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DE102009048247A1 - Method for operating fuel cell system of e.g. ship in water, involves operating valve device in opened condition when pressure within anode area of valve device is larger or equal to pressure in cathode area of valve device - Google Patents

Method for operating fuel cell system of e.g. ship in water, involves operating valve device in opened condition when pressure within anode area of valve device is larger or equal to pressure in cathode area of valve device Download PDF

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DE102009048247A1
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DE
Germany
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valve device
fuel cell
anode
region
cell system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102009048247A
Other languages
German (de)
Inventor
Bernd Dipl.-Ing. Maier
Cosimo Dipl.-Ing. Mazzotta
Sven Dr.-Ing. Schmalzriedt
Thorsten Tüxen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG, Ford Global Technologies LLC filed Critical Daimler AG
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Abstract

The method involves supplying fuel to an anode area (3) of a fuel cell (2), and supplying an oxidant to a cathode area (4) of the fuel cell. Anode exhaust gas is recirculated by a recirculation line from an anode output to an anode input. A valve device (14) is operated in an opened condition when mass flow of the oxidant exceeds a preset value and pressure within an anode area of the valve device is larger or equal to the pressure in a cathode area of the valve device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system having at least one fuel cell according to the type defined in greater detail in the preamble of claim 1. Further, the invention relates to a use of the method.

Ein derartiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationsleitung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist beispielsweise aus der DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen mit einer sogenannten Anodenloop reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der DE 101 15 336 A1 kann die „Entsorgung” dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.Such a structure of a fuel cell system with a recirculation line for returning the anode exhaust gas in the anode input is for example from DE 101 15 336 A1 known. In such systems with a so-called anode loop, nitrogen and water accumulate in the recirculated anode exhaust gas over time. Therefore, it is known from the general state of the art and described in the above-mentioned document that in the region of the recirculation line valve devices are arranged, which are opened from time to time to the nitrogen from the area of the recirculation line and the area of the anode space to blow off accordingly. According to the DE 101 15 336 A1 For example, the "disposal" of this exhaust gas from the region of the anode loop can be effected in different regions, which typically each have a catalytic surface or are in connection with another component which has such a catalytic surface. This structure is common because, together with the nitrogen, there will always be a small amount of hydrogen in the vented gas, which can be rendered harmless in this way. In order to be able to dissipate the product water of the fuel cell arising in the region of the anode exhaust gas, is in the DE 101 15 336 A1 Furthermore, a water separator described in the recirculation line.

Aus der internationalen Anmeldung WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop bekannt, welcher hierin als Brennstoffkreis bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers (Drain) und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases (Purge) kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat, wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas aus dem Anodenloop über die Ventileinrichtung des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert. Der Aufbau ist dabei dennoch vergleichsweise komplex und anfällig, da er eine Vielzahl von Sensoren zur Ansteuerung der gemeinsamen Ventileinrichtung benötigt. Insbesondere die dabei beschriebenen Füllstandssensoren eines Wasserabscheiders sind in der Praxis sehr anfällig gegen Schmutz und verursachen daher häufig Störungen, welche die Verwendung des in der WO-Schrift beschriebenen Verfahrens erschweren.From the international application WO 2008/052578 A1 Also known is a fuel cell system having an anode loop, referred to herein as a fuel loop. The special feature of this design is that the functionality of the water separator with a drain valve to drain the water (drain) and the functionality of the blow-off valve for blowing off the nitrogen-containing gas (purge) are combined. The structure provides that a water separator is provided with a valve device. Whenever a correspondingly large amount of water has accumulated, it is drained from the water separator via the valve device. In addition, after the water is drained, gas exits the anode loop via the valve means of the water separator before it is closed again. The functionality, which was distributed in the above-mentioned writing on two separate components, is thereby integrated into a single component. The structure is still relatively complex and vulnerable, since it requires a large number of sensors for controlling the common valve device. In particular, the level sensors of a water separator described here are in practice very susceptible to dirt and therefore often cause disturbances which complicate the use of the method described in the WO document.

Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ferner die DE 103 11 785 A1 bekannt. Darin ist eine Verbindung des Kathodenbereichs mit dem Anodenbereich einer Brennstoffzelle beschrieben, insbesondere einer Brennstoffzelle, welche mit einem wasserstoffhaltigen Gas aus einer Gaserzeugungseinrichtung betrieben wird. Derartiger Wasserstoff weist üblicherweise eine gewisse Verunreinigung mit Kohlenmonoxid auf, welche dem Katalysator im Bereich des Anodenraums schadet. Daher wird über die Verbindung bei Bedarf Luft in den Wasserstoff eingebracht, welcher dieses Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert und damit die Menge des für den Katalysator schädlichen Kohlenmonoxids minimiert. Die Ansteuerung erfolgt dabei über einen entsprechenden Druckunterschied zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich der Kathode, sodass bei geringerem Druck im Bereich der Anode Luft über die Öffnung in den Bereich der Anode strömt (Airbleed). Andersherum kann dieser Aufbau auch dazu genutzt werden, Gas aus dem Bereich der Anode in den Bereich der Kathode strömen zu lassen, nämlich immer dann, wenn die Druckverhältnisse umgekehrt sind (Purge). Auch dies wird in dem Aufbau gemäß der DE 103 11 785 A1 genutzt, um beispielsweise das entstehende Kohlendioxid, oder im Falle eines Anodenloop den sich anreichernden Stickstoff zusammen mit dem Kohlendioxid in den Bereich der Kathode abzublasen.From the further general state of the art is also the DE 103 11 785 A1 known. Therein a connection of the cathode region to the anode region of a fuel cell is described, in particular a fuel cell, which is operated with a hydrogen-containing gas from a gas generating device. Such hydrogen usually has some contamination with carbon monoxide, which damages the catalyst in the region of the anode space. Therefore, if necessary, air is introduced into the hydrogen via the compound, which oxidizes this carbon monoxide to carbon dioxide and thus minimizes the amount of carbon monoxide harmful to the catalyst. The control takes place via a corresponding pressure difference between the region of the anode and the region of the cathode, so that at lower pressure in the region of the anode air flows through the opening in the region of the anode (Airbleed). On the other hand, this structure can also be used to allow gas to flow from the region of the anode into the region of the cathode, namely whenever the pressure conditions are reversed (purge). This is also in the structure according to the DE 103 11 785 A1 used, for example, to blow off the resulting carbon dioxide, or in the case of an anode loop, the accumulating nitrogen together with the carbon dioxide in the region of the cathode.

Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik ist außerdem noch die WO 2008/052577 A1 bekannt. In dieser ist ein Aufbau beschrieben, bei dem aus dem Bereich der Anodenrezirkulation ein Gasstrom in den Bereich des Kathodeneingangs eingebracht wird. Dabei kann die Zufuhr an verschiedenen Stellen und/oder über verschiedene Arten von Aufbereitungseinrichtungen erfolgen.For further general state of the art is also still the WO 2008/052577 A1 known. In this, a structure is described in which from the area of the anode recirculation, a gas stream is introduced into the region of the cathode input. In this case, the supply can take place at different locations and / or via different types of treatment devices.

Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, bei welchem mit minimalem Aufwand sicher und zuverlässig der Austrag von Wasser und Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung realisiert werden kann.It is now the object of the present invention to provide a method for operating a fuel cell system according to the preamble of claim 1, in which the discharge of water and gas from the area of the recirculation line can be realized safely and reliably with minimal effort.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. The dependent claims describe advantageous embodiments and developments of the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt dabei sicher, dass die Ventileinrichtung immer nur dann geöffnet werden kann, wenn vorbestimmte Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems vorliegen. Die Ventileinrichtung nimmt also ihren geöffneten Zustand nur dann ein, wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist und über der Ventileinrichtung keine oder eine in Richtung der Anodenseite abfallende Druckdifferenz gegeben ist. Damit wird sicher und zuverlässig verhindert, dass in den Bereich der Rezirkulationsleitung und damit letztlich in den Anodenbereich Sauerstoff gelangt, welcher dann zu entsprechenden Reaktionen mit dem Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, führen würde. Eine solche Reaktion würde die Lebensdauer der Brennstoffzelle gegebenenfalls negativ beeinflussen. Außerdem wechselt die Ventileinrichtung nur dann in ihren geöffneten Zustand, wenn zusätzlich zu den bereits beschriebenen Bedingungen ein Massenstrom des Oxydationsmittels zu dem Kathodenbereich vorliegt, welcher über einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Der Grenzwert ist dabei so vorzugeben, dass der gesamte in dem ausgetragenen Gas verbleibende Brennstoff, typischerweise also Wasserstoff, mit dem Sauerstoff überstöchiometrisch oder zumindest stöchiometrisch reagieren kann, sodass sichergestellt ist, dass kein Brennstoff durch den Kathodenraum mit dem Abgas aus dem Kathodenraum an die Umgebung gelangt. Nur wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind, wird der Ventileinrichtung gestattet, in den geöffneten Zustand zu wechseln. Damit lassen sich unerwünschte Emissionen und die Brennstoffzelle gegebenenfalls schädigende Gasströme sicher und zuverlässig vermeiden. The method according to the invention ensures that the valve device can only ever be opened when predetermined operating conditions of the fuel cell system are present. The valve device thus only assumes its open state when the fuel cell system is in operation and no pressure difference or a pressure drop that falls in the direction of the anode side is given across the valve device. This reliably and reliably prevents the passage of oxygen into the region of the recirculation line and thus ultimately into the anode region, which would then lead to corresponding reactions with the fuel, typically hydrogen. Such a reaction would possibly adversely affect the life of the fuel cell. In addition, the valve device only changes to its open state if, in addition to the conditions already described, a mass flow of the oxidizing agent to the cathode region is present, which is above a predetermined limit. The limit value is to be set in such a way that the entire fuel remaining in the discharged gas, typically hydrogen, can react with the oxygen excessively stoichiometrically or at least stoichiometrically, so that it is ensured that no fuel passes through the cathode space with the exhaust gas from the cathode space to the surroundings arrives. Only when all three conditions are met will the valve device be allowed to change to the open state. This allows safe and reliable avoidance of unwanted emissions and potentially damaging gas flows to the fuel cell.

In einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei so, dass die Ventileinrichtung im geöffneten Zustand ständig offen gehalten wird.In a very favorable and advantageous embodiment of the structure according to the invention, it is so that the valve device is kept open in the open state.

