WO2022006606A1 - Method for controlling moisture of a pem fuel cell system of a motor vehicle - Google Patents

Method for controlling moisture of a pem fuel cell system of a motor vehicle Download PDF

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WO2022006606A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for regulating humidity in a PEM fuel cell system, in particular a cathode section of a PEM fuel cell system, of a motor vehicle, with a cathode mass flow being regulated.
  • the invention further relates to a PEM fuel cell system which is designed to carry out such a method.
  • the invention relates to the use of such a PEM fuel cell system.
  • PEM fuel cell systems and their use in motor vehicles are known from the prior art. It is also known that in such fuel cell systems, moisture plays an important role in controlling and regulating the same. In particular, the sensitive membranes between the anode side and the cathode side in a fuel cell stack should not fall below a defined humidity level. At the same time, however, the moisture within the fuel cell stack must not exceed a certain maximum value in order to avoid an undesirably high level of condensation water in the fuel cell stack and thus flooding of the same.
  • the fuel cells will dry out. If a motor vehicle is operated for a long period of time in a minimum load operation or idle (ie with only 10% to 20% of a possible maximum load), a larger amount of air must be directed to the cathode in order to still ensure the chemical reactions in the fuel cell stack. However, this leads to the membranes of the fuel cells drying out or the moisture in the fuel cells being reduced. However, such an increase in the air mass flow is necessary in order to get water droplets, which arise during the reaction in the fuel cell stack, out of a cathode section of the fuel cell stack, so that flooding of the fuel cell stack is avoided.
  • a cathode stoichiometry is increased when the vehicle is operated in the minimum load range.
  • an increase in the cathode stoichiometry leads to a reduction in cell moisture, which subsequently leads to degradation of the fuel cell stack.
  • the object of the invention is to specify a particularly efficient method for controlling humidity in a PEM fuel cell system of a motor vehicle during long-lasting minimum load operation, in particular degradation of individual components of the fuel cell system and/or the fuel cell stack being at least reduced.
  • Another goal is to specify a PEM fuel cell system which is designed to carry out such a method.
  • a further goal is to specify the use of such a fuel cell system.
  • the object is achieved in that, in a method of the type mentioned at the outset, a cathode mass flow is reduced when the motor vehicle is operated in a minimum load range for a predetermined period of time.
  • the method according to the invention consequently regulates in particular a cathode section of the PEM fuel cell system.
  • a cathode section air is conducted to a cathode of the fuel cell stack where it chemically reacts with fuel conducted in the anode section.
  • fuel PEM fuel cell system uses gaseous hydrogen. Lines and elements downstream of the fuel cell stack can also belong to the cathode section and the anode section of the fuel cell system.
  • the mass flow of the cathode is generally understood to be the mass of air moving to the cathode section per unit of time.
  • an air conveying device such as a compressor and/or a turbine is provided in particular, it also being possible for a fan to be arranged as an alternative.
  • the air conveying device is arranged in particular upstream of a fuel cell stack.
  • the settings of the compressor and/or the turbine or the blower, in particular are then changed, in particular their speed. These changes are specified in particular by a control device which is arranged in the motor vehicle.
  • a minimum load range is understood to mean use between 0% and 20% of an available maximum load. This means much less current is drawn from the fuel cell than would be possible.
  • an increase in cathode stoichiometry is dispensed with within the scope of the invention. At constant current, a cathode stoichiometry changes in proportion to the change in the cathode mass flow.
  • the minimum load range is also to be understood as a range which is subject to a requirement for stable operation of the fuel cell system. The minimum load range is preferably operated as described with a low but at least approximately constant load.
  • a cell voltage is measured.
  • a CVM method Cell Voltage Monitoring
  • each individual cell is preferably connected to a sensor for determining a cell voltage.
  • the voltage of cells is measured in pairs rather than the voltage of each individual cell, or if, for example, a voltage of four or five cells is determined together. If the voltage of more than measured together in one cell, the difference between them is then calculated.
  • a DC/DC converter which outputs voltage values, is arranged downstream of the fuel cell stack. In principle, it is also possible to determine a cell voltage via THDA.
  • a cell voltage is particularly preferably also measured, in particular continuously, over a period of time. If this cell voltage changes frequently within a short time and a difference or a difference between a maximum voltage and a minimum voltage is greater than a predetermined value, for example 10 mV, the cathode side is flushed with air in particular.
  • a predetermined value for example 10 mV
  • the difference between a maximum voltage and a minimum voltage or between a mean value of a voltage and a minimum voltage is a good indicator of whether a fuel cell stack is flooded, i.e. whether there is too much water in it Fuel cell stack is.
  • the minimum load range is smaller than a minimum load range required for stable operation of the fuel cell system.
  • the mass flow is reduced until the minimum load range is smaller than would be necessary for stable operation of the fuel cell system.
  • the fuel cell system is thus intentionally placed in an unstable state, which is monitored in particular by measuring the cell voltage.
  • a cathode mass flow is increased as soon as the cell voltage, in particular a difference between a maximum cell voltage and a minimum cell voltage, exceeds a predetermined limit value.
  • An increase in the cathode mass flow again results in an increase in the cathode stoichiometry and is achieved in particular by changes to the air conveying device.
  • a compressor is preferably started up briefly, for example for about one second, so that more air is conveyed through the cathode section. This flushes water or accumulated liquid droplets from the cathode. In principle, it can also be provided that the compressor is briefly accelerated several times in succession.
  • the cathode mass By rinsing the cathode, the water that has accumulated there or floods the cathode is removed from the cathode.
  • the cathode mass it is also possible to use the cathode mass to increase current when a predetermined period of time in the minimum load range is exceeded.
