 1 ) mit einer Anode (12) und einer Kathode (13), ein Anodenfluidsystem (20) mit einer Anodenfluidzuführung (21 ) und einer Anodenfluidabführung (22), ein Kathodenfluidsystem (30) mit einer Kathodenfluidzuführung (31 ) und einer Kathodenfluidabführung (32), sowie eine Steuerungsvorrichtung (15), 10. Fuel cell system (10) comprising at least one fuel cell (11) with an anode (12) and a cathode (13), an anode fluid system (20) with an anode fluid supply (21) and an anode fluid discharge (22), a cathode fluid system (30). with a cathode fluid supply (31) and a cathode fluid discharge (32), as well as a control device (15),
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Steuerungsvorrichtung (15) zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.  in that the control device (15) is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
1 1 . Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10, 1 1. Fuel cell system (10) according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass im Kathodenfluidsystem (30) eine Druckregelvorrichtung (40), insbesondere ein regelbares Drosselventil (41 ), zum Regeln des Drucks des Kathodenfluids (33) vorgesehen ist.  in that a pressure regulating device (40), in particular a controllable throttle valve (41), is provided in the cathode fluid system (30) for regulating the pressure of the cathode fluid (33).
12. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , 12. Fuel cell system (10) according to any one of claims 10 or 1 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass zwischen dem Anodenfluidsystem (20) und dem Kathodenfluidsystem (30) eine Differenzdruckbegrenzungsvorrichtung (60), insbesondere eine Druckwaage (61 ), angeordnet ist.  in that a differential pressure limiting device (60), in particular a pressure compensator (61), is arranged between the anode fluid system (20) and the cathode fluid system (30).
PCT/EP2015/075958 2015-01-21 2015-11-06 Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system WO2016116184A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112015006019.7T DE112015006019A5 (en) 2015-01-21 2015-11-06 Method for operating a fuel cell system and fuel cell system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015100871.8 2015-01-21
DE102015100871 2015-01-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016116184A1 true WO2016116184A1 (en) 2016-07-28

Family

ID=54427769

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/075958 WO2016116184A1 (en) 2015-01-21 2015-11-06 Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE112015006019A5 (en)
WO (1) WO2016116184A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070184319A1 (en) * 2006-02-06 2007-08-09 Nucellsys Gmbh Method and apparatus for controlling the differential pressure in a fuel cell
US20080038608A1 (en) * 2004-03-17 2008-02-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel Cell System And Method For Controlling Same
DE102014223737A1 (en) * 2014-04-14 2015-10-15 Hyundai Motor Company RINSE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A FUEL CELL

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080038608A1 (en) * 2004-03-17 2008-02-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel Cell System And Method For Controlling Same
US20070184319A1 (en) * 2006-02-06 2007-08-09 Nucellsys Gmbh Method and apparatus for controlling the differential pressure in a fuel cell
DE102014223737A1 (en) * 2014-04-14 2015-10-15 Hyundai Motor Company RINSE CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A FUEL CELL

Also Published As

Publication number Publication date
DE112015006019A5 (en) 2017-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008010305B4 (en) A method of operating a fuel cell system and reducing pressure when injectors hang open under fault conditions, and remedial measures to prevent a vehicle from stalling
DE102006000483A1 (en) Apparatus for determining an abnormality of a pressure accumulation injection system
DE19731995B4 (en) Method and device for controlling an internal combustion engine
WO2009149987A1 (en) Method for detecting deviations of injection quantities and for correcting the injection quantity and injection system
WO2010102812A1 (en) Method for operating a hydraulic or pneumatic system
DE102016205025A1 (en) pressure reduction
EP3014096B1 (en) Method for producing injectors, in particular fuel injectors, and injector
DE102019101357B4 (en) Arrangement for two-stage air inlet and outlet for electrically controlled proportional valves
EP1897164B1 (en) Method for supplying a feed gas to a gas chamber of a fuel cell and fuel cell
WO2019006485A1 (en) Pressure-regulating device for a fuel consumption measurement system and fuel consumption measurement system
DE102012219061A1 (en) System for performing hydrogen supply of polymer electrolyte membrane fuel cell mounted in motor car, has pressure reducer with spring chamber that is pressure-loaded and spring-loaded by using prevailing pressure of valve piston
AT523401B1 (en) Measuring system for measuring a flow rate
DE102013206428A1 (en) Method for operating a common rail system of a motor vehicle and means for implementing it
WO2016116184A1 (en) Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system
DE19919126A1 (en) Exhaust gas recirculation system for internal combustion engine
EP3497314A1 (en) Gas feed method for a gas engine or dual-fuel engine, and gas supply apparatus for same
AT517206B1 (en) Method for controlling an internal combustion engine
EP3475585A1 (en) Valve apparatus for influencing a flow of medium
DE102011053152A1 (en) Device for controlling the amount of fuel through a fuel line
DE1920193A1 (en) Pressure regulator
WO2008090033A1 (en) Method for controlling a fuel supply device for an internal combustion engine
WO1998002685A1 (en) Self-testing device for pneumatic drives and position regulator equipped with this device
WO2016116187A1 (en) Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system
DE102018210197A1 (en) Method for detecting completion of a hydrogen / air front pass through a fuel cell stack and fuel cell system
EP1718854A1 (en) Method and device for determining the charging flanks of a piezoelectric actuator

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15790591

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 112015006019

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112015006019

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15790591

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1