WO2024079263A1 - Internal heating strategy for preventing ice bridges for an h2-recirculation blower in a fuel cell system - Google Patents

Internal heating strategy for preventing ice bridges for an h2-recirculation blower in a fuel cell system Download PDF

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WO2024079263A1
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fuel cell
recirculation fan
heat
heating device
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Matthias Deinert
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • Recirculation blowers are also referred to as anode recirculation blowers or ARB for short.
  • Recirculation fans are components of an anode subsystem of the fuel cell, which usually has a water separator upstream of the recirculation fan to separate the process water of the fuel cell.
  • recirculation blowers can also have an integrated water separator.
  • the combination of two water separators is intended to further increase the proportion of separated process water in order to pump as little water as possible to the fuel inlet through the recirculation blower.
  • process water Even if a large proportion of the process water can be separated in this way, a small amount of process water can still remain within the anode subsystem, for example in pipes or within the recirculation fan.
  • the remaining process water can freeze when the vehicle is parked and temperatures are below 0 °C and may block moving components or small channels in the fuel cell. Especially with the recirculation fan there is a risk that the remaining process water will form ice bridges.
  • Ice bridges are ice connections between two components caused by icing. Ice bridges are particularly problematic in components that have to move relative to each other during operation. Ice bridges can therefore mean that the recirculation fan cannot be controlled or rotated when starting.
  • a common and well-known position where ice bridges often form is a gap between a magnet pot of the recirculation fan and a gap pot of the recirculation fan. The formation of ice bridges at this point prevents a recirculation fan impeller from turning loose. If the torque of the recirculation fan is not sufficient to break the ice bridges, the recirculation fan cannot operate in this state.
  • the heat can be provided, for example, by additional heating cartridges, which can be installed in an impeller housing of the recirculation fan.
  • the heat can be provided by deliberately generating eddy current losses in the recirculation fan. It is also known to control the recirculation fan in a targeted manner to break off the ice bridges, for example by oscillating. All such devices and methods aim to remove the ice that is already present as part of a start-up process for the fuel cell.
  • a method for operating a fuel cell with a recirculation fan comprises:
  • the method is carried out before an ambient temperature of the motor vehicle reaches or falls below freezing point.
  • the heating device provides heat for evaporating the water.
  • providing heat to the recirculation fan can include, for example, providing heat to an outside of the recirculation fan and/or inside the recirculation fan.
  • the heat is preferably provided in such a way that the heat is supplied to process water collection points where process water collects in order to evaporate this process water in a targeted manner.
  • the heat is preferably provided in such a way that the recirculation fan or at least parts of the recirculation fan, in particular which are in contact with process water, are heated to a temperature of at least 100 °C.
  • the water is evaporated at the recirculation fan.
  • the water is therefore supplied with heat in such a way that it evaporates.
  • the predefined evaporation criterion is met, the heat supply for evaporating the water is stopped.
  • the evaporation criterion determines when the heat supply should stop.
  • the evaporation criterion can, for example, specify which amount of water should be safely evaporated or how high the proportion of evaporated water should be in relation to the total remaining amount of water before evaporation.
  • the evaporation criterion can, for example, specify that at least 95% of the remaining water must have evaporated.
  • Compliance with the evaporation criterion can be checked, for example, using characteristic maps, empirical values or the like. After the heat supply has ceased, there is only so much water left in or on the recirculation fan that there is no longer a risk of channels or rotating parts on the recirculation fan becoming blocked by frozen water, or the risk is only such that any ice that has formed can be easily removed by operating the recirculation fan and without any delay in the operation of the recirculation fan.
  • a method according to the invention for operating a fuel cell with a recirculation fan has the advantage over conventional methods that the extent of icing on the recirculation fan can be significantly reduced using simple means and in a cost-effective manner. If the method according to the invention is carried out accordingly, the formation of ice in the area of the recirculation fan can be completely prevented. This means that the fuel cell can be put back into operation without delay when the motor vehicle is started. Complex de-icing processes are no longer necessary.
  • the evaporation of the water has the further advantage that the fuel gas, such as hydrogen, conveyed to the fuel inlet via the recirculation fan contains no or only a very small amount of water.
  • a method can be provided for the heat to be provided while the fuel cell is inactive.
  • the method is preferably carried out immediately after the fuel cell is switched off.
  • switching off the fuel cell means putting the fuel cell into an inactive state.
  • no hydrogen is supplied to the fuel cell for combustion, so that no electrical current is generated and no process water is produced.
  • no oxygen is supplied to the fuel cell in the inactive state.
  • an electric motor of the recirculation fan is operated as a heating device for providing the heat for evaporating the water by specifically controlling the electric motor.
  • the electric motor is preferably controlled in such a way that the iron losses are particularly high. This can be done, for example, via voltage vectors of equal magnitude with a phase shift of 180°, with the voltages being provided at a predetermined frequency, so that a constant change in the flow direction of the magnetic field of the electric motor is thereby caused.
  • the control is preferably carried out in such a way that no rotating field is generated for rotating the rotor.
  • the targeted control of the electric motor causes the stator and/or the rotor of the electric motor to heat up, preferably to a temperature of over 100°C, so that the remaining process water is thereby evaporated.
  • This has the advantage that the heat for evaporating the water is provided using simple means and in a cost-effective manner. Additional heating devices are not required, so that the costs and weight of the fuel cell can be reduced.
  • the heating device is preferably arranged directly on the recirculation fan in order to heat the recirculation fan in a targeted manner.
  • the heating device can have, for example, a heat exchanger and/or a resistance heating element and/or a burner device or the like.
  • the heating device is preferably designed in such a way that the heating device can be controlled independently of the control of the recirculation fan. This means that the rotor of the recirculation fan can continue to operate when the heating device is activated, for example.
  • the heating device that can be controlled separately from the recirculation fan and the recirculation fan are preferably used as the heating device to provide the heat for evaporating the water, so that the dimensioning of the separately controllable heating device can be particularly cost-effective, space-saving and lightweight to provide the required heating energy.
  • This has the advantage that it can be achieved with simple means and in a A particularly efficient evaporation of water is achieved in a cost-effective manner.
  • a method can be provided in which the recirculation fan is operated in fan mode to remove the evaporated water. As the water evaporates, at least part of the evaporated water is removed from the fuel cell. In order to prevent the water from condensing again on the recirculation fan after the heat supply has ended, from depositing on the recirculation fan and from forming ice bridges in the event of frost, the recirculation fan is operated to transport the water out of the recirculation fan. This has the advantage that a particularly large proportion of the water can be removed from the fuel cell using simple means and in a cost-effective manner, thus significantly reducing the risk of ice bridges forming.
  • a specific time period for providing the heat to evaporate the water is used as the evaporation criterion. If the heating output of the heating device is known, it is easy to determine from experience, simulations, algorithms, characteristic maps or the like which amount of water has evaporated after a defined period of time with a defined heating output. By estimating the amount of water present before the heat is provided to evaporate the water, the time period after which the amount of water has evaporated can be determined. A safety factor can be used here so that a higher amount of water is assumed when determining the time period, for example. This ensures that the recirculation fan is also dry after the heat has been provided for the defined period of time.
  • an outside temperature and/or a temperature of the recirculation fan is taken into account here.
  • excessive heat provision can be avoided, so that the process can be carried out in a particularly energy-efficient manner.
  • the specific time period is determined as a function of a determined amount of water on the recirculation fan and/or an evaporation capacity of the heating device.
  • the amount of water can be determined, for example, by sensors, empirical values, operating data of the fuel cell, simulations, algorithms, characteristic maps or the like.
  • the evaporation capacity of the heating device can be determined, for example, via empirical values, simulations, algorithms, characteristic maps or the like.
  • the specific time period is preferably determined by determining the amount of water and the evaporation capacity.
  • the heating device is particularly preferably controlled by a fan control device of the recirculation fan and/or a central control device of the fuel cell to provide the heat for evaporating the water.
  • a heating device designed to be separately controllable from the recirculation fan is controlled by the fan control device or the central control device.
  • the recirculation fan can also be controlled as a heating device by the fan control device or the central control device.