  • the compressor is started up when either the time (for example 1 second) is exceeded or, preferably, when the difference between the maximum voltage and the minimum voltage falls below the specified limit value again.
  • Another possibility is to open the stack bypass valve, in particular to increase the cathode mass flow, and to close it again when the mass flow increases.
  • the fuel cell system which is operated in an unstable state (minimum load range), is advantageously brought back into a non-critical state by a countermeasure in good time before it collapses.
  • a cathode mass flow is increased for this purpose, as a result of which the cathode is flushed or “purged” with air.
  • drops of liquid in particular are removed from the cathode.
  • a supplied air mass flow changes dynamically in this process, in which the fuel cell system is operated in a constant minimum load range.
  • the mass flow preferably pulsates.
  • the specified limit value is determined in advance on a test stand.
  • the connection between the cell voltage, in particular between a large difference between a maximum voltage and a minimum voltage or an average value and a minimum voltage and flooding of the fuel cell stack were determined on the test bench. If the cathode is flushed due to a time specification, this time value is also determined in advance on the test bench.
  • the increase in the cathode mass flow is ended as soon as the cell voltage falls below the predetermined limit value again.
  • the air purge of the cathode is then terminated since the water has been removed from the cathode and a desired humidity is restored. It is advantageous if the entire vehicle or at least the fuel cell system is calibrated in advance on a test bench. This is particularly favorable in order to obtain empirical values.
  • a pressure at a cathode inlet and a pressure at a cathode outlet are determined and a pressure difference is calculated.
  • a pressure sensor is arranged in particular upstream of the fuel cell stack.
  • a pressure sensor can also be provided downstream of the fuel cell stack, a mass flow is preferably measured at this point, from which a pressure is determined.
  • a predetermined pressure difference between a cathode inlet and a cathode outlet is necessary.
  • the PEM fuel cell system of the type mentioned at the outset comprises at least one fuel cell stack, an anode section and a cathode section with an air conveying device.
  • the inventions to the invention PEM fuel cell system has at least one fuel cell stack with several 100 individual fuel cells comprising a cathode and an anode section. Furthermore, an anode feed section for introducing anode feed gas (hydrogen) into the anode section of the fuel cell stack and a cathode feed section for introducing cathode feed gas (air) into the cathode section are advantageously provided.
  • the air conveying device is designed in particular as a special compressor.
  • Spent anode off-gas is preferably discharged via an anode discharge section and runs through a water separator.
  • the anode waste gas can also be recirculated via a passive recirculation device, for example in the form of an ejector device.
  • the water separator can also be used in recirculation be arranged onsabbald or in the anode feed section downstream of the Ejektorvorrich device.
  • a compressor for promoting Ka method gas (air) is advantageously provided.
  • Such a PEM fuel cell system is advantageously used in a motor vehicle.
  • the motor vehicle can be a car, but it is advantageous if the motor vehicle is a truck, bus or the like.
  • FIG 3 shows a schematic comparison between a further effect of a method according to the invention and the prior art.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention.
  • a cell voltage is plotted over time, in the middle the curve of a cathode stoichiometry and in the lower area a curve of a voltage difference over time.
  • a diagram of an operation of a vehicle with a PEM fuel cell system in a minimum load operation is shown. It can be seen that a cell voltage in the minimum load range steadily decreases until a cathode stoichiometry is increased. The decrease in cell voltage increases the amount of air required, which subsequently leads to the cells drying out. The decrease in cell voltage therefore leads to an increase in cathode stoichiometry.
  • the cathode stoichiometry is reduced to a minimum level in such a long-lasting minimum load range in order to prevent the cells from drying out.
  • water droplets can no longer be pumped out of the cells and there is a risk of the fuel cell stack being flooded.
  • a cell voltage is monitored. It was found that the difference between a maximum voltage and a minimum voltage or between a mean value of a voltage and a minimum voltage (or generally a variance) is a good indicator of whether a fuel cell stack is flooded, i.e. whether too much water is ser in the fuel cell stack. Voltage values are therefore used as a reference for humidity or wetness in the cathode section.
  • a cathode stoichiometry is changed for a short time in the range of one or more seconds in such a way that an air mass flow is increased, as a result of which water droplets are removed from the cathode. This can be seen in the right part of FIG.
  • the fuel cell stack current remains essentially constant.
  • FIG. 2 and 3 each show an advantage achieved by the method according to the invention.
  • the left part of FIG. 2 shows a development of a relative humidity in the case of methods known from the prior art and the development of relative humidity in the case of the method according to the invention is shown on the right-hand side. It is clear that the relative humidity in the fuel cell stack remains essentially constant over a long period of time as a result of the method steps according to the invention.
  • 3 again shows a development of a system output power from the prior art on the left and one in the method according to the invention on the right. It can be seen that the system output power is increased by up to 6% by the method according to the invention.

Abstract

The invention relates to a method for controlling moisture of a PEM fuel cell system, in particular of a cathode portion of a PEM fuel cell system, of a motor vehicle, wherein a cathode mass flow is controlled, characterised in that a cathode mass flow is reduced when the motor vehicle is operated in a minimum load range over a predetermined time period. The invention also relates to a PEM fuel cell system and to the use of such a PEM fuel cell system.

Description

Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeuges Method for controlling the humidity of a PEM fuel cell system in a motor vehicle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM- Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kathodenabschnittes eines PEM- Brennstoffzellensystems, eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Kathodenmassenstrom geregelt wird. The invention relates to a method for regulating humidity in a PEM fuel cell system, in particular a cathode section of a PEM fuel cell system, of a motor vehicle, with a cathode mass flow being regulated.
Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchfüh rung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist. The invention further relates to a PEM fuel cell system which is designed to carry out such a method.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen PEM- Brennstoffzellensystems. In addition, the invention relates to the use of such a PEM fuel cell system.
PEM-Brennstoffzellensysteme und deren Verwendung in Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter ist es bekannt, dass in solchen Brennstoff zellensystemen die Feuchtigkeit eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle und Rege lung derselben spielt. Dabei handelt es sich insbesondere darum, dass die empfindli chen Membranen zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite in einem Brenn stoffzellenstapel eine definierte Feuchtigkeit nicht unterschreiten sollen. Gleichzeitig darf die Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels jedoch auch einen be stimmten Maximalwert nicht überschreiten, um ein unerwünscht hohes Maß an Kon- denswasser im Brennstoffzellenstapel und somit ein Fluten desselben zu vermeiden.PEM fuel cell systems and their use in motor vehicles are known from the prior art. It is also known that in such fuel cell systems, moisture plays an important role in controlling and regulating the same. In particular, the sensitive membranes between the anode side and the cathode side in a fuel cell stack should not fall below a defined humidity level. At the same time, however, the moisture within the fuel cell stack must not exceed a certain maximum value in order to avoid an undesirably high level of condensation water in the fuel cell stack and thus flooding of the same.
Ist eine Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges mit dem Brennstoffzellensystem über eine längere Zeit zu niedrig, trocknen die Brennstoffzellen aus. Wenn ein Kraft fahrzeug über eine lange Zeitdauer in einem Minimallastbetrieb oder Leerlauf (d. h. mit nur 10 % bis 20 % einer möglichen Maximallast) betrieben wird, muss eine grö ßere Menge an Luft zur Kathode geleitet werden, um die chemischen Reaktionen im Brennstoffzellenstapel noch sicherzustellen. Dies führt jedoch dazu, dass die Memb ranen der Brennstoffzellen austrocken bzw. eine Feuchtigkeit der Brennstoffzellen herabgesetzt wird. Ein solche Erhöhung des Luftmassenstroms ist allerdings not wendig, um Wassertropfen, welche bei der Reaktion im Brennstoffzellenstapel ent stehen, aus einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels rauszubekommen, damit ein Fluten des Brennstoffzellenstapels vermieden wird. Um solche Wassertrop fen aus der Kathode zu entfernen, ist ein gewisser Druckunterschied zwischen einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang notwendig, weshalb eine Katho- denstöchiometrie erhöht wird, wenn das Fahrzeug im Minimallastbereich betrieben wird. Eine Erhöhung der Kathodenstöchiometrie führt wie oben ausgeführt zu einer Reduzierung einer Zellfeuchte, was in weiterer Folge zu einer Degradation des Brennstoffzellenstapels führt. If the power requirement of the motor vehicle with the fuel cell system is too low over a longer period of time, the fuel cells will dry out. If a motor vehicle is operated for a long period of time in a minimum load operation or idle (ie with only 10% to 20% of a possible maximum load), a larger amount of air must be directed to the cathode in order to still ensure the chemical reactions in the fuel cell stack. However, this leads to the membranes of the fuel cells drying out or the moisture in the fuel cells being reduced. However, such an increase in the air mass flow is necessary in order to get water droplets, which arise during the reaction in the fuel cell stack, out of a cathode section of the fuel cell stack, so that flooding of the fuel cell stack is avoided. In order to remove such water drops from the cathode, a certain pressure difference between a cathode inlet and a cathode outlet is necessary, which is why a cathode stoichiometry is increased when the vehicle is operated in the minimum load range. As explained above, an increase in the cathode stoichiometry leads to a reduction in cell moisture, which subsequently leads to degradation of the fuel cell stack.
Um dem entgegenzuwirken ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das Kraft fahrzeug bei einem Betrieb desselben im Minimallastbereich in einen sogenannten Stand-By-Betrieb zu versetzten und eine Luftzuführung zur Kathode im Minimallast betrieb zur Gänze zu stoppen, wenn eine Erhöhung eines Wassergehaltes in den Brennstoffzellen festgestellt wird, sodass chemische Reaktion im Brennstoffzellen stapel unterbrochen werden und den dort vorhandenen Sauerstoff noch chemisch umgesetzt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zum Stoppen einer Luftzufuhr in der Regel eine Luftfördereinrichtung ausgeschalten werden muss, was sich wiede rum auf die Lebensdauer der Luftfördereinrichtung auswirkt bzw. zumindest zeitin tensiv ist. Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders effizientes Verfahren für eine Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM- Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges bei einem lang anhaltenden Minimal lastbetrieb anzugeben, wobei insbesondere eine Degradation einzelner Komponen ten des Brennstoffzellensystems und/oder des Brennstoffzellenstapels zumindest herabgesetzt wird. In order to counteract this, it is known from the prior art to put the motor vehicle into a so-called stand-by mode when it is being operated in the minimum load range and to completely stop the air supply to the cathode in minimum load operation if an increase in the water content in is detected in the fuel cells, so that chemical reactions in the fuel cell stack are interrupted and the oxygen present there is still chemically converted. However, this has the disadvantage that, as a rule, an air conveying device has to be switched off in order to stop an air supply, which in turn affects the service life of the air conveying device or is at least time-consuming. This is where the invention comes in. The object of the invention is to specify a particularly efficient method for controlling humidity in a PEM fuel cell system of a motor vehicle during long-lasting minimum load operation, in particular degradation of individual components of the fuel cell system and/or the fuel cell stack being at least reduced.
Weiter ist es ein Ziel ein PEM-Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist. Another goal is to specify a PEM fuel cell system which is designed to carry out such a method.
Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems an zugeben. A further goal is to specify the use of such a fuel cell system.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ein Kathodenmassenstrom reduziert wird, wenn das Kraftfahrzeug über eine vor bestimmte Zeitdauer in einem Minimallastbereich betrieben wird. The object is achieved in that, in a method of the type mentioned at the outset, a cathode mass flow is reduced when the motor vehicle is operated in a minimum load range for a predetermined period of time.
Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass keine vollständige Unterbrechung der Luftzufuhr zur Kathode notwendig und/oder vorgesehen ist.An advantage achieved in this way can be seen in particular in the fact that no complete interruption of the air supply to the cathode is necessary and/or provided.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird folglich insbesondere ein Kathodenab schnitt des PEM-Brennstoffzellensystems geregelt. Im Kathodenabschnitt wird Luft zu einer Kathode des Brennstoffzellenstapels geführt, wo diese mit Brennstoff, wel cher im Anodenabschnitt geführt wird, chemisch reagiert. Als Brennstoff wird im PEM-Brennstoffzellensystem gasförmiger Wasserstoff verwendet. Auch Leitungen und Elemente stromabwärts des Brennstoffzellenstapels können zum Kathodenab schnitt bzw. zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems gehören. Als Katho denmassenstrom wird in der Regel die Masse an Luft, welche sich pro Zeiteinheit zum Kathodenabschnitt bewegt, verstanden. Zur Förderung der Luft zum Kathoden abschnitt des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere eine Luftfördereinrichtung wie ein Kompressor und/oder eine Turbine vorgesehen, wobei alternativ auch ein Geblä se angeordnet sein kann. Die Luftfördereinrichtung ist insbesondere stromaufwärts eines Brennstoffzellenstapels angeordnet. Zur Reduzierung des Kathodenmassen stroms werden dann insbesondere Einstellungen des Kompressors und/oder der Turbine bzw. des Gebläses geändert, insbesondere deren Geschwindigkeit. Diese Änderungen werden insbesondere von einer Steuereinrichtung, welche im Kraftfahr zeug angeordnet ist, vorgegeben. The method according to the invention consequently regulates in particular a cathode section of the PEM fuel cell system. In the cathode section, air is conducted to a cathode of the fuel cell stack where it chemically reacts with fuel conducted in the anode section. As fuel, PEM fuel cell system uses gaseous hydrogen. Lines and elements downstream of the fuel cell stack can also belong to the cathode section and the anode section of the fuel cell system. The mass flow of the cathode is generally understood to be the mass of air moving to the cathode section per unit of time. In order to convey the air to the cathode section of the fuel cell stack, an air conveying device such as a compressor and/or a turbine is provided in particular, it also being possible for a fan to be arranged as an alternative. The air conveying device is arranged in particular upstream of a fuel cell stack. In order to reduce the cathode mass flow, the settings of the compressor and/or the turbine or the blower, in particular, are then changed, in particular their speed. These changes are specified in particular by a control device which is arranged in the motor vehicle.
Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass bei einem etwa 11 Minuten an dauernden Betrieb im Minimallastbetrieb zwischen 10 % und 20 % einer Maximallast eine Systemleistung bei konstantem Strom um bis zu 540 Watt oder 6 % sinkt. In the context of the invention, it was found that with a continuous operation of approximately 11 minutes in minimum load operation between 10% and 20% of a maximum load, a system performance with a constant current drops by up to 540 watts or 6%.
Unter einem Minimallastbereich wird im Rahmen der Erfindung eine Verwendung zwischen 0 % und 20 % einer verfügbaren Maximallast verstanden. Das heißt, es wird viel weniger Strom von der Brennstoffzelle gezogen, als möglich wäre. Um eine relative Feuchte der Brennstoffzellen nicht absinken zu lassen, wird im Rahmen der Erfindung auf eine Erhöhung einer Kathodenstöchiometrie verzichtet. Eine Katho denstöchiometrie ändertet sich bei konstantem Strom proportional zur Änderung ei nes Kathodenmassenstroms. Grundsätzlich ist unter dem Minimallastbereich im Rahmen der Erfindung auch ein Bereich zu verstehen, welcher unter einer Anforde rung für einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems liegt. Bevorzugt wird der Minimallastbereich zwar wie beschrieben mit einer niedrigen, aber zumindest annäh rend konstanten Last betrieben. Within the scope of the invention, a minimum load range is understood to mean use between 0% and 20% of an available maximum load. This means much less current is drawn from the fuel cell than would be possible. In order not to allow the relative humidity of the fuel cells to drop, an increase in cathode stoichiometry is dispensed with within the scope of the invention. At constant current, a cathode stoichiometry changes in proportion to the change in the cathode mass flow. Basically, within the scope of the invention, the minimum load range is also to be understood as a range which is subject to a requirement for stable operation of the fuel cell system. The minimum load range is preferably operated as described with a low but at least approximately constant load.
Es ist von Vorteil, wenn eine Zellspannung gemessen wird. Hierfür wird insbesonde re ein CVM-Verfahren verwendet (Cell Voltage Monitoring), wofür bevorzugt jede einzelne Zelle mit einem Sensor zur Ermittlung einer Zellspannung verbunden wird. Es kann allerdings auch von Vorteil sein, wenn nicht die Spannung jeder einzelne Zelle, sondern Zellen paarweise vermessen oder beispielsweise eine Spannung von vier oder fünf Zellen gemeinsam ermittelt wird. Wird die Spannung von mehr als ei- ner Zelle gemeinsam gemessen, wird anschließend die Differenz davon gebildet. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein DC/DC-Wandler an geordnet, welcher Spannungswerte ausgibt. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine Zellspannung über THDA zu ermitteln. It is advantageous if a cell voltage is measured. For this purpose, a CVM method (Cell Voltage Monitoring) is used in particular, for which purpose each individual cell is preferably connected to a sensor for determining a cell voltage. However, it can also be advantageous if the voltage of cells is measured in pairs rather than the voltage of each individual cell, or if, for example, a voltage of four or five cells is determined together. If the voltage of more than measured together in one cell, the difference between them is then calculated. In particular, a DC/DC converter, which outputs voltage values, is arranged downstream of the fuel cell stack. In principle, it is also possible to determine a cell voltage via THDA.
