WO2019242960A1 - Method for starting a fuel cell apparatus, and motor vehicle having a fuel cell apparatus - Google Patents
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Definitions
- the invention is formed by a method for starting a fuel cell device, comprising the step of recirculating the gas or gas mixture present in an anode circuit of a fuel cell stack of the fuel cell device for a time interval before fuel is introduced into the fuel cell through an anode supply line.
- oil stack a length of a time interval being determined by the duration of the distribution of condensed water in a flow field of the anode circuit having channels.
- the invention further relates to a motor vehicle with a fuel cell device.
- the time in which the hydrogen can be kept in the anode region is generally also referred to as hydrogen protection time (hydrogen protection time). net. If this hydrogen protection time is exceeded, that is to say air diffuses into the anode area, the conditions for an air-air start are again given and methods are known for removing the air from the fuel cell stack as quickly as possible, this being often due to the design happens unevenly.
- DE 10 2016 1 10 451 A1 therefore provides for homogeneous purging of the fuel cell stack by introducing an anode operating medium until a predetermined pressure is reached in order to flow the mass flow of the anode operating medium into an anode supply to the fuel cell stack by suitable operation of a recirculation conveyor to improve.
- DE 10 2009 004 378 A1 describes a method for starting a fuel cell device, in which valves in the inlet flow path and in the outlet flow path are closed in the anode circuit in order to achieve a recirculation of the hydrogen.
- the invention is based on the object of providing a method for starting a fuel cell device in order to be able to direct the hydrogen / air front as quickly and homogeneously as possible through the fuel cell stack.
- the object of the invention is also to provide an improved motor vehicle.
- the method according to the invention comprises the step of recirculating the gas or gas mixture present in the anode circuit of the fuel cell stack for a time interval before the fuel is introduced through the anode supply line in the fuel cell stack, the length of the time interval being determined by the Duration of the distribution of condensed water in the flow field of the anode circuit.
- the method according to the invention is therefore not aimed directly at the rapid exchange of the oxygen present in the anode region by the anode operating medium, in particular hydrogen. Rather, the method according to the invention provides a preparatory step with which the prerequisite is initially to be created that a fast and homogeneous operating medium air front can run through the fuel cell stack when the anode operating medium is introduced, on the one hand to reduce the dwell time in the damaged state and on the other hand to achieve a more uniform aging of the fuel cell stack.
- the method takes advantage of the fact that, when the fuel cell device is switched off, condensed water is present in the channels of the flow field in the anode circuit and influences the flow resistance when the anode operating medium is introduced into the individual channels of the flow field. By distributing the condensed water in the flow field of the anode circuit, the flow resistance is adjusted so that when the fuel cell device is started, the front of the anode operating medium and the air pass through the fuel cell stack more evenly.
- the recirculation is only ended when a homogeneous distribution of the condensed water in the channels of the river field has been achieved.
- the recirculation is not already ended if the recirculation in a channel of the river field sensitive water drops are distributed over the entire length of the channel, but if, as a result of repeated circulation of the gas or gas mixture present in the anode circuit, a homogeneous distribution between different channels of the river field is achieved during recirculation.
- the duration of the recirculation is determined based on a model or experience, for a duration between 1 second (s) and 15 seconds, and in particular for a duration between 5 seconds and 10 seconds.
- valves associated therewith are closed and that an actuator for circulating the gas or gas mixture in the recirculation line is activated. It is preferred if the actuator is formed by a recirculation fan.
- the recirculation blower is operated continuously, the power requirement of the recirculation blower being used as a criterion for achieving a homogeneous distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit. If in individual channels of the flow field in the anode circuit water drops or even water columns block the cross-section and this water has to be moved through the channel like the piston of a pump, which reduces the flow resistance and thus the performance requirements for the recirculation blower to achieve a given flow increased, the decrease in the power requirement or the reaching of a minimum indicates the successful homogeneous distribution of the condensed water.
- measures to increase the hydrogen protection time before the initiation of the recirculation are used to analyze the starting state of the fuel cell device and the duration of the time interval for the recirculation by the result of the Analysis is determined.
- the result of the analysis can be used to determine that the conditions for an air-air start do not yet exist, since there is no pure oxygen-nitrogen mixture in the anode circuit due to the hydrogen protection time falling short, so that the duration of the Time interval can also be set to zero seconds.
- a frost start of a fuel cell device In addition to an air-to-air start, a frost start of a fuel cell device also leads to its damage. This damage can be reduced or even avoided if, in the event of an imminent frost start of the fuel cell device, the recirculation is initiated long before the fuel is introduced, namely when the fuel cell device is switched off as frost preconditioning and / or before freezing of the fuel cell stack.
- the condition that the recirculation is to take place before the fuel is introduced through the anode supply line into the fuel cell stack therefore also includes the recirculation as soon as the fuel cell device is switched off in order to achieve the desired homogeneous distribution of the condensed water as a film on the surfaces of the channels of the flow field to avoid blocking the flow field when freezing.