  • Parallel controls of the recirculation fan and/or the separately designed heating device by the fan control device and the central control device can also be provided within the scope of the method. This has the advantage that reliable control of the heating device to provide the heat is ensured using simple means and in a cost-effective manner.
  • an outside temperature is determined in the area of the fuel cell, whereby the provision of heat for Evaporation of the water occurs specifically when the outside temperature falls below a temperature threshold.
  • the temperature threshold can be between 3 °C and 5 °C, for example. If the outside temperature is higher than the temperature threshold, no heat is provided to evaporate the water.
  • a current outside temperature and/or a forecast outside temperature i.e. an outside temperature expected in the future, can be used.
  • the value of the outside temperature can be determined, for example, using a temperature sensor in the vehicle. This has the advantage that a temperature to which the fuel cell is actually exposed is determined in this way.
  • the value of the outside temperature can be obtained from a server and based, for example, on weather data from a weather station.
  • the outside temperature can also be determined from a temperature forecast based on weather data or empirical values.
  • a current outside temperature can, for example, be greater than 5 °C, while an outside temperature of below 0 °C is forecast for a few hours later.
  • the temperature forecast can, for example, also be made taking empirical values into account. If the temperature in winter is around 6 °C at 4:00 p.m., it can be assumed that the outside temperature can fall below 0 °C by midnight.
  • the heat is preferably provided at a time when the recirculation fan is expected to have a maximum temperature, so that the amount of heat to be provided to evaporate the water is at a minimum, since the residual heat of the recirculation fan can be used in this case.
  • a fuel cell for directly generating electrical energy from hydrogen.
  • the fuel cell comprises an anode, a cathode, an electrolyte membrane arranged between the anode and the cathode, an electrolyte, a Fuel inlet, an oxygen inlet, an exhaust outlet, a recirculation fan for returning unused fuel from the exhaust outlet, a water outlet for discharging water from the fuel cell and a central control device for controlling the fuel cell.
  • the fuel cell is designed to carry out a method according to the invention.
  • the recirculation fan of the fuel cell is preferably designed as a heating device for providing the heat for evaporating the water at the recirculation fan.
  • the fuel cell can have an additional heating device for providing the heat for evaporating the water.
  • the central control device is designed to control the fuel cell.
  • the central control device is preferably designed to control the recirculation fan.
  • the fuel cell can have an additional fan control device for controlling the recirculation fan.
  • the fuel cell preferably has one or more water separators for separating the process water during operation of the fuel cell. Outlets of the water separators are preferably coupled to the water outlet in a fluid-communicating manner. Water, such as process water, can be discharged from the fuel cell via the water outlet.
  • the fuel cell is designed to evaporate remaining water during an inactive state of the fuel cell by providing heat from the heating device, or at least to evaporate a predominant part of it, and to lead the water vapor thus generated, or at least a predominant part of the water vapor, out of the fuel cell.
  • the fuel cell according to the invention provides all the advantages that have already been described for a method for operating a fuel cell with a recirculation fan according to the first aspect of the invention. Accordingly, the fuel cell according to the invention has the advantage over conventional fuel cells that the extent of icing on the recirculation fan can be significantly reduced using simple means and in a cost-effective manner. With appropriate operation of the The fuel cell according to the invention can completely prevent the formation of ice in the area of the recirculation fan. This means that the fuel cell can be put back into operation without delay when the motor vehicle is started. Complex de-icing processes are no longer necessary.
  • the evaporation of the water has the further advantage that the fuel gas, such as hydrogen, conveyed to the fuel inlet via the recirculation fan contains no or only a very small amount of water.
  • Figure 1 shows a perspective view of an anode subsystem of a fuel cell for carrying out the method according to the invention
  • Figure 2 shows a sectional view of a recirculation fan of the anode subsystem from Figure 1,
  • Figure 3 shows a sectional view of a fuel cell according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows a flow chart of a preferred embodiment of a method according to the invention.
  • an anode subsystem 14 of a fuel cell 1 (cf. Fig. 3) for carrying out the method according to the invention is shown schematically in a perspective view.
  • the anode subsystem 14 has a main water separator 15 and a recirculation fan 2 arranged thereon with an integrated secondary water separator 16.
  • Fig. 2 shows the recirculation fan 2 of the anode subsystem 14 from Fig. 1 schematically in a sectional view.
  • the recirculation fan 2 has an electric motor 4, which is designed as a heating device 3 for providing heat for evaporating water on or in the recirculation fan 2.
  • the electric motor 4 has a stator 17, which is arranged in a containment shell 18 of the electric motor 4.
  • the stator 17 and the containment shell 18 are together surrounded by a stator housing 19 of the electric motor 4, wherein the stator housing 19 is open on one end face of the containment shell 18.
  • An impeller 20 of the electric motor 4 is arranged on a hub 21 of the electric motor 4.
  • a magnet pot 22 of the electric motor 4 is arranged on the hub 21.
  • the magnet pot 22 has a plurality of permanent magnets, which are not shown in this figure.
  • the impeller 20, the hub 21 and the magnet pot 22 are arranged in an impeller housing 23 of the electric motor 4 that is open towards the stator 17.
  • the hub 21 is rotatably mounted on the impeller housing 23.
  • the magnet pot 22 is arranged adjacent to the containment pot 18 and faces directly towards it, so that a gap is formed between the magnet pot 22 and the containment pot 18, in which gap water W is arranged.
  • the water W can be evaporated, so that no ice bridges can form between the magnet pot 22 and the containment pot 18.
  • a fuel cell 1 according to a preferred embodiment of the invention is shown schematically in a sectional view.
  • the fuel cell 1 has an anode 7 and a cathode 8, which are arranged in an electrolyte E.
  • An electrolyte membrane 9 is arranged between the anode 7 and the cathode 8.
  • the fuel cell 1 has a fuel inlet 10 on the anode side for supplying hydrogen.
  • the fuel cell 1 has an exhaust gas outlet 12 on the anode side for removing anode gas.
  • the fuel cell 1 has an oxygen inlet 11 on the cathode side for supplying oxygen.
  • the fuel cell 1 has a water outlet 13 on the cathode side for removing water W.
  • the fuel cell 1 has a central control device 6 for controlling the fuel cell 1.
  • the fuel cell has an anode subsystem 14 with a recirculation fan 2 that can be operated as a heating device 3, an additional, optional heating device 3 and a fan control device 5 for controlling the recirculation fan 2.
  • the anode subsystem 14 is coupled in a fluid-communicating manner to the water outlet 13 for the removal of separated water W.
  • the anode subsystem 14 is coupled in a fluid-communicating manner to the fuel inlet 10 via a return line 24 for the return of unused hydrogen.
  • Fig. 4 shows the preferred embodiment of a method according to the invention schematically in a flow chart.
  • a first method step 100 an operating state of the fuel cell 1 is monitored, for example by the central control device 6 of the fuel cell 1. If the central control device 6 determines that the fuel cell 1 is inactive, for example in a parked motor vehicle, the outside temperature in the area of the fuel cell 1 is monitored in a second method step 200. In this case, for example, a current outside temperature or a predicted outside temperature can be monitored. The outside temperature can also be monitored while the fuel cell 1 is still active.
  • a heating device 3 of the fuel cell 1 is controlled by means of the fan control device 5 and/or the central control device 6 in such a way that heat is provided for evaporating water W at the recirculation fan 2. This can be done, for example, by specifically controlling the recirculation fan 2 to generate high iron losses and thus waste heat and/or controlling the optional additional heating device 3.
  • the provision of heat is terminated when the predefined evaporation criterion, such as a predetermined period of time, a predefined amount of heat or the like, is met.
  • the evaporation criterion is determined in such a way that after the execution of the Process no water W remains in the recirculation blower 2 or only so little water W remains in the recirculation blower 2 that the formation of ice bridges between moving parts of the recirculation blower 2 or the blockage of lines of the recirculation blower 2 by ice is avoided even when the recirculation blower 2 cools below 0 °C. In this way, rapid starting of the fuel cell 1 is ensured without the need for melting processes.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell (1) having a recirculation blower (2). Depending on an evaporation criterion, a heating device (3) provides heat in a targeted manner for evaporating water (W) on the recirculation blower (2). The invention further relates to a fuel cell (1) for directly generating electrical energy from hydrogen, which is configured to carry out a method according to the invention.