Besonders bevorzugt wird eine Zellspannung insbesondere kontinuierlich über eine Zeit mitgemessen. Ändert sich diese Zellspannung innerhalb einer kurzen Zeit oft und ein Unterschied bzw. eine Differenz zwischen einer Maximalspannung und Mi nimalspannung ist größer als ein vorgegebener Wert, beispielsweise 10 mV, wird insbesondere ein Spülung der Kathodenseite mit Luft durchgeführt. Im Rahmen der Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass der Unterschied zwischen einer Maximalspannung und einer Minimalspannung oder zwischen einem Mittelwert einer Spannung und einer Minimalspannung (oder generell eine Varianz) ein guter Indikator dafür ist, ob ein Brennstoffzellenstapel geflutet wird, sprich ob zuviel Was ser im Brennstoffzellenstapel ist. A cell voltage is particularly preferably also measured, in particular continuously, over a period of time. If this cell voltage changes frequently within a short time and a difference or a difference between a maximum voltage and a minimum voltage is greater than a predetermined value, for example 10 mV, the cathode side is flushed with air in particular. In the context of the invention, it was surprisingly found that the difference between a maximum voltage and a minimum voltage or between a mean value of a voltage and a minimum voltage (or generally a variance) is a good indicator of whether a fuel cell stack is flooded, i.e. whether there is too much water in it Fuel cell stack is.
Bevorzugt ist es, wenn der Minimallastbereich kleiner ist als ein für einen stabilen Be trieb des Brennstoffzellensystem benötigter Minimallastbereich. Für ein Erreichen dieses Minimallastbereiches wird der Massenstrom so weit reduziert, bis der Mini mallastbereich kleiner ist als dieser für einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellen systems notwendig wäre. Das Brennstoffzellensystem wird also absichtlich in einen instabilen Zustand gebracht, welcher insbesondere über eine Messung der Zellspan nung überwacht wird. It is preferred if the minimum load range is smaller than a minimum load range required for stable operation of the fuel cell system. To reach this minimum load range, the mass flow is reduced until the minimum load range is smaller than would be necessary for stable operation of the fuel cell system. The fuel cell system is thus intentionally placed in an unstable state, which is monitored in particular by measuring the cell voltage.
Günstig ist es dabei, wenn ein Kathodenmassenstrom erhöht wird, sobald die Zellspannung, insbesondere eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung, einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Eine Er höhung des Kathodenmassenstroms hat wieder eine Erhöhung der Kathodenstöchi ometrie zur Folge und wird insbesondere durch Änderungen an der Luftfördereinrich tung erreicht. Bevorzugt wird hierfür ein Kompresser kurz, beispielsweise für etwa eine Sekunde hochgefahren, sodass mehr Luft durch den Kathodenabschnitt geför dert wird. Dadurch werden Wasser oder akkumulierte Flüssigkeitstropfen aus der Ka thode gespült. Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass der Kompressor mehrmals hintereinander kurz beschleunigt wird. Durch das Spülen der Kathode wird das Wasser, welches sich dort angesammelt hat bzw. die Kathode flutet, aus der Ka thode entfernt. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, den Kathodenmassen- ström zu erhöhen, wenn eine vorgegebene Zeitdauer im Minimallastbereich über schritten ist. Das Hochfahren des Kompressors wird beendet, wenn entweder die Zeit (beispielsweise 1 Sekunde) überschritten ist oder bevorzugt, wenn der Unter schied zwischen der Maximalspannung und der Minimalspannung den vorgegebe nen Grenzwert wieder unterschreitet. Eine weitere Möglichkeit ist es, das Stack By pass-Ventil zu öffnen, um insbesondere den Kathodenmassenstrom zu erhöhen und bei einer Erhöhung des Massenstroms wieder zu schließen. It is favorable here if a cathode mass flow is increased as soon as the cell voltage, in particular a difference between a maximum cell voltage and a minimum cell voltage, exceeds a predetermined limit value. An increase in the cathode mass flow again results in an increase in the cathode stoichiometry and is achieved in particular by changes to the air conveying device. For this purpose, a compressor is preferably started up briefly, for example for about one second, so that more air is conveyed through the cathode section. This flushes water or accumulated liquid droplets from the cathode. In principle, it can also be provided that the compressor is briefly accelerated several times in succession. By rinsing the cathode, the water that has accumulated there or floods the cathode is removed from the cathode. Alternatively or additionally, it is also possible to use the cathode mass to increase current when a predetermined period of time in the minimum load range is exceeded. The compressor is started up when either the time (for example 1 second) is exceeded or, preferably, when the difference between the maximum voltage and the minimum voltage falls below the specified limit value again. Another possibility is to open the stack bypass valve, in particular to increase the cathode mass flow, and to close it again when the mass flow increases.