Immer dann, wenn die oben genannten drei Bedingungen vorliegen, wird die Ventileinrichtung also im geöffneten Zustand gehalten. Dies bedeutet, dass anfallendes Wasser über die Ventileinrichtung aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung um den Anodenbereich abgeführt werden kann. Sobald dieses Wasser abgeführt ist, wird außerdem eine geringe Menge an Gas mit abgeführt werden, bis sich neues Wasser angesammelt hat. Dies führt zu einem kontinuierlichen oder quasi kontinuierlichen Abströmen von Gasen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung. Damit werden inerte Gase sicher und zuverlässig ausgetragen, sodass die Konzentration des Brennstoffs nicht unter einen für den Betrieb der Brennstoffzelle sinnvollen Wert absinkt.Whenever the above three conditions are present, the valve device is thus kept in the open state. This means that accumulating water can be removed via the valve device from the region of the recirculation line to the anode region. In addition, once this water has been removed, a small amount of gas will be removed with it until new water has accumulated. This leads to a continuous or quasi-continuous outflow of gases from the area of the recirculation line. This inert gases are safely and reliably discharged, so that the concentration of the fuel does not fall below a meaningful for the operation of the fuel cell value.

Dabei hat die ständig offen gehaltene Ventileinrichtung den entscheidenden Vorteil, dass diese für einen kontinuierlichen Drain und Purge sorgt, ohne dass zu ihrer Ansteuerung Sensoren, beispielsweise ein Brennstoffkonzentrationssensor im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder sehr anfällige Wasserstandssensoren im Bereich eines Wasserabscheiders oder dergleichen, notwendig sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also ein sehr einfaches und damit kostengünstiges und zuverlässiges Brennstoffzellensystem.The permanently open valve device has the decisive advantage that it ensures a continuous drain and purge without the need for their control sensors, such as a fuel concentration sensor in the recirculation line and / or very vulnerable water level sensors in the range of a water separator or the like , The method according to the invention thus makes possible a very simple and thus cost-effective and reliable fuel cell system.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dagegen vorgesehen, dass die Ventileinrichtung im geöffneten Zustand getaktet geöffnet wird.In a particularly favorable and advantageous alternative embodiment of the method according to the invention, on the other hand, it is provided that the valve device is opened in clocked fashion in the opened state.

Dieser Aufbau, bei dem durch die drei eingangs genannten Bedingungen ebenfalls geprüft werden, bevor die Ventileinrichtung in den geöffneten Zustand wechselt, ist nun so ausgestaltet, dass immer dann, wenn der geöffnete Zustand erlaubt ist, die Ventileinrichtung getaktet geöffnet und damit auch wieder geschlossen wird. Dieser getaktete Betrieb der Ventileinrichtung erlaubt den Einsatz einer einfachen und kostengünstigen Ventileinrichtung, welche lediglich einen offenen und einen geschlossenen Zustand kennt. Durch eine entsprechende Taktung lassen sich dennoch Volumen beziehungsweise Massenströme der durch die Ventileinrichtung strömenden Medien einstellen, indem diese für einen vorgegebenen Zeitraum strömen und dann wieder für einen vorgegebenen Zeitraum nicht strömen können. Dieser Aufbau erlaubt es dann, den Drain und den Purge über eine weitere Abhängigkeit zu steuern beziehungsweise zu regeln, beispielsweise durch die Modulation einer Pulsweite der Taktung in Abhängigkeit des aktuellen Lastzustandes des Brennstoffzellensystems.This structure, in which are also checked by the three conditions mentioned above, before the valve device changes to the open state, is now designed so that whenever the open state is allowed, the valve device is opened in clocked and thus closed again , This clocked operation of the valve device allows the use of a simple and inexpensive valve device, which knows only an open and a closed state. By appropriate timing can still volume or mass flow of the media flowing through the valve device set by these flow for a predetermined period and then again can not flow for a predetermined period. This structure then makes it possible to control or regulate the drain and the purge via a further dependency, for example by modulating a pulse width of the clocking as a function of the current load state of the fuel cell system.

Unabhängig davon, wie die Ventileinrichtung im geöffneten Zustand betrieben wird, kann die Menge an Wasser und Gas, die über die Ventileinrichtung ausgetragen wird, in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Drucks im Anodenbereich gesteuert werden.Regardless of how the valve device is operated in the open state, the amount of water and gas which is discharged via the valve device can be controlled in an advantageous development of the method according to the invention on the basis of the pressure in the anode region.

Durch eine entsprechende Steuerung des Drucks im Anodenbereich oder auch des Differenzdrucks zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich lässt sich so der Massenstrom der ausgetragenen Medien durch eine Steuerung der Drücke entsprechend beeinflussen.By appropriate control of the pressure in the anode region or the differential pressure between the anode region and the cathode region, the mass flow of the discharged media can thus be influenced correspondingly by controlling the pressures.

In einer sehr günstigen und vorteilhaften Alternative zu einer solchen Steuerung kann es auch vorgesehen sein, dass beispielsweise die Konzentration des im Gas enthaltenen Brennstoffs im Eingangsbereich des Kathodenbereiches anhand des Drucks im Anodenbereich geregelt wird.In a very favorable and advantageous alternative to such a control, it may also be provided that, for example, the concentration of the fuel contained in the gas in the input region of the cathode region is regulated by means of the pressure in the anode region.