Description

Beschreibung Description
Titel Title
Interne Heizstrategie zur Vermeidung von Eisbrücken für ein H2-
Figure imgf000003_0001
äse in einem Brennstoffzellensystem Internal heating strategy to avoid ice bridges for a H2-
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in a fuel cell system
Stand der Technik State of the art
Es sind Brennstoffzellen bekannt, bei welchen zur Verbesserung einer Rückführung von unverbrauchtem Wasserstoff aus einem Abgasauslass der Brennstoffzelle in einen Brennstoffeinlass der Brennstoffzelle Rezirkulationsgebläse verwendet werden. Rezirkulationsgebläse werden auch als Anode Recirculation Blower oder kurz ARB bezeichnet. There are known fuel cells in which recirculation blowers are used to improve the return of unused hydrogen from an exhaust outlet of the fuel cell to a fuel inlet of the fuel cell. Recirculation blowers are also referred to as anode recirculation blowers or ARB for short.
Rezirkulationsgebläse sind Komponenten eines Anodensubsystems der Brennstoffzelle, welches üblicherweise einen dem Rezirkulationsgebläse vorgelagerten Wasserabscheider zum Abscheiden des Prozesswassers der Brennstoffzelle aufweist. Recirculation fans are components of an anode subsystem of the fuel cell, which usually has a water separator upstream of the recirculation fan to separate the process water of the fuel cell.
Um ein Abscheiden des Prozesswassers zu verbessern, können Rezirkulationsgebläse zusätzlich auch einen integrierten Wasserabscheider aufweisen. Durch die Kombination von zwei Wasserabscheidern soll der Anteil des abgeschiedenen Prozesswassers weiter erhöht werden, um somit durch das Rezirkulationsgebläse eine möglichst geringe Wassermenge zum Brennstoffeinlass zu fördern. To improve the separation of process water, recirculation blowers can also have an integrated water separator. The combination of two water separators is intended to further increase the proportion of separated process water in order to pump as little water as possible to the fuel inlet through the recirculation blower.
Auch wenn sich auf diese Weise ein Großteil des Prozesswassers abscheiden lässt, kann weiterhin ein kleiner Anteil Prozesswasser innerhalb des Anodensubsystems verbleiben, beispielsweise in Leitungen oder innerhalb des Rezirkulationsgebläses. Das verbleibende Prozesswasser kann bei abgestelltem Fahrzeug und Temperaturen unter 0 °C einfrieren und möglicherweise bewegliche Bauteile oder kleine Kanäle der Brennstoffzelle blockieren. Insbesondere bei dem Rezirkulationsgebläse besteht die Gefahr, dass das verbleibende Prozesswasser Eisbrücken bildet. Even if a large proportion of the process water can be separated in this way, a small amount of process water can still remain within the anode subsystem, for example in pipes or within the recirculation fan. The remaining process water can freeze when the vehicle is parked and temperatures are below 0 °C and may block moving components or small channels in the fuel cell. Especially with the recirculation fan there is a risk that the remaining process water will form ice bridges.
Eisbrücken sind durch Vereisung entstehende Verbindungen aus Eis zwischen zwei Bauteilen. Besonders problematisch sind Eisbrücken bei Bauteilen, welche sich im Betrieb relativ zueinander bewegen müssen. Somit können Eisbrücken bewirken, dass das Rezirkulationsgebläse im Startfall nicht ansteuerbar bzw. nicht drehbar ist. Eine übliche und bekannte Position an welcher sich Eisbrücken oftmals bilden, ist ein Spalt zwischen einem Magnettopf des Rezirkulationsgebläses und einem Spalttopf des Rezirkulationsgebläses. Durch die Bildung von Eisbrücken an dieser Stelle ist ein Losdrehen eines Laufrads des Rezirkulationsgebläses verhinderbar. Wenn ein Drehmoment des Rezirkulationsgebläses nicht ausreicht, um die Eisbrücken zu brechen, ist das Rezirkulationsgebläse in diesem Zustand nicht operationsfähig. Ice bridges are ice connections between two components caused by icing. Ice bridges are particularly problematic in components that have to move relative to each other during operation. Ice bridges can therefore mean that the recirculation fan cannot be controlled or rotated when starting. A common and well-known position where ice bridges often form is a gap between a magnet pot of the recirculation fan and a gap pot of the recirculation fan. The formation of ice bridges at this point prevents a recirculation fan impeller from turning loose. If the torque of the recirculation fan is not sufficient to break the ice bridges, the recirculation fan cannot operate in this state.
Um einen bestimmungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten, kommen bislang Vorrichtungen und Verfahren zum Einsatz, bei welchen das Eis durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen wird. Die Wärme kann beispielsweise durch zusätzliche Heizpatronen, die beispielsweise in einem Laufradgehäuse des Rezirkulationsgebläses verbaut sein können, bereitgestellt werden. Alternativ kann die Wärme durch gezieltes Erzeugen von Wirbelstromverlusten im Rezirkulationsgebläse bereitgestellt werden. Überdies ist es bekannt, das Rezirkulationsgebläse zum Losbrechen der Eisbrücken gezielt anzusteuern, beispielsweise oszillierend. Alle solche Vorrichtungen und Verfahren zielen darauf ab, das bereits vorhandene Eis im Rahmen eines Startvorgangs der Brennstoffzelle zu beseitigen. To ensure that the fuel cell operates as intended, devices and methods have been used to date in which the ice is melted by supplying heat. The heat can be provided, for example, by additional heating cartridges, which can be installed in an impeller housing of the recirculation fan. Alternatively, the heat can be provided by deliberately generating eddy current losses in the recirculation fan. It is also known to control the recirculation fan in a targeted manner to break off the ice bridges, for example by oscillating. All such devices and methods aim to remove the ice that is already present as part of a start-up process for the fuel cell.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: According to a first aspect of the invention, a method for operating a fuel cell with a recirculation fan is provided. The method comprises:
- Bereitstellen von Wärme zum Verdampfen von Wasser am Rezirkulationsgebläse durch eine Heizvorrichtung, - Verdampfen des Wassers am Rezirkulationsgebläse durch die Heizvorrichtung, und - Providing heat for evaporating water at the recirculation fan by a heating device, - Evaporation of the water at the recirculation fan by the heating device, and
- Beenden der Wärmebereitstellung, wenn ein vordefiniertes- Stop heat supply when a predefined
Verdampfungskriterium erfüllt ist. Evaporation criterion is met.
Vorzugsweise wird das Verfahren durchgeführt bevor eine Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs den Gefrierpunkt erreicht bzw. unterschreitet. Preferably, the method is carried out before an ambient temperature of the motor vehicle reaches or falls below freezing point.
Durch die Heizvorrichtung wird Wärme zum Verdampfen des Wassers bereitgestellt. Das Bereitstellen der Wärme am Rezirkulationsgebläse kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise das Bereitstellen der Wärme an einer Außenseite des Rezirkulationsgebläses und/oder innerhalb des Rezirkulationsgebläses umfassen. Die Wärmebereitstellung erfolgt vorzugsweise derart, dass die Wärme an Prozesswassersammelstellen, an welchen sich Prozesswasser sammelt, herangeführt wird, um dieses Prozesswasser gezielt zu verdampfen. Die Wärme wird vorzugsweise derart bereitgestellt, dass das Rezirkulationsgebläse oder zumindest Teile des Rezirkulationsgebläses, insbesondere welche mit Prozesswasser in Berührung stehen, auf eine Temperatur von mindestens 100 °C erwärmt werden. The heating device provides heat for evaporating the water. Within the scope of the invention, providing heat to the recirculation fan can include, for example, providing heat to an outside of the recirculation fan and/or inside the recirculation fan. The heat is preferably provided in such a way that the heat is supplied to process water collection points where process water collects in order to evaporate this process water in a targeted manner. The heat is preferably provided in such a way that the recirculation fan or at least parts of the recirculation fan, in particular which are in contact with process water, are heated to a temperature of at least 100 °C.