- the comfort of the user of a motor vehicle can be increased if the method is initiated in a motor vehicle with a fuel cell device as soon as an expected power requirement on the fuel cell system is recognized by a control system of vehicle electronics.
- opening of a door preferably the driver's door, actuation of a belt lock or, in the case of hybrid motor vehicles, battery-electric starting can be assessed as the expected power requirement.
- Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell device.
- FIG. 1 the parts of a fuel cell device 1 required to explain the invention are shown in a simplified schematic representation.
- This fuel cell device 1 has a fuel cell stack 2 composed of a plurality of fuel cells, which has a cathode circuit through which the required oxygen can be supplied to the cathode compartments of the fuel cell stack 2, namely by taking air from the surroundings by means of a compressor 3 , wherein the compressed air is supplied to an intercooler 1 1 and a humidifier 5 and then released to the cathode compartments using a cathode supply line 6.
- a cathode exhaust line 7 is used to supply the humidifier 5 with the required moisture.
- anode operating medium usually hydrogen
- anode operating medium usually hydrogen
- a first valve 10 is arranged in the anode supply line 9 in order to influence the volume flow of the anode operating medium. After passing through the anode compartments and leaving the fuel cell stack 2, the unused part of the anode operating medium can be recirculated or released to the environment through a second valve 11.
- this fuel cell device 1 it is possible, when starting the fuel cell device 1, to recirculate the gas or gas mixture present in the anode circuit of the fuel cell stack 2 for a time interval, the condensation in the flow field of the anode circuit due to the recirculation Water is distributed, the length of the time interval being determined by the time it takes to achieve this distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit.
- the valves 10, 11 assigned to it are closed, an actuator 12 for circulating the gas or gas mixture in the recirculation line being activated.
- the actuator 12 is formed by a recirculation fan 13 which is operated continuously, the power requirement of the recirculation fan 13 being used as a criterion for achieving a homogeneous distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit can become an alternative to a model or experience-based determination of the duration of the recirculation by means of a measurement.
- the above-described method requires only little time, but it is possible for a motor vehicle with a fuel cell device 1 to allow this method to be carried out imperceptibly for the user of the motor vehicle if the method is initiated as soon as the control system for the vehicle electronics expects what is to be expected Power requirement on the fuel cell device 1 is detected, for example by opening the driver's door, operating the belt buckle, or, in the case of flybrid vehicles, battery-electric starting.
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Abstract
The invention relates to a method for starting a fuel cell apparatus (1), comprising the step of recirculating the gas or gas mixture present in an anode circuit of a fuel cell stack (2) of the fuel cell apparatus (1) for a time interval prior to the introduction of fuel through an anode feed line (9) in the fuel cell stack (2), wherein a length of the time interval is determined by means of a duration of the distribution of condensed water in a flow field, which has channels, of the anode circuit. The invention furthermore relates to a motor vehicle having a fuel cell apparatus (1).
Description
Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung Method for starting a fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
BESCHREIBUNG: DESCRIPTION:
Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Starten einer Brennstoff- zellenvorrichtung, umfassend den Schritt einer Rezirkulation des in einem Anodenkreislauf eines Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenvorrich- tung präsenten Gases oder Gasgemisches für ein Zeitintervall vor einer Ein- leitung von Brennstoff durch eine Anodenzufuhrleitung in den Brennstoffzel- lenstapel, wobei eine Länge eines Zeitintervalls bestimmt ist durch die Dauer der Verteilung kondensierten Wassers in einem Kanäle aufweisenden Fluss- feld des Anodenkreislaufes. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung. The invention is formed by a method for starting a fuel cell device, comprising the step of recirculating the gas or gas mixture present in an anode circuit of a fuel cell stack of the fuel cell device for a time interval before fuel is introduced into the fuel cell through an anode supply line. oil stack, a length of a time interval being determined by the duration of the distribution of condensed water in a flow field of the anode circuit having channels. The invention further relates to a motor vehicle with a fuel cell device.