Hierfür kann über einen vergleichsweise einfachen Sensor eine sehr detaillierte Regelung realisiert werden, sodass über eine Nachführung des Anodendruckes oder des Differenzdrucks zwischen Kathode und Anode sehr konstante Betriebsbedingungen einstellbar sind.This can be done via a comparatively simple sensor a very detailed control be realized so that very constant operating conditions can be adjusted via a tracking of the anode pressure or the differential pressure between the cathode and anode.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass ein Durchflussfaktor der Ventileinrichtung im geöffneten Zustand anhand der Größe des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird.In a further very advantageous embodiment of the method according to the invention, it can also be provided that a flow factor of the valve device in the open state is predetermined based on the size of the fuel cell system.

Durch eine gezielte Auslegung der Ventileinrichtung hinsichtlich ihres Durchflussfaktors beziehungsweise Durchflusskoeffizienten (kv-Wert) kann ein zu dem jeweiligen Brennstoffzellensystem passender Durchfluss realisiert werden, sodass sich ansammelndes Wasser und sich ansammelndes inertes Gas (quasi-)kontinuierlich abströmen können. Durch die Wahl des geeigneten zum System und zu dem dort umgesetzten Volumen an Edukten passenden kv-Werts kann ein Verlust an Brennstoff auf ein tolerierbares Minimum begrenzt werden.By a specific design of the valve device with regard to its flow factor or flow coefficient (kv value) can be realized suitable flow to the respective fuel cell system, so that accumulating water and accumulating inert gas (quasi) can flow off continuously. By choosing the appropriate kv value appropriate for the system and the volume of reactants reacted there, a loss of fuel can be limited to a tolerable minimum.

Eine besonders geeignete Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems in einem Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft eingesetzt wird. Insbesondere bei derartigen Transportmitteln, wie beispielweise Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder dergleichen, ist es wichtig, einen einfachen, kompakten und leichten Aufbau des Brennstoffzellensystems realisieren sowie sicher und zuverlässig Betreiben zu können, da zusätzliches Gewicht immer auch zusätzlichen, im Allgemeinen nur schwer verfügbaren Bauraum benötigt, und da zusätzliches Gewicht immer auch zusätzliche Energie zur Fortbewegung erforderlich macht. Außerdem kann bei entsprechend hohen Stückzahlen, wie sie beispielsweise für Kraftfahrzeuge angedacht sein können, ein entscheidender Vorteil darin gesehen werden, dass das erfindungsgemäße das Verfahren mit einem minimalen Aufwand hinsichtlich der Steuerung/Regelung auskommt. Insbesondere ist dabei ein sehr sicherer und zuverlässiger Betrieb möglich, da keine Sensorik notwendig ist, welche unter extremen Bedingungen, wie zum Beispiel Stöße, Vibrationen, Temperaturschwankungen, wie sie bei derartigen Transportmitteln sehr häufig auftreten, gegebenenfalls versagen könnte.A particularly suitable use of the method according to the invention provides that the method is used for operating the fuel cell system in a means of transport on land, in the water or in the air. In particular, in such means of transport, such as vehicles, ships, aircraft or the like, it is important to realize a simple, compact and lightweight construction of the fuel cell system and safe and reliable operation, since additional weight always additional, generally difficult to build space needed, and because additional weight always requires additional energy to move. In addition, with a correspondingly high number of items, as can be considered, for example, for motor vehicles, a decisive advantage can be seen in the fact that the method according to the invention requires only minimal effort with regard to the control. In particular, a very safe and reliable operation is possible because no sensor technology is necessary, which under extreme conditions, such as shocks, vibrations, temperature fluctuations, as they occur very often in such means of transport could possibly fail.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend, unter Bezugnahme auf die anhand der Figuren näher erläutert wird.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which is explained below with reference to the reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer ersten Ausführungsform zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; 1 a schematic representation of a fuel cell system in a first embodiment for use with the inventive method;

2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer zweiten Ausführungsform zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und 2 a schematic representation of a fuel cell system in a second embodiment for use with the method according to the invention; and

3 einen Logikplan zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 a logic diagram for the course of the method according to the invention.

In der Darstellung gemäß 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack. Die Brennstoffzelle 2 in Form eines PEM-Brennstoffzellenstacks wird nun mit Brennstoff, hier beispielsweise Wasserstoff, und einem Oxydationsmittel, hier insbesondere Luft, versorgt. Die Erfindung wird in den Ausführungsbeispielen anhand einer solchen mit Luft und Wasserstoff betriebenen PEM-Brennstoffzelle 2 beschrieben, ohne dass das erfindungsgemäße Verfahren auf den Betrieb einer solchen Brennstoffzelle 2 mit den genannten Stoffströmen eingeschränkt werden soll.In the illustration according to 1 is a fuel cell system 1 in a relevant to the present invention section highly schematized indicated. Most important component of the fuel cell system 1 is a fuel cell 2 which is typically designed as a stack of individual fuel cells, as a so-called fuel cell stack. The fuel cell 2 has an anode area 3 and a cathode region 4 on, which should be separated from each other in the embodiments shown here by a proton-conducting membrane. At the fuel cell 2 So it is a so-called PEM fuel cell stack. The fuel cell 2 in the form of a PEM fuel cell stack is now supplied with fuel, here for example hydrogen, and an oxidizing agent, in particular air here. In the exemplary embodiments, the invention is based on such a PEM fuel cell operated with air and hydrogen 2 described, without the inventive method on the operation of such a fuel cell 2 to be restricted with the mentioned material flows.