Durch das Bereitstellen der Wärme über einen Zeitraum wird das Wasser am Rezirkulationsgebläse verdampft. Dem Wasser wird demnach derart Wärme zugeführt, dass es verdampft. Wenn das vordefinierte Verdampfungskriterium erfüllt ist, wird die Wärmebereitstellung zum Verdampfen des Wassers beendet. Das Verdampfungskriterium legt fest, wann das Bereitstellen der Wärme beendet werden soll. Das Verdampfungskriterium kann beispielsweise festlegen, welche Wassermenge sicher verdampft werden soll oder wie hoch der Anteil des verdampften Wassers an der gesamten restlichen Wassermenge vor dem Verdampfen sein soll. Das Verdampfungskriterium kann beispielsweise festlegen, dass mindestens 95 % des restlichen Wassers verdampft sein müssen. Die Erfüllung des Verdampfungskriteriums kann beispielsweise über Kennfelder, Erfahrungswerte oder dergleichen überprüft werden. Nach dem Beenden der Wärmebereitstellung ist im oder am Rezirkulationsgebläse höchstens nur noch so viel Wasser vorhanden, dass ein Blockieren von Kanälen oder rotierenden Teilen am Rezirkulationsgebläse durch gefrorenes Wasser nicht mehr droht oder nur in einem Maße droht, dass etwaig gebildetes Eis durch Betreiben des Rezirkulationsgebläses problemlos und ohne erforderliche Verzögerung im Betrieb des Rezirkulationsgebläses beseitigbar ist. By providing heat over a period of time, the water is evaporated at the recirculation fan. The water is therefore supplied with heat in such a way that it evaporates. When the predefined evaporation criterion is met, the heat supply for evaporating the water is stopped. The evaporation criterion determines when the heat supply should stop. The evaporation criterion can, for example, specify which amount of water should be safely evaporated or how high the proportion of evaporated water should be in relation to the total remaining amount of water before evaporation. The evaporation criterion can, for example, specify that at least 95% of the remaining water must have evaporated. Compliance with the evaporation criterion can be checked, for example, using characteristic maps, empirical values or the like. After the heat supply has ceased, there is only so much water left in or on the recirculation fan that there is no longer a risk of channels or rotating parts on the recirculation fan becoming blocked by frozen water, or the risk is only such that any ice that has formed can be easily removed by operating the recirculation fan and without any delay in the operation of the recirculation fan.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Ausmaß einer Vereisung am Rezirkulationsgebläse erheblich reduzierbar ist. Bei entsprechender Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Bildung von Eis im Bereich des Rezirkulationsgebläses gänzlich verhindert werden. Hierdurch kann die Brennstoffzelle bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs ohne Verzögerung wieder in Betrieb genommen werden. Aufwendige Enteisungsprozesse sind nicht mehr erforderlich. Die Verdampfung des Wassers hat den weiteren Vorteil, dass der über das Rezirkulationsgebläse zum Brennstoffeinlass geförderte Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, keine oder nur eine sehr geringe Wassermenge aufweist. A method according to the invention for operating a fuel cell with a recirculation fan has the advantage over conventional methods that the extent of icing on the recirculation fan can be significantly reduced using simple means and in a cost-effective manner. If the method according to the invention is carried out accordingly, the formation of ice in the area of the recirculation fan can be completely prevented. This means that the fuel cell can be put back into operation without delay when the motor vehicle is started. Complex de-icing processes are no longer necessary. The evaporation of the water has the further advantage that the fuel gas, such as hydrogen, conveyed to the fuel inlet via the recirculation fan contains no or only a very small amount of water.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das Bereitstellen der Wärme während einer Inaktivität der Brennstoffzelle erfolgt. Das Verfahren wird vorzugsweise direkt nach einem Abschalten der Brennstoffzelle durchgeführt. Unter einem Abschalten der Brennstoffzelle wird im Rahmen der Erfindung das Versetzen der Brennstoffzelle in einen inaktiven Zustand verstanden. In dem inaktiven Zustand wird der Brennstoffzelle kein Wasserstoff zur Verbrennung zugeführt, sodass auch kein elektrischer Strom erzeugt wird und kein Prozesswasser entsteht. Vorzugsweise wird in dem inaktiven Zustand der Brennstoffzelle auch kein Sauerstoff zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise gewährleistet ist, dass nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine oder nur sehr geringfügige Mengen an Prozesswasser am Rezirkulationsgebläse verbleibt, da während der Durchführung des Verfahrens kein frisches Prozesswasser generiert wird. Somit ist das Risiko der Eisbildung weiter reduzierbar. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass ein Elektromotor des Rezirkulationsgebläses durch gezieltes Ansteuern des Elektromotors als Heizvorrichtung zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers betrieben wird. Der Elektromotor wird vorzugsweise derart angesteuert, dass die Eisenverluste besonders hoch sind. Dies kann beispielsweise über vom Betrag her gleich große Spannungsvektoren mit einer Phasenverschiebung von 180 ° erfolgen, wobei die Spannungen mit einer vorgegebenen Frequenz bereitgestellt werden, sodass hierdurch eine ständige Änderung einer Flussrichtung des Magnetfelds des Elektromotors bewirkt wird. Die Ansteuerung erfolgt vorzugsweise derart, dass kein Drehfeld zum Drehen des Rotors erzeugt wird. Durch das gezielte Ansteuern des Elektromotors wird ein Aufwärmen des Stators und/oder des Rotors des Elektromotors bewirkt, vorzugsweise auf eine Temperatur von über 100 °C, sodass das restliche Prozesswasser hierdurch verdampft wird. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Wärme zum Verdampfen des Wassers bereitgestellt ist. Zusätzliche Heizvorrichtungen sind verzichtbar, sodass Kosten und Gewicht der Brennstoffzelle reduzierbar sind. According to a preferred further development of the invention, a method can be provided for the heat to be provided while the fuel cell is inactive. The method is preferably carried out immediately after the fuel cell is switched off. In the context of the invention, switching off the fuel cell means putting the fuel cell into an inactive state. In the inactive state, no hydrogen is supplied to the fuel cell for combustion, so that no electrical current is generated and no process water is produced. Preferably, no oxygen is supplied to the fuel cell in the inactive state. This has the advantage that it is ensured with simple means and in a cost-effective manner that no or only very small amounts of process water remain on the recirculation blower after the method according to the invention has been carried out, since no fresh process water is generated during the process. The risk of ice formation can thus be further reduced. It is preferred according to the invention that an electric motor of the recirculation fan is operated as a heating device for providing the heat for evaporating the water by specifically controlling the electric motor. The electric motor is preferably controlled in such a way that the iron losses are particularly high. This can be done, for example, via voltage vectors of equal magnitude with a phase shift of 180°, with the voltages being provided at a predetermined frequency, so that a constant change in the flow direction of the magnetic field of the electric motor is thereby caused. The control is preferably carried out in such a way that no rotating field is generated for rotating the rotor. The targeted control of the electric motor causes the stator and/or the rotor of the electric motor to heat up, preferably to a temperature of over 100°C, so that the remaining process water is thereby evaporated. This has the advantage that the heat for evaporating the water is provided using simple means and in a cost-effective manner. Additional heating devices are not required, so that the costs and weight of the fuel cell can be reduced.