Bei Brennstoffzellenvorrichtungen kommt es durch sogenannte Luft-Luft- Starts zu Schäden an dem Brennstoffzellenstapel, wobei ein Luft-Luft-Start dann vorliegt, wenn beim Start sowohl im Anodenbereich als auch im Katho- denbereich des Brennstoffzellenstapels Luft bzw. Sauerstoff vorhanden ist. Bei einer Zuführung von Wasserstoff im Zuge des Starts kommt es zu einer Wasserstoff/Luft-Front, welche über die elektrochemisch aktive Fläche der Anoden streicht. Somit liegen unmittelbar vor der Front und unmittelbar nach der Front unterschiedlich hohe Potenziale vor, da die Brennstoffzelle in einem Bereich bereits die Elektrolyse betreibt und in einem anderen Bereich noch nicht. Dies führt zu einer Schädigung oder Degradation der Brennstoffzelle, insbesondere zu einer Korrosion des Katalysators bzw. seines Trägermateri- als. Um eine Schädigung der Brennstoffzellenvorrichtung zu reduzieren und um eine lange Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung zu ermöglichen,
ist es daher notwendig, Luft-Luft-Starts zu verhindern bzw. ihre Anzahl zu re- duzieren. In the case of fuel cell devices, so-called air-air starts result in damage to the fuel cell stack, with an air-air start occurring when air or oxygen is present both in the anode region and in the cathode region of the fuel cell stack. When hydrogen is supplied during the start, there is a hydrogen / air front which sweeps over the electrochemically active surface of the anodes. Thus there are potentials of different magnitudes immediately in front of and immediately after the front, since the fuel cell already performs electrolysis in one area and not yet in another area. This leads to damage or degradation of the fuel cell, in particular to corrosion of the catalyst or its support material. In order to reduce damage to the fuel cell device and to enable a long service life of the fuel cell device, it is therefore necessary to prevent air-to-air starts or to reduce their number.
Die Zeit, in der der Wasserstoff im Anodenbereich gehalten werden kann, also die Zeit nach dem Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung, in der sowohl im Anodenbereich als auch im Kathodenbereich Wasserstoff vorliegt, wird im all- gemeinen auch Wasserstoffschutzzeit (Hydrogen-Protection-Time) bezeich- net. Ist diese Wasserstoffschutzzeit überschritten, also Luft in den Anodenbe- reich diffundiert, sind wiederum die Bedingungen für einen Luft- Luft- Start ge- geben und es sind Verfahren bekannt, um die Luft möglichst schnell aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen, wobei dies konstruktiv bedingt häufig un- gleichmäßig geschieht. The time in which the hydrogen can be kept in the anode region, that is to say the time after the fuel cell device has been switched off and in which hydrogen is present both in the anode region and in the cathode region, is generally also referred to as hydrogen protection time (hydrogen protection time). net. If this hydrogen protection time is exceeded, that is to say air diffuses into the anode area, the conditions for an air-air start are again given and methods are known for removing the air from the fuel cell stack as quickly as possible, this being often due to the design happens unevenly.
In der DE 10 2016 1 10 451 A1 ist daher ein homogenes Spülen des Brenn- stoffzellenstapels mittels Einleiten eines Anodenbetriebsmediums bis zum Er- reichen eines vorbestimmten Drucks vorgesehen, um den Massenstrom des Anodenbetriebsmediums in eine Anodenversorgung des Brennstoffzellensta- pels durch einen geeigneten Betrieb einer Rezirkulationsfördereinrichtung zu verbessern. DE 10 2016 1 10 451 A1 therefore provides for homogeneous purging of the fuel cell stack by introducing an anode operating medium until a predetermined pressure is reached in order to flow the mass flow of the anode operating medium into an anode supply to the fuel cell stack by suitable operation of a recirculation conveyor to improve.
In der DE 10 2009 004 378 A1 ist ein Verfahren zum Starten einer Brennstoff- zellenvorrichtung beschrieben, bei dem im Anodenkreislauf Ventile im Einlass- strömungspfad und im Ablassströmungspfad geschlossen sind, um eine Re- zirkulation des Wasserstoffes zu erreichen. DE 10 2009 004 378 A1 describes a method for starting a fuel cell device, in which valves in the inlet flow path and in the outlet flow path are closed in the anode circuit in order to achieve a recirculation of the hydrogen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenvorrichtungen bereitzustellen, um eine möglichst schnelle und homogene Wasserstoff/Luft-Front durch den Brennstoffzellenstapel leiten zu können. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein verbessertes Kraftfahr- zeug bereitzustellen. The invention is based on the object of providing a method for starting a fuel cell device in order to be able to direct the hydrogen / air front as quickly and homogeneously as possible through the fuel cell stack. The object of the invention is also to provide an improved motor vehicle.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch das Verfahren nach An- spruch 1 gelöst. Die das Kraftfahrzeug betreffende Aufgabe wird durch das Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit
zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen An- sprüchen angegeben. The object relating to the method is achieved by the method according to claim 1. The motor vehicle task is solved by the motor vehicle according to claim 9. Advantageous configurations with Expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt der Re- zirkulation des in dem Anodenkreislauf des Brennstoffzellenstapels der Brenn- stoffzellenvorrichtungen präsenten Gases oder Gasgemisches für ein Zeitin tervall vor der Einleitung des Brennstoffes durch die Anodenzufuhrleitung in dem Brennstoffzellenstapel, wobei die Länge des Zeitintervalls bestimmt ist durch die Dauer der Verteilung kondensierten Wassers im Flussfeld des Ano- denkreislaufes. In particular, the method according to the invention comprises the step of recirculating the gas or gas mixture present in the anode circuit of the fuel cell stack for a time interval before the fuel is introduced through the anode supply line in the fuel cell stack, the length of the time interval being determined by the Duration of the distribution of condensed water in the flow field of the anode circuit.