Der Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 wird nun mit Wasserstoff als Brennstoff aus einer Speichereinrichtung 5 versorgt. Dabei ist ein Ventil 6 vorgesehen, welches den Zustrom an Wasserstoff zum Anodenbereich 3 regelt beziehungsweise steuert, und welches im Allgemeinen auch den in der Speichereinrichtung 5 unter einem sehr hohen Druck gespeicherten Wasserstoff auf einen für den Anodenbereich 3 geeigneten Druck mindert. In der Brennstoffzelle 2 reagiert dieser Wasserstoff dann mit einem Massenstrom an Oxydationsmittel, welcher über eine Fördereinrichtung 7 dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Ein Abgasstrom des Oxydationsmittels, in diesem Fall also ein Abgasstrom an hinsichtlich des Sauerstoffgehalts abgereicherter Luft, wird dann über eine Abgasleitung 8 an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben. Das Abgas aus dem Kathodenbereich 4 führt dabei außerdem einen Teil des in der Brennstoffzelle 2 entstehenden Produktwassers mit sich. Es handelt sich also um einen typischerweise feuchten Abgasstrom. Um nun ein Austrocknen der PEM-Membranen der Brennstoffzelle 2 zu vermeiden, kann es optional vorgesehen sein, dass dieser feuchte Abgasstrom in einem Gas-Gas-Befeuchter 9, welcher hier optional angedeutet ist, den zum Kathodenbereich 4 strömenden Massenstrom der Luft befeuchtet. Ein solcher Befeuchter 9 kann dabei aus Membranen bestehen, welche für dampfförmiges Wasser, nicht jedoch für den Gasstrom selbst, durchgängig sind. Strömt auf der einen Seite der Membran nun der heiße trockene Massenstrom der Luft zu dem Kathodenbereich 4 und auf der anderen Seite der Membran der feuchte Abgasstrom, so wird die Feuchte vom Abgasstrom auf den Massenstrom des Oxydationsmittels übertragen und ein Austrocknen der Membranen kann verhindert werden.The anode area 3 the fuel cell 2 is now using hydrogen as fuel from a storage device 5 provided. There is a valve 6 provided, which the influx of hydrogen to the anode area 3 controls, and which generally also in the memory device 5 stored under a very high pressure hydrogen to one for the anode area 3 appropriate pressure decreases. In the fuel cell 2 This hydrogen then reacts with a mass flow of oxidizing agent, which via a conveyor 7 the cathode area 4 the fuel cell 2 is supplied. An exhaust gas flow of the oxidant, in this case an exhaust gas flow with respect to the oxygen content depleted air, is then via an exhaust pipe 8th to the environment of the fuel cell system 1 issued. The exhaust gas from the cathode area 4 it also performs a part of the fuel cell 2 resulting product water with him. It is therefore a typically moist exhaust gas stream. To now dry out the PEM membranes of the fuel cell 2 it can avoid it optionally be provided that this humid exhaust gas flow in a gas-gas humidifier 9 , which is optionally indicated here, that to the cathode region 4 flowing mass flow of air humidifies. Such a humidifier 9 may consist of membranes, which are continuous for vaporous water, but not for the gas stream itself. Flows on one side of the membrane now the hot dry mass flow of air to the cathode area 4 and on the other side of the membrane, the moist exhaust gas stream, the moisture is transferred from the exhaust stream to the mass flow of the oxidant and drying of the membranes can be prevented.