Weiter bevorzugt wird zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers eine vom Rezirkulationsgebläse getrennt ansteuerbare Heizvorrichtung verwendet. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise direkt am Rezirkulationsgebläse angeordnet, um das Rezirkulationsgebläse gezielt zu erwärmen. Hierfür kann die Heizvorrichtung beispielsweise einen Wärmetauscher und/oder ein Widerstandsheizelement und/oder eine Brennervorrichtung oder dergleichen aufweisen. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass das Ansteuern der Heizvorrichtung unabhängig von einem Ansteuern des Rezirkulationsgebläses erfolgen kann. Somit ist ein Betrieb des Rotors des Rezirkulationsgebläses bei aktivierter Heizvorrichtung beispielsweise weiterhin möglich. Vorzugsweise wird zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers die vom Rezirkulationsgebläse getrennt ansteuerbare Heizvorrichtung sowie das Rezirkulationsgebläse als Heizvorrichtung verwendet, sodass zum Bereitstellen der erforderlichen Heizenergie die Dimensionierung der getrennt ansteuerbaren Heizvorrichtung besonders kostengünstig, platzsparend und leicht ausfallen kann. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein besonders effizientes Verdampfen des Wassers bewirkt wird. It is also preferred to use a heating device that can be controlled separately from the recirculation fan to provide the heat for evaporating the water. The heating device is preferably arranged directly on the recirculation fan in order to heat the recirculation fan in a targeted manner. For this purpose, the heating device can have, for example, a heat exchanger and/or a resistance heating element and/or a burner device or the like. The heating device is preferably designed in such a way that the heating device can be controlled independently of the control of the recirculation fan. This means that the rotor of the recirculation fan can continue to operate when the heating device is activated, for example. The heating device that can be controlled separately from the recirculation fan and the recirculation fan are preferably used as the heating device to provide the heat for evaporating the water, so that the dimensioning of the separately controllable heating device can be particularly cost-effective, space-saving and lightweight to provide the required heating energy. This has the advantage that it can be achieved with simple means and in a A particularly efficient evaporation of water is achieved in a cost-effective manner.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das Rezirkulationsgebläse zum Abführen des verdampften Wassers im Gebläsebetrieb betrieben wird. Durch das Verdampfen des Wassers wird zumindest ein Teil des verdampften Wassers aus der Brennstoffzelle herausgeführt. Um zu verhindern, dass das Wasser nach dem Beenden der Bereitstellung der Wärme erneut am Rezirkulationsgebläse kondensiert, sich am Rezirkulationsgebläse ablagert und bei Frost Eisbrücken bildet, wird das Rezirkulationsgebläse betrieben, um das Wasser aus dem Rezirkulationsgebläse zu befördern. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein besonders großer Anteil des Wassers aus der Brennstoffzelle abführbar und somit das Risiko der Eisbrückenbildung erheblich reduziert ist. In a particularly preferred embodiment of the invention, a method can be provided in which the recirculation fan is operated in fan mode to remove the evaporated water. As the water evaporates, at least part of the evaporated water is removed from the fuel cell. In order to prevent the water from condensing again on the recirculation fan after the heat supply has ended, from depositing on the recirculation fan and from forming ice bridges in the event of frost, the recirculation fan is operated to transport the water out of the recirculation fan. This has the advantage that a particularly large proportion of the water can be removed from the fuel cell using simple means and in a cost-effective manner, thus significantly reducing the risk of ice bridges forming.
Vorzugsweise wird als Verdampfungskriterium eine bestimmte Zeitdauer zur Bereitstellung der Wärme zum Verdampfen des Wassers verwendet. Bei einer bekannten Heizleistung der Heizvorrichtung ist anhand von Erfahrungswerten, Simulationen, Algorithmen, Kennfeldern oder dergleichen leicht bestimmbar, welche Wassermenge bei einer definierten Heizleistung nach einer definierten Zeitdauer verdampft ist. Durch Abschätzen der vorhandenen Wassermenge vor dem Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers ist somit die Zeitdauer ermittelbar, nach welcher die Wassermenge verdampft ist. Hierbei kann ein Sicherheitsfaktor verwendet werden, sodass bei der Bestimmung der Zeitdauer beispielsweise von einer höheren Wassermenge ausgegangen wird. Somit ist sicherstellbar, dass das Rezirkulationsgebläse nach dem Bereitstellen der Wärme über die definierte Zeitdauer auch trocken ist. Vorzugsweise wird hierbei eine Außentemperatur und/oder eine Temperatur des Rezirkulationsgebläses berücksichtigt. Je niedriger die Temperatur, desto größer ist die erforderliche Wärmemenge, um dieselbe Wassermenge zu verdampfen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Trocknung des Rezirkulationsgebläses erzielbar ist. Zudem ist eine übermäßige Bereitstellung von Wärme vermeidbar, sodass das Verfahren besonders energiesparend durchführbar ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die bestimmte Zeitdauer in Abhängigkeit einer ermittelten Wassermenge am Rezirkulationsgebläse und/oder einer Verdampfungsleistung der Heizvorrichtung ermittelt. Die Wassermenge kann beispielsweise durch Sensoren, Erfahrungswerte, Betriebsdaten der Brennstoffzelle, Simulationen, Algorithmen, Kennfelder oder dergleichen ermittelt werden. Die Verdampfungsleistung der Heizvorrichtung ist beispielsweise über Erfahrungswerte, Simulationen, Algorithmen, Kennfelder oder dergleichen ermittelbar. Vorzugsweise wird die bestimmte Zeitdauer durch Ermittlung der Wassermenge und der Verdampfungsleistung bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Trocknung des Rezirkulationsgebläses erzielbar ist. Zudem ist eine übermäßige Bereitstellung von Wärme vermeidbar, sodass das Verfahren besonders energiesparend durchführbar ist. Preferably, a specific time period for providing the heat to evaporate the water is used as the evaporation criterion. If the heating output of the heating device is known, it is easy to determine from experience, simulations, algorithms, characteristic maps or the like which amount of water has evaporated after a defined period of time with a defined heating output. By estimating the amount of water present before the heat is provided to evaporate the water, the time period after which the amount of water has evaporated can be determined. A safety factor can be used here so that a higher amount of water is assumed when determining the time period, for example. This ensures that the recirculation fan is also dry after the heat has been provided for the defined period of time. Preferably, an outside temperature and/or a temperature of the recirculation fan is taken into account here. The lower the temperature, the greater the amount of heat required to evaporate the same amount of water. This has the advantage that reliable drying of the recirculation fan can be achieved using simple means and in a cost-effective manner. In addition, excessive heat provision can be avoided, so that the process can be carried out in a particularly energy-efficient manner. According to a preferred embodiment of the invention, the specific time period is determined as a function of a determined amount of water on the recirculation fan and/or an evaporation capacity of the heating device. The amount of water can be determined, for example, by sensors, empirical values, operating data of the fuel cell, simulations, algorithms, characteristic maps or the like. The evaporation capacity of the heating device can be determined, for example, via empirical values, simulations, algorithms, characteristic maps or the like. The specific time period is preferably determined by determining the amount of water and the evaporation capacity. This has the advantage that reliable drying of the recirculation fan can be achieved using simple means and in a cost-effective manner. In addition, an excessive provision of heat can be avoided, so that the method can be carried out in a particularly energy-saving manner.