Vorteilhaft wird das Brennstoffzellensystem, welches in einem instabilen Zustand (Minimallastbereich) betrieben wird, rechtzeitig bevor dieses kollabiert durch eine Gegenmaßnahme wieder in einem unkritischen Zustand überführt. Hierfür wird ins besondere ein Kathodenmassenstrom erhöht, wodurch die Kathode durch Luft ge spült bzw. „gepurged“ wird. Dadurch werden insbesondre Flüssigkeitstropfen aus der Kathode entfernt. The fuel cell system, which is operated in an unstable state (minimum load range), is advantageously brought back into a non-critical state by a countermeasure in good time before it collapses. In particular, a cathode mass flow is increased for this purpose, as a result of which the cathode is flushed or “purged” with air. As a result, drops of liquid in particular are removed from the cathode.
Sobald diese Schritte (Betreiben des Brennstoffzellensystems in einem kritischen Zustand, Erhöhen des Kathodenmassenstroms, um Brennstoffzellensystem wieder zu stabilisieren) abgeschlossen sind, wird der Vorgang wieder neu gestartet und das Brennstoffzellensystem in einem Minimallastbereich betrieben. Ein zugeführter Luft massenstrom ändert sich bei diesem Verfahren, in welchem das Brennstoffzellensys tem in einem konstanten Minimallastbereich betrieben wird, dynamisch. Der Mas senstrom pulsiert bevorzugt. As soon as these steps (operating the fuel cell system in a critical state, increasing the cathode mass flow in order to stabilize the fuel cell system again) are completed, the process is restarted and the fuel cell system is operated in a minimum load range. A supplied air mass flow changes dynamically in this process, in which the fuel cell system is operated in a constant minimum load range. The mass flow preferably pulsates.
Vorteilhaft ist es dabei weiter, wenn der vorgegebene Grenzwert vorab an einem Prüfstand ermittelt wird. Der Zusammenhang zwischen der Zellspannung, insbeson dere zwischen einer großen Differenz einer Maximalspannung und einer Minimal spannung oder eines Mittelwertes und einer Minimalspannung und einem Fluten des Brennstoffzellenstapels wurden am Prüfstand festgestellt. Wird die Kathode aufgrund einer Zeitvorgabe gespült, wird auch dieser Zeitwert vorab am Prüfstand ermittelt.It is also advantageous if the specified limit value is determined in advance on a test stand. The connection between the cell voltage, in particular between a large difference between a maximum voltage and a minimum voltage or an average value and a minimum voltage and flooding of the fuel cell stack were determined on the test bench. If the cathode is flushed due to a time specification, this time value is also determined in advance on the test bench.
Wenngleich es günstig sein kann, das Spülen zu beenden, wenn eine vorgegebene Zeitspanne erreicht ist, ist es von Vorteil, wenn die Erhöhung des Kathodenmassen stroms beendet wird, sobald die Zellspannung den vorgegebenen Grenzwert wieder unterschreitet. Das Spülen der Kathode durch Luft wird dann beendet, da das Was ser wieder aus der Kathode entfernt wurde und eine gewünschte Feuchtigkeit wieder hergestellt ist. Vorteilhaft ist es, wenn das gesamte Kraftfahrzeug oder zumindest das Brennstoffzellensystem vorab an einem Prüfstand kalibriert wird. Dies ist insbe sondere günstig, um Erfahrungswerte zu erhalten. Although it can be beneficial to end the rinsing when a predetermined period of time has been reached, it is advantageous if the increase in the cathode mass flow is ended as soon as the cell voltage falls below the predetermined limit value again. The air purge of the cathode is then terminated since the water has been removed from the cathode and a desired humidity is restored. It is advantageous if the entire vehicle or at least the fuel cell system is calibrated in advance on a test bench. This is particularly favorable in order to obtain empirical values.
Es ist zweckmäßig, wenn ein Druck an einem Kathodeneingang und ein Druck an einem Kathodenausgang bestimmt und eine Druckdifferenz berechnet wird. Hierfür ist insbesondere stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels ein Drucksensor ange ordnet. Wenngleich auch stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ein Drucksensor vorgesehen sein kann, wird an dieser Stelle bevorzugt ein Massenstrom gemessen, woraus ein Druck bestimmt wird. Um einen Kathodenmassenstrom zu erhöhen und/oder zu erniedrigen ist eine vorbestimmte Druckdifferenz zwischen einem Ka thodeneingang und einem Kathodenausgang notwendig. It is expedient if a pressure at a cathode inlet and a pressure at a cathode outlet are determined and a pressure difference is calculated. For this purpose, a pressure sensor is arranged in particular upstream of the fuel cell stack. Although a pressure sensor can also be provided downstream of the fuel cell stack, a mass flow is preferably measured at this point, from which a pressure is determined. In order to increase and/or decrease a cathode mass flow, a predetermined pressure difference between a cathode inlet and a cathode outlet is necessary.
Von Vorteil ist es, wenn während dem Minimallastbereich stets Luft zu einer Kathode geleitet wird. Das heißt, die Luftzufuhr wird nicht gestoppt, es wird nur der Massen strom reduziert. Eine Abschaltung der Luftfördereinrichtung ist nicht notwendig und ein sogenannter Stand-By- oder Stopp-Betrieb des Fahrzeuges ist nicht vorgesehen.It is advantageous if air is always directed to a cathode during the minimum load range. This means that the air supply is not stopped, only the mass flow is reduced. It is not necessary to switch off the air conveying device and there is no provision for so-called stand-by or stop operation of the vehicle.
Das weitere Ziel wird erreicht, wenn das PEM-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt mit einer Luftfördereinrichtung umfasst. The further objective is achieved when the PEM fuel cell system of the type mentioned at the outset comprises at least one fuel cell stack, an anode section and a cathode section with an air conveying device.