Auf der Seite des Anodenbereichs 3 ist es nun so, dass der Wasserstoff aus der Speichereinrichtung 5 im Anodenbereich 3 nicht vollständig umgesetzt wird. Typischerweise verbleibt Abgasstrom, welcher neben Restwasserstoff auch im Anodenbereich 3 anfallendes Produktwasser und durch die Membranen hindurchdiffundiertes inertes Gas, insbesondere Stickstoff, enthält. Dieser Abgasstrom wird zur Nutzung des in ihm verbleibenden Restwasserstoffs über eine Rezirkulationsleitung 10 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 11 rezirkuliert und gelangt zusammen mit frischem Wasserstoff aus der Speichereinrichtung 5 zurück in den Anodenbereich 3. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 anfallendes Wasser kann dabei über einen Wasserabscheider 12 abgeschieden und gesammelt werden.On the side of the anode area 3 It is now so that the hydrogen from the storage device 5 in the anode area 3 not fully implemented. Typically, exhaust gas remains, which in addition to residual hydrogen in the anode area 3 resulting product water and through the membranes diffused through inert gas, in particular nitrogen. This exhaust gas flow is to use the residual hydrogen remaining in it via a recirculation line 10 and a recirculation conveyor 11 recirculates and passes out of the storage device together with fresh hydrogen 5 back to the anode area 3 , In the area of the recirculation line 10 accumulating water can thereby via a water separator 12 be separated and collected.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 ist es nun so, dass dieser Wasserabscheider 12 über eine Verbindungsleitung 13 und eine darin befindliche Ventileinrichtung 14 mit dem Zustrom des Luftmassenstroms entsprechend verbunden ist. Wasser, welches sich in dem Wasserabscheider 12 sammelt, wird bei geöffneter Ventileinrichtung 14 also über die Verbindungsleitung 13 in den Bereich des Luftmassenstroms eingebracht und gelangt zusammen mit diesem über die Fördereinrichtung 7 in den Kathodenbereich 4. Sobald in dem Wasserabscheider 12 kein flüssiges Wasser mehr vorliegt, wird außerdem eine gewisse Menge an Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 10, und hier liegt als Gas überwiegend Stickstoff mit einem gewissen Anteil an Restwasserstoff vor, in den Bereich des Luftmassenstroms und damit in den Kathodenbereich 4 gelangen. Restwasserstoff wird dann an den Elektrokatalysatoren des Kathodenbereichs 4 mit Sauerstoff aus dem Luftmassenstrom reagieren, sodass keine Emissionen an Wasserstoff über die Abgasleitung 8 aus dem Brennstoffzellensystem 1 heraus auftreten.In the embodiment of the fuel cell system shown here 1 It is now so that this water separator 12 over a connecting line 13 and a valve device located therein 14 is connected to the influx of air mass flow accordingly. Water, which is in the water separator 12 collects when the valve device is open 14 So over the connection line 13 introduced into the region of the air mass flow and passes together with this on the conveyor 7 in the cathode area 4 , Once in the water separator 12 no liquid water is present, is also a certain amount of gas from the area of the recirculation line 10 , and here is as a gas predominantly nitrogen with a certain proportion of residual hydrogen, in the range of the air mass flow and thus in the cathode area 4 reach. Residual hydrogen is then added to the electrocatalysts of the cathode region 4 react with oxygen from the air mass flow, so that no emissions of hydrogen through the exhaust pipe 8th from the fuel cell system 1 to occur out.

In der Darstellung der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu erkennen, bei dem der einzige Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 darin besteht, dass die Verbindungsleitung 13 zwischen der Luftfördereinrichtung 7 und dem Kathodenbereich 4 in den Luftmassenstrom mündet, und nicht vor der Fördereinrichtung 7. Außerdem wurde auf die Darstellung des optionalen Befeuchters 9 verzichtet.In the presentation of the 2 is another embodiment to recognize, in which the only difference from the embodiment of the fuel cell system 1 according to 1 it consists in that the connecting line 13 between the air conveyor 7 and the cathode area 4 flows into the air mass flow, and not in front of the conveyor 7 , It also focused on the appearance of the optional humidifier 9 waived.

Ergänzend zu diesen hier beiden dargestellten Ausführungsbeispielen wäre es selbstverständlich auch denkbar, einen Aufbau zu realisieren, bei dem die Verbindungsleitung 13 zwischen zwei Luftfördereinrichtungen beziehungsweise zwischen den Stufen einer zweistufigen Luftfördereinrichtung mündet und zuvor gegebenenfalls noch weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Gehäuse der Brennstoffzelle 2, durchströmt.In addition to these two illustrated embodiments, it would of course also conceivable to realize a structure in which the connecting line 13 between two air conveyors or between the stages of a two-stage air conveyor opens and previously possibly further components, such as a housing of the fuel cell 2 , flows through.

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nun in der Ansteuerung der Ventileinrichtung 14. Diese wird gemäß dem in 3 dargestellten Logikplan angesteuert. Zuerst wird dabei geprüft, ob das Brennstoffzellensystem 1 (BZS) in Betrieb ist. Nur wenn diese Prüfung eine wahre Aussage ergibt, gelangt ein wahrer Wert zu einer ersten UND-Verknüpfung 15. Außerdem wird ständig der Massenstrom dm/dt der Luft als Oxydationsmittel überwacht. Dies kann beispielsweise mittels eines Luftmassensensor oder sehr einfach anhand der Drehzahl der Luftfördereinrichtung 7 sowie gegebenenfalls einem Kennfeld erfolgen. Der so erfasste Luftmassenstrom dm/dt wird dann mit einem vorgegebenen Wert eines Luftmassenstroms dm/dt verglichen. Sobald der aktuelle Luftmassenstrom über diesem vorgegebenen Wert liegt, entsteht ein wahrer Wert, welcher weiter zu einem zweiten UND-Gatter 16 gelangt.The core of the method according to the invention is now in the control of the valve device 14 , This is done according to the in 3 displayed logic diagram driven. First, it is checked if the fuel cell system 1 (BZS) is in operation. Only if this check yields a true statement does a true value arrive at a first AND operation 15 , In addition, the mass flow dm / dt of the air as an oxidant is constantly monitored. This can be done for example by means of an air mass sensor or very simply based on the speed of the air conveyor 7 and possibly a map. The thus-detected air mass flow dm / dt is then compared with a predetermined value of an air mass flow dm / dt. As soon as the current air mass flow is above this predetermined value, a true value is created, which continues to a second AND gate 16 arrives.