Besonders bevorzugt wird die Heizvorrichtung durch eine Gebläsesteuerungsvorrichtung des Rezirkulationsgebläses und/oder eine zentrale Steuerungsvorrichtung der Brennstoffzelle zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers angesteuert. In diesem Rahmen kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine von dem Rezirkulationsgebläse getrennt ansteuerbar ausgebildete Heizvorrichtung von der Gebläsesteuerungsvorrichtung oder der zentralen Steuerungsvorrichtung angesteuert wird. Ebenso kann das Rezirkulationsgebläse als Heizvorrichtung von der Gebläsesteuerungsvorrichtung oder der zentralen Steuerungsvorrichtung angesteuert werden. Es können auch parallele Ansteuerungen des Rezirkulationsgebläses und/oder der getrennt ausgebildeten Heizvorrichtung durch jeweils die Gebläsesteuerungsvorrichtung und die zentrale Steuerungsvorrichtung im Rahmen des Verfahrens vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Ansteuerung der Heizvorrichtung zum Bereitstellen der Wärme gewährleistet ist. The heating device is particularly preferably controlled by a fan control device of the recirculation fan and/or a central control device of the fuel cell to provide the heat for evaporating the water. In this context, it can be provided, for example, that a heating device designed to be separately controllable from the recirculation fan is controlled by the fan control device or the central control device. The recirculation fan can also be controlled as a heating device by the fan control device or the central control device. Parallel controls of the recirculation fan and/or the separately designed heating device by the fan control device and the central control device can also be provided within the scope of the method. This has the advantage that reliable control of the heating device to provide the heat is ensured using simple means and in a cost-effective manner.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass eine Außentemperatur im Bereich der Brennstoffzelle ermittelt wird, wobei das Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers gezielt erfolgt, wenn die Außentemperatur einen Temperaturschwellwert unterschreitet. Der Temperaturschwellwert kann beispielsweise zwischen 3 °C und 5 °C betragen. Wenn die Außentemperatur höher ist als der Temperaturschwellwert, wird keine Wärme zum Verdampfen des Wassers bereitgestellt. Bei der Außentemperatur kann eine aktuelle Außentemperatur und/oder eine prognostizierte Außentemperatur, also eine zukünftig zu erwartende Außentemperatur, verwendet werden. Der Wert der Außentemperatur kann beispielsweise über einen Temperatursensor des Kraftfahrzeugs ermittelt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Temperatur, welcher die Brennstoffzelle tatsächlich ausgesetzt ist, auf diese Weise ermittelt wird. Somit ist beispielsweise verhinderbar, dass Wärme bereitgestellt wird, wenn das Fahrzeug in einer Garage geparkt ist, in welcher Plustemperaturen herrschen, während eine Umgebung der Garage bereits Minustemperaturen aufweist. Alternativ kann der Wert der Außentemperatur von einem Server bezogen werden, und beispielsweise auf Wetterdaten einer Wetterstation beruhen. Ebenso kann die Außentemperatur aus einer Temperaturprognose auf Basis von Wetterdaten oder Erfahrungswerten ermittelt werden. Eine aktuelle Außentemperatur kann beispielsweise größer als 5 °C sein, während für einige Stunden später eine voraussichtliche Außentemperatur von unter 0 °C prognostiziert wird. Die Temperaturprognose kann beispielsweise auch unter Berücksichtigung von Erfahrungswerten erfolgen. Wenn die Temperatur im Winter um 16:00 Uhr etwa 6 °C beträgt, kann davon ausgegangen werden, dass die Außentemperatur bis 24:00 Uhr unter 0 °C fallen kann. Das Bereitstellen der Wärme erfolgt in diesem Fall vorzugsweise zu einem Zeitpunkt, an welchem das Rezirkulationsgebläse erwartungsgemäß eine maximale Temperatur aufweist, sodass die bereitzustellende Wärmemenge zum Verdampfen des Wassers ein Minimum aufweist, da hierbei die Restwärme des Rezirkulationsgebläses ausgenutzt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Wirtschaftlichkeit bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert ist. It is preferred according to the invention that an outside temperature is determined in the area of the fuel cell, whereby the provision of heat for Evaporation of the water occurs specifically when the outside temperature falls below a temperature threshold. The temperature threshold can be between 3 °C and 5 °C, for example. If the outside temperature is higher than the temperature threshold, no heat is provided to evaporate the water. For the outside temperature, a current outside temperature and/or a forecast outside temperature, i.e. an outside temperature expected in the future, can be used. The value of the outside temperature can be determined, for example, using a temperature sensor in the vehicle. This has the advantage that a temperature to which the fuel cell is actually exposed is determined in this way. This makes it possible, for example, to prevent heat from being provided if the vehicle is parked in a garage where temperatures are above zero, while the area around the garage is already below zero. Alternatively, the value of the outside temperature can be obtained from a server and based, for example, on weather data from a weather station. The outside temperature can also be determined from a temperature forecast based on weather data or empirical values. A current outside temperature can, for example, be greater than 5 °C, while an outside temperature of below 0 °C is forecast for a few hours later. The temperature forecast can, for example, also be made taking empirical values into account. If the temperature in winter is around 6 °C at 4:00 p.m., it can be assumed that the outside temperature can fall below 0 °C by midnight. In this case, the heat is preferably provided at a time when the recirculation fan is expected to have a maximum temperature, so that the amount of heat to be provided to evaporate the water is at a minimum, since the residual heat of the recirculation fan can be used in this case. This has the advantage that the economic efficiency of carrying out the method according to the invention is improved using simple means and in a cost-effective manner.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle zum direkten Erzeugen elektrischer Energie aus Wasserstoff bereitgestellt. Die Brennstoffzelle weist eine Anode, eine Kathode, eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Elektrolytmembran, einen Elektrolyten, einen Brennstoffeinlass, einen Sauerstoffeinlass, einen Abgasauslass, ein Rezirkulationsgebläse zum Zurückführen unverbrauchten Brennstoffs aus dem Abgasauslass, einen Wasserauslass zum Abführen von Wasser aus der Brennstoffzelle und eine zentrale Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Brennstoffzelle auf. Erfindungsgemäß ist die Brennstoffzelle zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. According to a second aspect of the invention, a fuel cell is provided for directly generating electrical energy from hydrogen. The fuel cell comprises an anode, a cathode, an electrolyte membrane arranged between the anode and the cathode, an electrolyte, a Fuel inlet, an oxygen inlet, an exhaust outlet, a recirculation fan for returning unused fuel from the exhaust outlet, a water outlet for discharging water from the fuel cell and a central control device for controlling the fuel cell. According to the invention, the fuel cell is designed to carry out a method according to the invention.
Vorzugsweise ist das Rezirkulationsgebläse der Brennstoffzelle als Heizvorrichtung zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers am Rezirkulationsgebläse ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennstoffzelle eine zusätzliche Heizvorrichtung zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers aufweisen. Die zentrale Steuerungsvorrichtung ist zum Steuern der Brennstoffzelle ausgebildet. Vorzugsweise ist die zentrale Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Rezirkulationsgebläses ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle eine zusätzliche Gebläsesteuerungsvorrichtung zum Steuern des Rezirkulationsgebläses aufweist. Die Brennstoffzelle weist vorzugsweise einen oder mehrere Wasserabscheider zum Abscheiden des Prozesswassers während des Betriebs der Brennstoffzelle auf. Auslässe der Wasserabscheider sind vorzugsweise mit dem Wasserauslass fluidkommunizierend gekoppelt. Über den Wasserauslass ist Wasser, wie beispielsweise Prozesswasser, aus der Brennstoffzelle abführbar. Die Brennstoffzelle ist ausgebildet, verbleibendes Wasser während eines inaktiven Zustands der Brennstoffzelle durch Wärmebereitstellung der Heizvorrichtung zu verdampfen bzw. zumindest zu einem überwiegenden Teil zu verdampfen und den somit erzeugten Wasserdampf, bzw. zumindest einen überwiegenden Teil des Wasserdampfs, aus der Brennstoffzelle herauszuführen. The recirculation fan of the fuel cell is preferably designed as a heating device for providing the heat for evaporating the water at the recirculation fan. Alternatively or additionally, the fuel cell can have an additional heating device for providing the heat for evaporating the water. The central control device is designed to control the fuel cell. The central control device is preferably designed to control the recirculation fan. According to the invention, the fuel cell can have an additional fan control device for controlling the recirculation fan. The fuel cell preferably has one or more water separators for separating the process water during operation of the fuel cell. Outlets of the water separators are preferably coupled to the water outlet in a fluid-communicating manner. Water, such as process water, can be discharged from the fuel cell via the water outlet. The fuel cell is designed to evaporate remaining water during an inactive state of the fuel cell by providing heat from the heating device, or at least to evaporate a predominant part of it, and to lead the water vapor thus generated, or at least a predominant part of the water vapor, out of the fuel cell.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Brennstoffzelle gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Ausmaß einer Vereisung am Rezirkulationsgebläse erheblich reduzierbar ist. Bei entsprechendem Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann die Bildung von Eis im Bereich des Rezirkulationsgebläses gänzlich verhindert werden. Hierdurch kann die Brennstoffzelle bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs ohne Verzögerung wieder in Betrieb genommen werden. Aufwendige Enteisungsprozesse sind nicht mehr erforderlich. Die Verdampfung des Wassers hat den weiteren Vorteil, dass der über das Rezirkulationsgebläse zum Brennstoffeinlass geförderte Brenngas, wie beispielsweise Wasserstoff, keine oder nur eine sehr geringe Wassermenge aufweist. The fuel cell according to the invention provides all the advantages that have already been described for a method for operating a fuel cell with a recirculation fan according to the first aspect of the invention. Accordingly, the fuel cell according to the invention has the advantage over conventional fuel cells that the extent of icing on the recirculation fan can be significantly reduced using simple means and in a cost-effective manner. With appropriate operation of the The fuel cell according to the invention can completely prevent the formation of ice in the area of the recirculation fan. This means that the fuel cell can be put back into operation without delay when the motor vehicle is started. Complex de-icing processes are no longer necessary. The evaporation of the water has the further advantage that the fuel gas, such as hydrogen, conveyed to the fuel inlet via the recirculation fan contains no or only a very small amount of water.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: A fuel cell according to the invention and a method according to the invention for operating a fuel cell are explained in more detail below with reference to drawings. They show schematically:
Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht ein Anodensubsystem einer Brennstoffzelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figure 1 shows a perspective view of an anode subsystem of a fuel cell for carrying out the method according to the invention,
Figur 2 in einer Schnittdarstellung ein Rezirkulationsgebläse des Anodensubsystems aus Figur 1, Figure 2 shows a sectional view of a recirculation fan of the anode subsystem from Figure 1,
Figur 3 in einer Schnittdarstellung eine Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und Figure 3 shows a sectional view of a fuel cell according to a preferred embodiment of the invention, and
Figur 4 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figure 4 shows a flow chart of a preferred embodiment of a method according to the invention.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Elements with the same function and mode of operation are provided with the same reference numerals in Figures 1 to 4.