Damit ergeben sich die gleichen Vorteile, welche im Zusammenhang mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren ausführlich beschrieben worden sind. Alle diesbezügli chen Merkmale, Vorteile und Wirkungen gelten selbstverständlich auch im Zusam menhang mit dem erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzellensystem. Das erfin dungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellen stapel mit mehreren 100 einzelnen Brennstoffzellen umfassend einen Kathoden- und einen Anodenabschnitt auf. Weiter ist vorteilhaft ein Anodenzuführabschnitt zum Ein bringen von Anodenzuführgas (Wasserstoff) in den Anodenabschnitt des Brennstoff zellenstapels und ein Kathodenzuführabschnitt zum Einbringen von Kathodenzuführ- gas (Luft) in den Kathodenabschnitt vorgesehen. Die Luftfördereinrichtung ist insbe sondere als Kompressor ausgebildet. Verbrauchtes Anodenabgas wird bevorzugt über einen Anodenabführabschnitt abgeführt und läuft durch einen Wasserabschei der. Neben einer Abfuhr über ein sogenanntes Purgeventil an die Umgebung und/oder in den Kathodenabführabschnitt kann auch eine Rezirkulation des Ano denabgases über eine passive Rezirkulationsvorrichtung, beispielsweise in Form ei ner Ejektorvorrichtung, erfolgen. Der Wasserabscheider kann auch im Rezirkulati- onsabschnitt oder im Anodenzuführabschnitt stromabwärts der der Ejektorvorrich tung angeordnet sein. Weiter ist vorteilhaft ein Kompresser zur Förderung von Ka thodengas (Luft) vorgesehen. This results in the same advantages which have been described in detail in connection with the method according to the invention. All of these features, advantages and effects naturally also apply in connection with the PEM fuel cell system according to the invention. The inventions to the invention PEM fuel cell system has at least one fuel cell stack with several 100 individual fuel cells comprising a cathode and an anode section. Furthermore, an anode feed section for introducing anode feed gas (hydrogen) into the anode section of the fuel cell stack and a cathode feed section for introducing cathode feed gas (air) into the cathode section are advantageously provided. The air conveying device is designed in particular as a special compressor. Spent anode off-gas is preferably discharged via an anode discharge section and runs through a water separator. In addition to discharge via a so-called purge valve to the environment and/or into the cathode discharge section, the anode waste gas can also be recirculated via a passive recirculation device, for example in the form of an ejector device. The water separator can also be used in recirculation be arranged onsabschnitt or in the anode feed section downstream of the Ejektorvorrich device. Next, a compressor for promoting Ka method gas (air) is advantageously provided.
Eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil in einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann dabei ein PKW sein, vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Kraftfahrzeug ein LKW, Bus oder dergleichen ist. Such a PEM fuel cell system is advantageously used in a motor vehicle. The motor vehicle can be a car, but it is advantageous if the motor vehicle is a truck, bus or the like.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:Further advantages, features and details of the invention result from the following description in which an exemplary embodiment of the invention is described in detail with reference to the drawing. It shows schematically:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 shows a schematic representation of the method according to the invention;
Fig. 2 ein schematischer Vergleich zwischen einem Effekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dem Stand der Technik; 2 shows a schematic comparison between an effect of a method according to the invention and the prior art;
Fig. 3 ein schematischer Vergleich zwischen einem weiteren Effekt eines erfindungs gemäßen Verfahrens und dem Stand der Technik. 3 shows a schematic comparison between a further effect of a method according to the invention and the prior art.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im oberen Bereich der Figur ist eine Zellspannung über die Zeit aufgetragen, in der Mitte der Verlauf einer Kathodenstöchiometrie und im unteren Bereich ein Verlauf einer Spannungsdifferenz über die Zeit. Es ist ein Diagramm eines Betriebs eines Fahr zeuges mit einem PEM-Brennstoffzellensystem in einem Minimallastbetrieb darge stellt. Es ist ersichtlich, dass eine Zellspannung im Minimallastbereich solang stetig abnimmt, bis eine Kathodenstöchiometrie erhöht wird. Durch die Abnahme der Zellspannung wird eine benötigte Luftmenge erhöht, was in weiterer Folge zu einer Austrocknung der Zellen führt. Die Abnahme einer Zellspannung führt also zu einer Erhöhung der Kathodenstöchiometrie. Erfindungsgemäß wird in einem solchen lang andauerndernden Minimallastbereich die Kathodenstöchiometrie auf ein Minimalni veau reduziert, um eine Austrocknung der Zellen zu verhindern. Nun können Was sertropfen allerdings nicht mehr aus den Zellen gefördert werden und es droht eine Flutung des Brennstoffzellenstapels. Um diese vorzeitig erkennen zu können, wird eine Zellspannung überwacht. Es wurde festgestellt, dass die Differenz zwischen ei ner Maximalspannung und einer Minimalspannung oder zwischen einem Mittelwert einer Spannung und einer Minimalspannung (oder generell eine Varianz) ein guter Indikator dafür ist, ob ein Brennstoffzellenstapel geflutet wird, sprich ob zuviel Was- ser im Brennstoffzellenstapel ist. Es werden also Spannungswerte als Referenz für eine Feuchte bzw. Nässe im Kathodenabschnitt verwendet. Sobald die Spannungs differenz einen vorgegebenen Wert überschreiten wird für eine kurze Zeit im Bereich von einer oder mehreren Sekunden eine Kathodenstöchiometrie derart verändert, dass ein Luftmassenstrom erhöht wird, wodurch Wassertropfen aus der Kathode ent fernt werden. Die ist im rechten Teil der Fig. 1 ersichtlich. Der Brennstoffzellensta pelstrom bleibt dabei im Wesentlichen konstant. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention. In the upper area of the figure, a cell voltage is plotted over time, in the middle the curve of a cathode stoichiometry and in the lower area a curve of a voltage difference over time. A diagram of an operation of a vehicle with a PEM fuel cell system in a minimum load operation is shown. It can be seen that a cell voltage in the minimum load range steadily decreases until a cathode stoichiometry is increased. The decrease in cell voltage increases the amount of air required, which subsequently leads to the cells drying out. The decrease in cell voltage therefore leads to an increase in cathode stoichiometry. According to the invention, the cathode stoichiometry is reduced to a minimum level in such a long-lasting minimum load range in order to prevent the cells from drying out. Now, however, water droplets can no longer be pumped out of the cells and there is a risk of the fuel cell stack being flooded. In order to be able to recognize this early, a cell voltage is monitored. It was found that the difference between a maximum voltage and a minimum voltage or between a mean value of a voltage and a minimum voltage (or generally a variance) is a good indicator of whether a fuel cell stack is flooded, i.e. whether too much water is ser in the fuel cell stack. Voltage values are therefore used as a reference for humidity or wetness in the cathode section. As soon as the voltage difference exceeds a predetermined value, a cathode stoichiometry is changed for a short time in the range of one or more seconds in such a way that an air mass flow is increased, as a result of which water droplets are removed from the cathode. This can be seen in the right part of FIG. The fuel cell stack current remains essentially constant.