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt also nicht unmittelbar auf den schnel- len Austausch des im Anodenbereich vorliegenden Sauerstoffes durch das Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, ab. Vielmehr stellt das Ver- fahren gemäß der Erfindung einen vorbereitenden Schritt zur Verfügung, mit dem zunächst die Voraussetzung geschaffen werden soll, dass bei dem Ein- leiten des Anodenbetriebsmittel eine schnelle und homogene Betriebsmittel- Luft- Front durch den Brennstoffzellenstapel laufen kann, um zum einen die Verweilzeit im schädigenden Zustand zu verringern und zum anderen, um eine gleichmäßigere Alterung des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Durch das Verfahren wird ausgenutzt, dass bei einer abgeschalteten Brennstoffzellenvor- richtung kondensiertes Wasser in den Kanälen des Flussfeldes im Anoden- kreislauf vorliegt, das den Strömungswiderstand bei dem Einleiten des Ano- denbetriebsmedium in den einzelnen Kanälen des Flussfeldes beeinflusst. In- dem eine Verteilung des kondensierten Wassers im Flussfeld des Anoden- kreislaufes erreicht wird, wird der Strömungswiderstand angeglichen, so dass beim Start der Brennstoffzellenvorrichtung die Front des Anodenbetriebsme- diums und der Luft gleichmäßiger den Brennstoffzellenstapels durchläuft. The method according to the invention is therefore not aimed directly at the rapid exchange of the oxygen present in the anode region by the anode operating medium, in particular hydrogen. Rather, the method according to the invention provides a preparatory step with which the prerequisite is initially to be created that a fast and homogeneous operating medium air front can run through the fuel cell stack when the anode operating medium is introduced, on the one hand to reduce the dwell time in the damaged state and on the other hand to achieve a more uniform aging of the fuel cell stack. The method takes advantage of the fact that, when the fuel cell device is switched off, condensed water is present in the channels of the flow field in the anode circuit and influences the flow resistance when the anode operating medium is introduced into the individual channels of the flow field. By distributing the condensed water in the flow field of the anode circuit, the flow resistance is adjusted so that when the fuel cell device is started, the front of the anode operating medium and the air pass through the fuel cell stack more evenly.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Rezirkulation erst beendet wird, wenn eine homogene Verteilung des kondensierten Wassers in den Kanälen des Flussfeldes erreicht ist. Gemäß diesem Verfahrensschritt wird die Rezirkula- tion nicht schon dann beendet, wenn der in einem Kanal des Flussfeldes be-
findliche Wassertropfen über die gesamte Länge des Kanals verteilt ist, son- dern wenn infolge mehrmaliger Umläufe des im Anodenkreislauf präsenten Gases oder Gasgemisches während der Rezirkulation auch eine homogene Verteilung zwischen unterschiedlichen Kanälen des Flussfeldes erreicht ist. It is particularly preferred if the recirculation is only ended when a homogeneous distribution of the condensed water in the channels of the river field has been achieved. According to this process step, the recirculation is not already ended if the recirculation in a channel of the river field sensitive water drops are distributed over the entire length of the channel, but if, as a result of repeated circulation of the gas or gas mixture present in the anode circuit, a homogeneous distribution between different channels of the river field is achieved during recirculation.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Dauer der Rezirkulation modell-oder erfahrungsbasiert bestimmt ist auf eine Dauer zwischen 1 Sekunden (s) und 15 Sekunden, und insbesondere auf eine Dauer zwischen 5 Sekunden und 10 Sekunden. There is the possibility that the duration of the recirculation is determined based on a model or experience, for a duration between 1 second (s) and 15 seconds, and in particular for a duration between 5 seconds and 10 seconds.
Vorgesehen ist weiterhin, dass zur Bereitstellung einer geschlossenen Rezir- kulationsleitung in dem Anodenkreislauf diesem zugeordnete Ventile ge- schlossen sind, und dass ein Aktor zum Umwälzen des Gases oder Gasgemi- sches in der Rezirkulationsleitung aktiviert ist. Bevorzugt ist es, wenn der Aktor durch ein Rezirkulationsgebläse gebildet ist. It is also provided that in order to provide a closed recirculation line in the anode circuit, valves associated therewith are closed and that an actuator for circulating the gas or gas mixture in the recirculation line is activated. It is preferred if the actuator is formed by a recirculation fan.