In Fig. 1 ist ein Anodensubsystem 14 einer Brennstoffzelle 1 (vgl. Fig. 3) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Das Anodensubsystem 14 weist einen Hauptwasserabscheider 15 und ein daran angeordnetes Rezirkulationsgebläse 2 mit einem integrierten Nebenwasserabscheider 16 auf. Fig. 2 zeigt das Rezirkulationsgebläse 2 des Anodensubsystems 14 aus Fig. 1 schematisch in einer Schnittdarstellung. Das Rezirkulationsgebläse 2 weist einen Elektromotor 4 auf, der als Heizvorrichtung 3 zum Bereitstellen von Wärme zum Verdampfen von Wasser am bzw. im Rezirkulationsgebläse 2 ausgebildet ist. Der Elektromotor 4 weist einen Stator 17 auf, der in einem Spalttopf 18 des Elektromotors 4 angeordnet ist. Der Stator 17 und der Spalttopf 18 sind zusammen von einem Statorgehäuse 19 des Elektromotors 4 umgeben, wobei das Statorgehäuse 19 auf einer Stirnseite des Spalttopfs 18 offen ist. In Fig. 1, an anode subsystem 14 of a fuel cell 1 (cf. Fig. 3) for carrying out the method according to the invention is shown schematically in a perspective view. The anode subsystem 14 has a main water separator 15 and a recirculation fan 2 arranged thereon with an integrated secondary water separator 16. Fig. 2 shows the recirculation fan 2 of the anode subsystem 14 from Fig. 1 schematically in a sectional view. The recirculation fan 2 has an electric motor 4, which is designed as a heating device 3 for providing heat for evaporating water on or in the recirculation fan 2. The electric motor 4 has a stator 17, which is arranged in a containment shell 18 of the electric motor 4. The stator 17 and the containment shell 18 are together surrounded by a stator housing 19 of the electric motor 4, wherein the stator housing 19 is open on one end face of the containment shell 18.
Ein Laufrad 20 des Elektromotors 4 ist auf einer Nabe 21 des Elektromotors 4 angeordnet. Auf der Nabe 21 ist ein Magnettopf 22 des Elektromotors 4 angeordnet. Der Magnettopf 22 weist eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf, welche in dieser Abbildung nicht dargestellt sind. Das Laufrad 20, die Nabe 21 und der Magnettopf 22 sind in einem zum Stator 17 hin offenen Laufradgehäuse 23 des Elektromotors 4 angeordnet. Die Nabe 21 ist an dem Laufradgehäuse 23 drehbar gelagert. An impeller 20 of the electric motor 4 is arranged on a hub 21 of the electric motor 4. A magnet pot 22 of the electric motor 4 is arranged on the hub 21. The magnet pot 22 has a plurality of permanent magnets, which are not shown in this figure. The impeller 20, the hub 21 and the magnet pot 22 are arranged in an impeller housing 23 of the electric motor 4 that is open towards the stator 17. The hub 21 is rotatably mounted on the impeller housing 23.
Der Magnettopf 22 ist dem Spalttopf 18 benachbart angeordnet und direkt zugewandt, sodass zwischen dem Magnettopf 22 und dem Spalttopf 18 ein Spalt ausgebildet ist, in welchem Wasser W angeordnet ist. Durch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Wasser W verdampfbar, sodass sich keine Eisbrücken zwischen dem Magnettopf 22 und dem Spalttopf 18 bilden können. The magnet pot 22 is arranged adjacent to the containment pot 18 and faces directly towards it, so that a gap is formed between the magnet pot 22 and the containment pot 18, in which gap water W is arranged. By carrying out the method according to the invention, the water W can be evaporated, so that no ice bridges can form between the magnet pot 22 and the containment pot 18.
In Fig. 3 ist eine Brennstoffzelle 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die Brennstoffzelle 1 weist eine Anode 7 und eine Kathode 8 auf, die in einem Elektrolyten E angeordnet sind. Zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 ist eine Elektrolytmembran 9 angeordnet. Zur Zufuhr von Wasserstoff weist die Brennstoffzelle 1 einen anodenseitigen Brennstoffeinlass 10 auf. Zur Abfuhr von Anodengas weist die Brennstoffzelle 1 einen anodenseitigen Abgasauslass 12 auf. Zur Zufuhr von Sauerstoff weist die Brennstoffzelle 1 einen kathodenseitigen Sauerstoffeinlass 11 auf. Zur Abfuhr von Wasser W weist die Brennstoffzelle 1 einen kathodenseitigen Wasserauslass 13 auf. Zum Steuern der Brennstoffzelle 1 weist die Brennstoffzelle 1 eine zentrale Steuerungsvorrichtung 6 auf. Überdies weist die Brennstoffzelle ein Anodensubsystem 14 mit einem als Heizvorrichtung 3 betreibbaren Rezirkulationsgebläse 2, einer zusätzlichen, optionalen Heizvorrichtung 3 und einer Gebläsesteuerungsvorrichtung 5 zum Steuern des Rezirkulationsgebläses 2 auf. Das Anodensubsystem 14 ist zur Abfuhr von abgeschiedenem Wasser W mit dem Wasserauslass 13 fluidkommunizierend gekoppelt. Zur Rückfuhr unverbrauchten Wasserstoffs ist das Anodensubsystem 14 über eine Rückführleitung 24 mit dem Brennstoffeinlass 10 fluidkommunizierend gekoppelt. In Fig. 3, a fuel cell 1 according to a preferred embodiment of the invention is shown schematically in a sectional view. The fuel cell 1 has an anode 7 and a cathode 8, which are arranged in an electrolyte E. An electrolyte membrane 9 is arranged between the anode 7 and the cathode 8. The fuel cell 1 has a fuel inlet 10 on the anode side for supplying hydrogen. The fuel cell 1 has an exhaust gas outlet 12 on the anode side for removing anode gas. The fuel cell 1 has an oxygen inlet 11 on the cathode side for supplying oxygen. The fuel cell 1 has a water outlet 13 on the cathode side for removing water W. The fuel cell 1 has a central control device 6 for controlling the fuel cell 1. In addition, the fuel cell has an anode subsystem 14 with a recirculation fan 2 that can be operated as a heating device 3, an additional, optional heating device 3 and a fan control device 5 for controlling the recirculation fan 2. The anode subsystem 14 is coupled in a fluid-communicating manner to the water outlet 13 for the removal of separated water W. The anode subsystem 14 is coupled in a fluid-communicating manner to the fuel inlet 10 via a return line 24 for the return of unused hydrogen.