Außerdem wird ein Druckgefälle über der Ventileinrichtung 14 beziehungsweise die Druckdifferenz zwischen dem Druck pA im Anodenbereich 3 und dem Druck pK im Kathodenbereich 4 entsprechend überwacht. Nur wenn eine Druckdifferenz vorliegt, welche 0 oder größer ist, entsteht aus dieser Überwachung ein wahrer Wert. Die beiden Werte aus der Überwachung des Massenstroms dm/dt und des Drucks pK gelangen nach der UND-Verknüpfung im UND-Gatter 16 ebenfalls zu dem UND-Gatter 15 und werden mit dem Test, ob das Brennstoffzellensystem 1 in Betrieb ist, ebenfalls mit einer UND-Verknüpfung verknüpft. Sobald alle drei Werte einen wahren Wert ergeben, erfolgt dann die Erlaubnis an die Ventileinrichtung 14, in einen geöffneten Zustand zu wechseln.In addition, a pressure drop across the valve device 14 or the pressure difference between the pressure p A in the anode region 3 and the pressure p K in the cathode region 4 monitored accordingly. Only if there is a pressure difference which is 0 or greater does this monitoring give rise to a true value. The two values from the monitoring of the mass flow dm / dt and the pressure p K arrive after the AND operation in the AND gate 16 also to the AND gate 15 and be with the test, whether the fuel cell system 1 is in operation, also linked to an AND operation. As soon as all three values give a true value, permission is given to the valve device 14 to change to an open state.

Dieser Aufbau stellt sicher, dass die Ventileinrichtung 14 nur dann geöffnet wird, wenn das Brennstoffzellensystem 1 in Betrieb ist. Dies ist wichtig, um beispielsweise eine geöffnete Ventileinrichtung 14 dann zu verhindern, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist und über die Ventileinrichtung Sauerstoff in den Bereich der Rezirkulationsleitung 10 und damit in den Anodenbereich 3 eindringen könnte. Beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems würde dies zu einer Mischung von Brennstoff und Sauerstoff im Anodenbereich 3 führen, welcher beim Abreagieren die Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 nachteilig beeinflusst und im Extremfall zum Entstehen explosionsfähiger Gemische von Wasserstoff und Sauerstoff führen könnte.This construction ensures that the valve device 14 only opened when the fuel cell system 1 is in operation. This is important, for example, an open valve device 14 then to prevent when the fuel cell system is not in operation and via the valve means oxygen in the region of the recirculation line 10 and thus into the anode area 3 penetration could. Upon restart of the fuel cell system, this would result in a mixture of fuel and oxygen in the anode region 3 lead, which in Abreagieren the life of the fuel cell 2 adversely affected and in extreme cases could lead to the formation of explosive mixtures of hydrogen and oxygen.

Außerdem wird durch den Vergleich der Massenströme dm/dt und dm0/dt sichergestellt, dass ein ausreichender Luftmassenstrom zu dem Kathodenbereich 4 strömt, bevor die Ventileinrichtung 14 geöffnet wird. Dies hat den Vorteil, dass immer eine ausreichende Menge an Luft und damit eine ausreichende Menge an Sauerstoff im Kathodenbereich 4 vorliegt, um mit über die Ventileinrichtung 14 ausgetragenen Gas und darin befindlichen Restwasserstoff abreagieren zu können. Der Wert des Massenstroms dm0/dt wird deshalb so vorgegeben, dass immer in allen Betriebszuständen eine zumindest stöchiometrische – insbesondere überstöchiometrische – Menge an Sauerstoff im Verhältnis zum eingetragenen Wasserstoff vorhanden ist. Der so vorgegebene Wert des Luftmassenstroms dm0/dt wird dazu typischerweise in einer Größenordnung von ca. 30–60% des Luftmassenstroms im Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 gewählt. Bei einem Brennstoffzellensystem in einer elektrischen Nennleistung von 80 kW und einem Luftmassenstrom von ca. 17 kg/h im Leerlaufbetrieb würde dies zu einem Wert dm0/dt von weniger als 10 kg/h führen.In addition, the comparison of the mass flows dm / dt and dm 0 / dt ensures that a sufficient air mass flow to the cathode region 4 flows before the valve device 14 is opened. This has the advantage that always a sufficient amount of air and thus a sufficient amount of oxygen in the cathode area 4 present to over with the valve device 14 Abreacted gas and it contained residual hydrogen to react. The value of the mass flow dm 0 / dt is therefore specified so that always in all operating states an at least stoichiometric - in particular superstoichiometric - amount of oxygen in relation to the registered hydrogen is present. The value of the air mass flow dm 0 / dt given in this way is typically of the order of magnitude of approximately 30-60% of the air mass flow during idling operation of the fuel cell system 1 selected. In a fuel cell system with an electrical rating of 80 kW and an air mass flow of approximately 17 kg / h in idling mode, this would result in a value dm 0 / dt of less than 10 kg / h.

Die letzte Abfrage hinsichtlich des Drucks P stellt nochmals sicher, dass im Anodenbereich 3 und im Kathodenbereich 4 zumindest derselbe Druck P herrscht, sodass zumindest sichergestellt, dass kein Sauerstoff beziehungsweise keine Luft aus dem zum Kathodenbereich 4 geförderten Luftmassenstrom in den Anodenbereich 3 eindringt. Ein solches Eindringen von Luft und insbesondere ein Vermischen dieser Luft mit dem Wasserstoff im Anodenbereich 3 hätte ähnliche nachteilige Folgen auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 und würde im Extremfall zum Entstehen explosionsfähiger Gemische von Wasserstoff und Sauerstoff führen, wie das oben schon beschriebene Eindringen von Luft in den Anodenbereich 3 im Fall des Stillstands.The last query regarding the pressure P again ensures that in the anode area 3 and in the cathode area 4 at least the same pressure P prevails, so that at least ensures that no oxygen or no air from the cathode area 4 conveyed air mass flow into the anode area 3 penetrates. Such an intrusion of air and in particular a mixing of this air with the hydrogen in the anode region 3 would have similar adverse consequences on the life of the fuel cell 2 and would in extreme cases lead to the formation of explosive mixtures of hydrogen and oxygen, such as the above-described penetration of air into the anode region 3 in the case of standstill.