Bevorzugt ist außerdem, wenn das Rezirkulationsgebläse kontinuierlich be- trieben wird, wobei ein Leistungsbedarf des Rezirkulationsgebläses als Krite- rium für das Erreichen einer homogenen Verteilung des kondensierten Was- sers im Flussfeld des Anodenkreislaufes genutzt wird. Wenn nämlich in ein- zelnen Kanälen des Flussfeldes im Anodenkreislauf Wassertropfen oder sogar Wassersäulen den Querschnitt blockieren und dieses Wasser vergleichbar dem Kolben einer Pumpe durch den Kanal bewegt werden muss, was den Strömungswiderstand und damit die Leistungsanforderung an das Rezirkula- tionsgebläse zum Erzielen einer vorgegebenen Strömung erhöht, zeigt das Absinken des Leistungsbedarfes oder das Erreichen eines Minimums die er- folgreiche homogene Verteilung des kondensierten Wassers an. It is also preferred if the recirculation blower is operated continuously, the power requirement of the recirculation blower being used as a criterion for achieving a homogeneous distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit. If in individual channels of the flow field in the anode circuit water drops or even water columns block the cross-section and this water has to be moved through the channel like the piston of a pump, which reduces the flow resistance and thus the performance requirements for the recirculation blower to achieve a given flow increased, the decrease in the power requirement or the reaching of a minimum indicates the successful homogeneous distribution of the condensed water.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn bei Brennstoffzellenvorrichtungen mit verzö- gerter Diffusion von Luft in den Anodenkreislauf durch Einsatz von Maßnah- men zur Erhöhung der Wasserstoffschutzzeit vor der Initiierung der Rezirkula- tion eine Analyse des Startzustandes der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt und die Dauer des Zeitintervalls für die Rezirkulation durch das Ergebnis der
Analyse bestimmt ist. Im Grenzfall kann durch das Ergebnis der Analyse fest- gestellt werden, dass die Bedingungen für einen Luft-Luft-Start noch nicht vor- liegen, da sich infolge eines Unterschreitens der Wasserstoffschutzzeit kein reines Sauerstoff-Stickstoffgemisch im Anodenkreislauf befindet, so dass die Dauer des Zeitintervalls auch auf null Sekunden gesetzt werden kann. Furthermore, it is preferred if, in the case of fuel cell devices with delayed diffusion of air into the anode circuit, measures to increase the hydrogen protection time before the initiation of the recirculation are used to analyze the starting state of the fuel cell device and the duration of the time interval for the recirculation by the result of the Analysis is determined. In the borderline case, the result of the analysis can be used to determine that the conditions for an air-air start do not yet exist, since there is no pure oxygen-nitrogen mixture in the anode circuit due to the hydrogen protection time falling short, so that the duration of the Time interval can also be set to zero seconds.
Neben einem Luft- Luft- Start führt auch ein Froststart einer Brennstoffzellen- vorrichtung zu deren Schädigung. Diese Schädigung lässt sich vermindern o- der sogar vermeiden, wenn bei einem drohenden Froststart der Brennstoffzel- lenvorrichtung die Initiierung der Rezirkulation lange vor der Einleitung des Brennstoffes erfolgt, nämlich bei dem Abstellen der Brennstoffzellenvorrich- tung als Frost- Vorkonditionierung und/oder vor dem Einfrieren des Brennstoff- zellenstapels. Die Bedingung, dass die Rezirkulation zeitlich vor der Einleitung des Brennstoffes durch die Anodenzufuhrleitung in den Brennstoffzellenstapel liegen soll, umfasst daher auch die Rezirkulation bereits beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung, um die gewünschte homogene Verteilung des kondensierten Wassers als ein Film auf den Oberflächen der Kanäle des Flussfeldes zu erzielen, um so ein Blockieren des Flussfeldes beim Einfrieren zu vermeiden. In addition to an air-to-air start, a frost start of a fuel cell device also leads to its damage. This damage can be reduced or even avoided if, in the event of an imminent frost start of the fuel cell device, the recirculation is initiated long before the fuel is introduced, namely when the fuel cell device is switched off as frost preconditioning and / or before freezing of the fuel cell stack. The condition that the recirculation is to take place before the fuel is introduced through the anode supply line into the fuel cell stack, therefore also includes the recirculation as soon as the fuel cell device is switched off in order to achieve the desired homogeneous distribution of the condensed water as a film on the surfaces of the channels of the flow field to avoid blocking the flow field when freezing.
Da das erfindungsgemäße Verfahren nur wenige Sekunden dauert, kann für den Nutzer eines Kraftfahrzeuges der Komfort gesteigert werden, wenn bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung das Verfahren initi iert wird, sobald durch ein Steuerungssystem einer Fahrzeugelektronik eine zu erwartende Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem erkannt wird. Als zu erwartende Leistungsanforderung kann insbesondere ein Öffnen einer Tür, vorzugsweise der Fahrertür, ein Betätigen eines Gurtschlosses, o- der, bei Hybrid-Kraftfahrzeugen, ein batterieelektrisches Anfahren gewertet werden. Since the method according to the invention only lasts a few seconds, the comfort of the user of a motor vehicle can be increased if the method is initiated in a motor vehicle with a fuel cell device as soon as an expected power requirement on the fuel cell system is recognized by a control system of vehicle electronics. In particular, opening of a door, preferably the driver's door, actuation of a belt lock or, in the case of hybrid motor vehicles, battery-electric starting can be assessed as the expected power requirement.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeich- nung. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung. Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description and the drawing. It shows: Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell device.