Fig. 4 zeigt die bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird ein Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 überwacht, beispielsweise durch die zentrale Steuerungsvorrichtung 6 der Brennstoffzelle 1. Wenn die zentrale Steuerungsvorrichtung 6 eine Inaktivität der Brennstoffzelle 1 ermittelt, beispielsweise bei einem geparkten Kraftfahrzeug, wird in einem zweiten Verfahrensschritt 200 die Außentemperatur im Bereich der Brennstoffzelle 1 überwacht. Hierbei können beispielsweise eine aktuelle Außentemperatur oder eine prognostizierte Außentemperatur überwacht werden. Das Überwachen der Außentemperatur kann auch bereits bei noch aktiver Brennstoffzelle 1 erfolgen. Fig. 4 shows the preferred embodiment of a method according to the invention schematically in a flow chart. In a first method step 100, an operating state of the fuel cell 1 is monitored, for example by the central control device 6 of the fuel cell 1. If the central control device 6 determines that the fuel cell 1 is inactive, for example in a parked motor vehicle, the outside temperature in the area of the fuel cell 1 is monitored in a second method step 200. In this case, for example, a current outside temperature or a predicted outside temperature can be monitored. The outside temperature can also be monitored while the fuel cell 1 is still active.
Wenn die Außentemperatur einen bestimmten Temperaturschwellwert unterschreitet und die Brennstoffzelle in einem inaktiven Zustand ist, wird in einem dritten Verfahrensschritt 300 mittels der Gebläsesteuerungsvorrichtung 5 und/oder der zentralen Steuerungsvorrichtung 6 eine Heizvorrichtung 3 der Brennstoffzelle 1 derart angesteuert, dass Wärme zum Verdampfen von Wasser W am Rezirkulationsgebläse 2 bereitgestellt wird. Dies kann beispielsweise durch gezieltes Ansteuern des Rezirkulationsgebläses 2 zum Erzeugen hoher Eisenverluste und somit Verlustwärme und/oder Ansteuern der optionalen zusätzlichen Heizvorrichtung 3 erfolgen. In einem vierten Verfahrensschritt 400 wird die Bereitstellung der Wärme beendet, wenn das vordefinierte Verdampfungskriterium, wie beispielsweise eine vorgegebene Zeitdauer, eine vordefinierte Wärmemenge oder dergleichen, erfüllt ist. Das Verdampfungskriterium ist derart bestimmt, dass nach der Durchführung des Verfahrens kein Wasser W im Rezirkulationsgebläse 2 oder nur so wenig Wasser W im Rezirkulationsgebläse 2 verbleibt, dass die Bildung von Eisbrücken zwischen beweglichen Teilen des Rezirkulationsgebläses 2 oder die Verstopfung von Leitungen des Rezirkulationsgebläses 2 durch Eis auch bei einer Abkühlung des Rezirkulationsgebläses 2 unter 0 °C vermieden ist. Auf diese Weise ist ein schnelles Starten der Brennstoffzelle 1 ohne erforderliche Abschmelzprozesse gewährleistet. If the outside temperature falls below a certain temperature threshold and the fuel cell is in an inactive state, in a third method step 300, a heating device 3 of the fuel cell 1 is controlled by means of the fan control device 5 and/or the central control device 6 in such a way that heat is provided for evaporating water W at the recirculation fan 2. This can be done, for example, by specifically controlling the recirculation fan 2 to generate high iron losses and thus waste heat and/or controlling the optional additional heating device 3. In a fourth method step 400, the provision of heat is terminated when the predefined evaporation criterion, such as a predetermined period of time, a predefined amount of heat or the like, is met. The evaporation criterion is determined in such a way that after the execution of the Process no water W remains in the recirculation blower 2 or only so little water W remains in the recirculation blower 2 that the formation of ice bridges between moving parts of the recirculation blower 2 or the blockage of lines of the recirculation blower 2 by ice is avoided even when the recirculation blower 2 cools below 0 °C. In this way, rapid starting of the fuel cell 1 is ensured without the need for melting processes.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (1) mit einem1. Method for operating a fuel cell (1) with a
Rezirkulationsgebläse (2), aufweisend: Recirculation fan (2), comprising:
- Bereitstellen von Wärme zum Verdampfen von Wasser (W) am- Providing heat for evaporation of water (W) at
Rezirkulationsgebläse (2) durch eine Heizvorrichtung (3), Recirculation fan (2) through a heating device (3),
- Verdampfen des Wassers (W) am Rezirkulationsgebläse (2) durch die- Evaporation of the water (W) at the recirculation fan (2) through the
Heizvorrichtung (3), und Heating device (3), and
- Beenden der Wärmebereitstellung, wenn ein vordefiniertes Verdampfungskriterium erfüllt ist. - Stop heat supply when a predefined evaporation criterion is met.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der Wärme während einer Inaktivität der Brennstoffzelle (1) erfolgt. 2. Method according to claim 1, characterized in that the provision of heat takes place during an inactivity of the fuel cell (1).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (4) des Rezirkulationsgebläses (2) durch gezieltes Ansteuern des Elektromotors (4) als Heizvorrichtung (3) zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers (W) betrieben wird. 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that an electric motor (4) of the recirculation fan (2) is operated as a heating device (3) for providing the heat for evaporating the water (W) by targeted control of the electric motor (4).
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers (W) eine vom Rezirkulationsgebläse (2) getrennt ansteuerbare Heizvorrichtung (3) verwendet wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsgebläse (2) zum Abführen des verdampften Wassers (W) im Gebläsebetrieb betrieben wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdampfungskriterium eine bestimmte Zeitdauer zur Bereitstellung der Wärme zum Verdampfen des Wassers (W) verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Zeitdauer in Abhängigkeit einer ermittelten Wassermenge am Rezirkulationsgebläse (2) und/oder einer Verdampfungsleistung der Heizvorrichtung (3) ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (3) durch eine Gebläsesteuerungsvorrichtung (5) des Rezirkulationsgebläses (2) und/oder eine zentrale Steuerungsvorrichtung (6) der Brennstoffzelle (1) zum Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers (W) angesteuert wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außentemperatur im Bereich der Brennstoffzelle (1) ermittelt wird, wobei das Bereitstellen der Wärme zum Verdampfen des Wassers (W) gezielt erfolgt, wenn die Außentemperatur einen Temperaturschwellwert unterschreitet. Brennstoffzelle (1) zum direkten Erzeugen elektrischer Energie aus4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a heating device (3) which can be controlled separately from the recirculation fan (2) is used to provide the heat for evaporating the water (W). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the recirculation fan (2) is operated in fan mode to remove the evaporated water (W). Method according to one of the preceding claims, characterized in that a specific time period for providing the heat for evaporating the water (W) is used as the evaporation criterion. Method according to claim 6, characterized in that the specific time period is determined as a function of a determined amount of water at the recirculation fan (2) and/or an evaporation output of the heating device (3). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device (3) is controlled by a fan control device (5) of the recirculation fan (2) and/or a central control device (6) of the fuel cell (1) to provide the heat for evaporating the water (W). Method according to one of the preceding claims, characterized in that an outside temperature in the area of the fuel cell (1) is determined, wherein the provision of heat for evaporating the water (W) is carried out in a targeted manner when the outside temperature falls below a temperature threshold value. Fuel cell (1) for directly generating electrical energy from
Wasserstoff, aufweisend eine Anode (7), eine Kathode (8), eine zwischen der Anode (7) und der Kathode (8) angeordnete Elektrolytmembran (9), einen Elektrolyten (E), einen Brennstoffeinlass (10), einen Sauerstoffeinlass (11), einen Abgasauslass (12), ein Rezirkulationsgebläse (2) zum Zurückführen unverbrauchten Brennstoffs aus dem Abgasauslass (12), einen Wasserauslass (13) zum Abführen von Wasser (W) aus der Brennstoffzelle (1) und eine zentrale Steuerungsvorrichtung (6) zum Steuern der Brennstoffzelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist. Hydrogen, comprising an anode (7), a cathode (8), an electrolyte membrane (9) arranged between the anode (7) and the cathode (8), an electrolyte (E), a fuel inlet (10), a Oxygen inlet (11), an exhaust gas outlet (12), a recirculation fan (2) for returning unused fuel from the exhaust gas outlet (12), a water outlet (13) for discharging water (W) from the fuel cell (1) and a central control device (6) for controlling the fuel cell (1), characterized in that the fuel cell (1) is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
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