In Fig. 2 und 3 ist jeweils ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielter Vorteil gezeigt. In Fig. 2 ist im linken Teil eine Entwicklung einer relativen Feuchte bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und auf der rechten Seite die Entwick lung von relativer Feuchte beim erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Es ist er sichtlich, dass durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte die relative Feuchte im Brennstoffzellenstapel über eine lange Zeitdauer im Wesentlichen konstant bleibt. Fig. 3 zeigt wieder auf der linken Seite eine Entwicklung einer Systemausgangsleis tung aus dem Stand der Technik und rechts eine im erfindungsgemäßen Verfahren. Es ist ersichtlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Systemausgangs leistung um bis zu 6 % erhöht wird. 2 and 3 each show an advantage achieved by the method according to the invention. The left part of FIG. 2 shows a development of a relative humidity in the case of methods known from the prior art and the development of relative humidity in the case of the method according to the invention is shown on the right-hand side. It is clear that the relative humidity in the fuel cell stack remains essentially constant over a long period of time as a result of the method steps according to the invention. 3 again shows a development of a system output power from the prior art on the left and one in the method according to the invention on the right. It can be seen that the system output power is increased by up to 6% by the method according to the invention.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden zusammenfassend folgende Vortei le erreicht: In summary, the method according to the invention achieves the following advantages:
• Erhöhung einer relativen Feuchte um bis zu 10 % oder mehr; • Increase in relative humidity by up to 10% or more;
• Erhöhung einer Systemausgangsleistung im Minimallastbetrieb um bis zu 6 % oder mehr; • increase a system output power in minimum load operation by up to 6% or more;
• Weniger Austrocknung der Zellen. • Less dehydration of the cells.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM- Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kathodenabschnittes eines PEM-Brennstoffzellensystems, eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Kathoden massenstrom geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kathodenmas senstrom reduziert wird, wenn das Kraftfahrzeug über eine vorbestimmte Zeit dauer in einem Minimallastbereich betrieben wird. 1. A method for controlling humidity of a PEM fuel cell system, in particular a cathode section of a PEM fuel cell system, of a motor vehicle, wherein a cathode mass flow is controlled, characterized in that a cathode mass flow is reduced when the motor vehicle lasts for a predetermined period of time in a Minimum load range is operated.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Minimallastbe reich kleiner ist als ein für einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystem benötigter Minimallastbereich. 2. The method according to claim 1, characterized in that the minimum load range is smaller than a minimum load range required for stable operation of the fuel cell system.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zellspannung gemessen wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a cell voltage is measured.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kathoden massenstrom erhöht wird, sobald die Zellspannung, insbesondere eine Diffe renz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung, ei nen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. 4. The method according to claim 3, characterized in that a cathode mass flow is increased as soon as the cell voltage, in particular a difference between a maximum cell voltage and a minimum cell voltage, exceeds a predetermined limit value.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Grenzwert vorab an einem Prüfstand ermittelt wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that the predetermined limit value is determined in advance on a test bench.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhö hung des Kathodenmassenstroms beendet wird, sobald die Zellspannung den vorgegebenen Grenzwert wieder unterschreitet. 6. The method as claimed in claim 4 or 5, characterized in that the increase in the cathode mass flow is terminated as soon as the cell voltage falls below the predetermined limit value again.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck an einem Kathodeneingang und ein Druck an einem Kathodenaus gang bestimmt und eine Druckdifferenz berechnet wird. 7. The method as claimed in one of claims 1 to 6, characterized in that a pressure at a cathode inlet and a pressure at a cathode outlet are determined and a pressure difference is calculated.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Minimallastbereich stets Luft zu einer Kathode geleitet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that air is always directed to a cathode during the minimum load range.
9. PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das PEM-Brennstoffzellensystem zumindest einen Brennstoffzellensta- pel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt mit einer Luftförder einrichtung umfasst. 9. PEM fuel cell system, which is designed to carry out a method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the PEM fuel cell system has at least one fuel cell station pel, an anode section and a cathode section with an air conveying device.
10. Verwendung eines PEM-Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9 in einem Kraftfahrzeug. 10. Use of a PEM fuel cell system according to claim 9 in a motor vehicle.
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