In der Figur 1 sind in einer vereinfachten schematischen Darstellung die zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teile einer Brennstoffzellenvorrich- tung 1 gezeigt. Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist einen aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel 2 auf, der über einen Kathodenkreislauf verfügt, durch den der erforderliche Sauerstoff den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt wer- den kann, nämlich indem mittels eines Verdichters 3 Luft der Umgebung ent- nommen wird, wobei die komprimierte Luft einem Ladeluftkühler 1 1 und einem Befeuchter 5 zugeführt und dann an die Kathodenräume unter Nutzung einer Kathodenzuluftleitung 6 abgegeben wird. Eine Kathodenabluftleitung 7 wird genutzt, um dem Befeuchter 5 die erforderliche Feuchtigkeit zuzuführen. In FIG. 1, the parts of a fuel cell device 1 required to explain the invention are shown in a simplified schematic representation. This fuel cell device 1 has a fuel cell stack 2 composed of a plurality of fuel cells, which has a cathode circuit through which the required oxygen can be supplied to the cathode compartments of the fuel cell stack 2, namely by taking air from the surroundings by means of a compressor 3 , wherein the compressed air is supplied to an intercooler 1 1 and a humidifier 5 and then released to the cathode compartments using a cathode supply line 6. A cathode exhaust line 7 is used to supply the humidifier 5 with the required moisture.
Anodenseitig liegt ein Speicher 8 für das Anodenbetriebsmedium, in der Regel Wasserstoff, vor, der über eine Anodenzufuhrleitung 9 den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt werden kann. Dabei ist ein erstes Ventil 10 in der Anodenzufuhrleitung 9 angeordnet, um den Volumenstrom des Anodenbetriebsmediums zu beeinflussen. Nach dem Passieren der Anoden- räume und dem Verlassen des Brennstoffzellenstapel 2 kann der nicht ver- brauchte Teil des Anodenbetriebsmediums rezirkuliert oder durch ein zweites Ventil 1 1 an die Umgebung abgegeben werden. On the anode side there is a memory 8 for the anode operating medium, usually hydrogen, which can be supplied to the anode compartments of the fuel cell stack 2 via an anode supply line 9. A first valve 10 is arranged in the anode supply line 9 in order to influence the volume flow of the anode operating medium. After passing through the anode compartments and leaving the fuel cell stack 2, the unused part of the anode operating medium can be recirculated or released to the environment through a second valve 11.
Mit dieser Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist es möglich, beim Start der Brenn- stoffzellenvorrichtung 1 zunächst das in dem Anodenkreislauf des Brennstoff- zellenstapels 2 präsente Gas oder Gasgemisch für ein Zeitintervall zu rezirku- lieren, wobei infolge der Rezirkulation das in dem Flussfeld des Anodenkreis- laufes kondensierte Wasser verteilt wird, wobei die Länge des Zeitintervalls bestimmt ist durch die Dauer, die benötigt wird, um diese Verteilung des kon- densierten Wassers im Flussfeld des Anodenkreislaufes zu erzielen. Erfah- rungswerte zeigen dabei, dass eine Dauer der Rezirkulation zwischen 1 Se- kunden und 15 Sekunden und insbesondere zwischen 5 Sekunden und 10 Sekunden ausreicht, um eine angemessene homogene Verteilung des kon- densierten Wassers im Flussfeld des Anodenkreislaufes zu erzielen, also in
einzelnen Kanälen des Flussfeldes vorliegende Tröpfchen zu zerstäuben und die Summe der vorliegenden Tropfen in unterschiedlichen Kanälen des Fluss- feldes gleichmäßig über alle Kanäle zu verteilen. With this fuel cell device 1 it is possible, when starting the fuel cell device 1, to recirculate the gas or gas mixture present in the anode circuit of the fuel cell stack 2 for a time interval, the condensation in the flow field of the anode circuit due to the recirculation Water is distributed, the length of the time interval being determined by the time it takes to achieve this distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit. Experience shows that a period of recirculation between 1 second and 15 seconds and in particular between 5 seconds and 10 seconds is sufficient to achieve an adequate homogeneous distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit, ie in atomize droplets of individual channels of the river field and distribute the sum of the drops present in different channels of the river field evenly over all channels.
Dabei ist zu beachten, dass zur Bereitstellung einer geschlossenen Rezirku- lationsleitung in dem Anodenkreislauf die diesem zugeordneten Ventile 10, 1 1 geschlossen sind, wobei ein Aktor 12 zum Umwälzen des Gases oder Gasge- misches in der Rezirkulationsleitung aktiviert ist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktor 12 durch ein Rezirkulationsge- bläse 13 gebildet, das kontinuierlich betrieben wird, wobei der Leistungsbedarf des Rezirkulationsgebläses 13 als Kriterium für das Erreichen einer homoge- nen Verteilung des kondensierten Wassers im Flussfeld des Anodenkreislau- fes genutzt werden kann, also eine Alternative zur modell- oder erfahrungsba- sierten Bestimmung der Dauer der Rezirkulation durch eine Messung möglich ist. It should be noted that in order to provide a closed recirculation line in the anode circuit, the valves 10, 11 assigned to it are closed, an actuator 12 for circulating the gas or gas mixture in the recirculation line being activated. In the exemplary embodiment shown in the drawing, the actuator 12 is formed by a recirculation fan 13 which is operated continuously, the power requirement of the recirculation fan 13 being used as a criterion for achieving a homogeneous distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit can become an alternative to a model or experience-based determination of the duration of the recirculation by means of a measurement.
Mit einer derartigen Betriebsweise der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vor deren Start ist die Möglichkeit gegeben, Schädigungen durch einen Luft-Luft-Start zu vermindern, so dass dieses Verfahren immer dann Anwendung findet, wenn derartige Schädigungen drohen. Ist die Wasserstoffschutzzeit der Brennstoff- zellenvorrichtung 1 noch nicht überschritten, also die Voraussetzungen für ei- nen Luft-Luft-Start nicht gegeben, so besteht die Möglichkeit, die Dauer des Zeitintervalls auf null zu setzen, so dass im Rahmen des Verfahrens dann nur die Analyse des Startzustandes erfolgt. With such a mode of operation of the fuel cell device 1 before it is started, there is the possibility of reducing damage by an air-air start, so that this method is always used when such damage threatens. If the hydrogen protection time of the fuel cell device 1 has not yet been exceeded, that is to say the requirements for an air-air start have not been met, it is possible to set the duration of the time interval to zero, so that in the course of the method only that Analysis of the start status is carried out.
Bei einem drohenden Froststart besteht weiterhin die Möglichkeit, die Initiie- rung der Rezirkulation lange vor der Einleitung des Brennstoffes zu bewirken, nämlich bei dem Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 als Frost-Vorkon- ditionierung und/oder vor dem Einfrieren des Brennstoffzellenstapels 2. Die Bedingung, dass die Rezirkulation vor der Einleitung des Brennstoffes durch die Anodenzufuhrleitung erfolgen soll, ist also weit auszulegen und der zeitli che Abstand zwischen dem Ende der Rezirkulation und dem Einleiten des Brennstoffes ist lediglich dadurch begrenzt, dass der durch die Rezirkulation
bewirkte Effekt der homogenen Verteilung kondensierten Wassers noch ge- geben sein muss. If there is an impending frost start, there is still the possibility of initiating the recirculation long before the fuel is introduced, namely when the fuel cell device 1 is switched off as frost preconditioning and / or before the fuel cell stack 2 freezes. The fact that the recirculation should take place before the fuel is introduced through the anode supply line is to be interpreted broadly and the time interval between the end of the recirculation and the introduction of the fuel is only limited by the fact that the recirculation effect of the homogeneous distribution of condensed water must still exist.
Das vorstehend geschilderte Verfahren benötigt nur wenig Zeit, gleichwohl ist es möglich, bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtungen 1 dieses Verfahren für den Nutzer des Kraftfahrzeuges unmerklich stattfinden zu lassen, wenn das Verfahren initiiert wird, sobald durch das Steuerungssys- tem zur Fahrzeugelektronik die zu erwartende Leistungsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung 1 erkannt wird, beispielsweise durch das Öffnen der Fahrertür, das Betätigen des Gurtschlosses, oder, bei Flybridfahrzeugen, das batterieelektrische Anfahren.
The above-described method requires only little time, but it is possible for a motor vehicle with a fuel cell device 1 to allow this method to be carried out imperceptibly for the user of the motor vehicle if the method is initiated as soon as the control system for the vehicle electronics expects what is to be expected Power requirement on the fuel cell device 1 is detected, for example by opening the driver's door, operating the belt buckle, or, in the case of flybrid vehicles, battery-electric starting.
BEZUGSZEICHENLISTE: LIST OF REFERENCE NUMBERS:
1 Brennstoffzellenvorrichtung 1 fuel cell device
2 Brennstoffzellenstapel 2 fuel cell stacks
3 Verdichter 3 compressors
4 Ladeluftkühler 4 intercoolers
5 Befeuchter 5 humidifiers
6 Kathodenzuluftleitung 6 cathode supply line
7 Kathodenabluftleitung 7 cathode exhaust line
8 Speicher 8 memories
9 Anodenzufuhrleitung 9 anode feed line
10 Ventil 10 valve
1 1 zweites Ventil 1 1 second valve
12 Aktor 12 actuator
13 Rezirkulationsgebläse
13 recirculation blowers
Claims
1. Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung (1 ), umfas- send den Schritt einer Rezirkulation des in einem Anodenkreislauf ei- nes Brennstoffzellenstapels (2) der Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) prä- senten Gases oder Gasgemisches für ein Zeitintervall vor einer Einlei tung von Brennstoff durch eine Anodenzufuhrleitung (9) in den Brenn- stoffzellenstapel (2), wobei eine Länge des Zeitintervalls bestimmt ist durch eine Dauer der Verteilung kondensierten Wassers in einem Ka- näle aufweisenden Flussfeld des Anodenkreislaufes. 1. A method for starting a fuel cell device (1), comprising the step of recirculating the gas or gas mixture present in an anode circuit of a fuel cell stack (2) of the fuel cell device (1) for a time interval before the introduction of fuel an anode feed line (9) in the fuel cell stack (2), a length of the time interval being determined by a duration of the distribution of condensed water in a flow field of the anode circuit having channels.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rezir- kulation erst beendet wird, wenn eine homogene Verteilung des kon- densierten Wassers in den Kanälen des Flussfeldes erreicht ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the recirculation is only ended when a homogeneous distribution of the condensed water is achieved in the channels of the river field.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Rezirkulation modell- oder erfahrungsbasiert bestimmt ist auf eine Dauer zwischen 1 Sekunden und 15 Sekunden, und insbesondere auf eine Dauer zwischen 5 Sekunden und 10 Sekunden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of the recirculation is determined based on a model or experience to a duration between 1 seconds and 15 seconds, and in particular to a duration between 5 seconds and 10 seconds.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer geschlossenen Rezirkulationsleitung in dem Anodenkreislauf diesem zugeordnete Ventile (10, 11 ) geschlossen sind, und dass ein Aktor (12) zum Umwälzen des Gases oder Gasge- misches in der Rezirkulationsleitung aktiviert ist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in order to provide a closed recirculation line in the anode circuit, associated valves (10, 11) are closed, and that an actuator (12) for circulating the gas or gas mixture in the recirculation line is activated.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (12) durch ein Rezirkulationsgebläse (13) gebildet ist. 5. The method according to claim 4, characterized in that the actuator (12) is formed by a recirculation fan (13).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezir- kulationsgebläse (13) kontinuierlich betrieben wird, und dass ein Leis- tungsbedarf des Rezirkulationsgebläses (13) als Kriterium für das Er- reichen einer homogenen Verteilung des kondensierten Wassers im Flussfeld des Anodenkreislaufes genutzt wird.
6. The method according to claim 5, characterized in that the recirculation blower (13) is operated continuously, and that a power requirement of the recirculation blower (13) as a criterion for achieving a homogeneous distribution of the condensed water in the flow field of the anode circuit is being used.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Brennstoffzellenvorrichtungen (1 ) mit verzögerter Diffusion von Luft in den Anodenkreislauf durch Einsatz von Maßnahmen zur Er- höhung der Wasserstoffschutzzeit vor der Initiierung der Rezirkulation eine Analyse eines Startzustandes der Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) erfolgt und die Länge des Zeitintervalls für die Rezirkulation durch das Ergebnis der Analyse bestimmt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the case of fuel cell devices (1) with delayed diffusion of air into the anode circuit by using measures to increase the hydrogen protection time before initiating the recirculation, an analysis of a starting state of the fuel cell device ( 1) and the length of the time interval for the recirculation is determined by the result of the analysis.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem drohenden Froststart der Brennstoffzellenvorrichtung8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in the event of an impending frost start of the fuel cell device
(1 ) die Initiierung der Rezirkulation lange vor der Einleitung des Brenn- stoffes erfolgt, nämlich bei einem Abstellen der Brennstoffzellenvorrich- tung (1 ) als Frost-Vorkonditionierung und/oder vor einem Einfrieren des Brennstoffzellenstapels (2). (1) The recirculation is initiated long before the fuel is introduced, namely when the fuel cell device (1) is switched off as frost preconditioning and / or before the fuel cell stack (2) freezes.
9. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1 ), dadurch ge- kennzeichnet, dass dieses ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu initiieren, sobald durch ein Steuerungssystem ei- ner Fahrzeugelektronik eine zu erwartende Leistungsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) erkannt wird. 9. Motor vehicle with a fuel cell device (1), characterized in that it is designed to initiate the method according to one of claims 1 to 8 as soon as an expected power request to the fuel cell device (1) by a control system of vehicle electronics. is recognized.
10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als die zu erwartende Leistungsanforderung ein Öffnen einer Tür, ein Betäti gen eines Gurtschlosses, oder, bei Hybrid-Kraftfahrzeugen, ein batte- rieelektrisches Anfahren gewertet wird.
10. Motor vehicle according to claim 9, characterized in that an opening of a door, an actuation of a belt buckle or, in the case of hybrid motor vehicles, a battery-electric starting is evaluated as the expected power requirement.
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