Erst wenn alle diese Bedingungen vorliegen und ein Öffnen der Ventileinrichtung 14 für einen kombinierten Drain/Purge möglich ist, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen geöffneten Zustand der Ventileinrichtung 14.Only when all these conditions are present and an opening of the valve device 14 is possible for a combined drain / purge, the inventive method allows an open state of the valve device 14 ,

In einer besonders einfachen und günstigen Variante kann es dabei vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung 14 ständig offen gehalten wird. Dann erfolgt ein kontinuierlicher Drain, also eine kontinuierliche Abfuhr des sich ansammelnden Wassers. Sobald im Bereich der Ventileinrichtung 14 und der Verbindungsleitung 13 kein Wasser mehr vorliegt, erfolgt außerdem eine Abfuhr von Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 10, der Purge. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass er ohne weitere Sensoren auskommen kann. Die abströmende Rate des Gases aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung lässt sich dabei durch eine geeignete Wahl des Durchflussfaktors, des sogenannten kv-Werts, je nach Leistung und Größe des Brennstoffzellensystems festlegen. Damit lässt sich ein optimaler Drain und Purge realisieren, ohne dass weitere Sensoren, wie beispielsweise Füllstandssensoren im Bereich des Wasserabscheiders 12, notwendig wären. Eine solche Funktionalität ist auch in der älteren Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 014 592.3 der Anmelder beschrieben.In a particularly simple and favorable variant, it may be provided that the valve device 14 is always kept open. Then there is a continuous drain, so a continuous discharge of the accumulating water. Once in the area of the valve device 14 and the connection line 13 no water is present, there is also a discharge of gas from the area of the recirculation line 10 , the purge. This structure has the advantage that it can do without further sensors. The outflowing rate of the gas from the region of the recirculation line can be determined by a suitable choice of the flow factor, the so-called kv value, depending on the power and size of the fuel cell system. This allows an optimal drain and purge to be realized without additional sensors, such as level sensors in the area of the water separator 12 , would be necessary. Such functionality is also in the earlier application with the file number DE 10 2009 014 592.3 the applicant described.

Da in dieser Ausgestaltung der Durchflussfaktor der Ventileinrichtung 14 als Wert einmal anhand der Größe des Brennstoffzellensystems 1 bei dessen Planung und Dimensionierung vorgegeben wird, ist hierüber prinzipiell keine Variation der über den Purge abgeführten Menge an Gas möglich. Um dennoch die Menge während des Betriebs unterschiedlich beeinflussen zu können, kann es vorgesehen sein, dass der im Anodenbereich 3 zum Beispiel über die Ventileinrichtung 6 eingestellte Druck entsprechend variiert wird. Damit ergibt sich eine veränderliche Druckdifferenz zwischen der dem Anodenbereich 3 zugewandten Seite der Ventileinrichtung 14 und der dem Kathodenbereich 4 zugewandten Seite der Ventileinrichtung 14. Über diese Druckdifferenz beziehungsweise den Druck im Anodenbereich 3 lässt sich dann die Menge an gepurgtem Gas entsprechend steuern.As in this embodiment, the flow factor of the valve device 14 as a value once based on the size of the fuel cell system 1 In its planning and dimensioning is given, this is in principle no variation of the purge discharged amount of gas possible. Nevertheless, in order to be able to influence the amount differently during operation, it may be provided that the one in the anode area 3 for example via the valve device 6 adjusted pressure is varied accordingly. This results in a variable pressure difference between the anode region 3 facing side of the valve device 14 and the cathode area 4 facing side of the valve device 14 , About this pressure difference or the pressure in the anode region 3 can then control the amount of purged gas accordingly.

Um die Funktionalität noch weiter zu verbessern kann es außerdem vorgesehen sein, dass im Eingangsbereich des Kathodenbereichs 4 ein Sensor für den Wasserstoff angebracht wird. Dann ist es denkbar, über eine entsprechende Veränderung des Drucks im Anodenbereich 3 beziehungsweise der Druckdifferenz zwischen Anodenbereich 3 und Kathodenbereich 4 den Durchfluss durch die Ventileinrichtung 14 zu regeln. So könnte beispielsweise auf eine konstante Konzentration von Wasserstoff im Eingangsbereich des Kathodenbereichs 4 geregelt werden. Dann wäre immer sichergestellt, dass aufgrund der konstanten Konzentration ein quasi-kontinuierlicher Purge erfolgt, welcher die Regelung und Steuerung des Systems ansonsten unbeeinflusst lässt.In order to improve the functionality even further, it can also be provided that in the input area of the cathode area 4 a sensor for the hydrogen is attached. Then it is conceivable, via a corresponding change in the pressure in the anode region 3 or the pressure difference between the anode region 3 and cathode area 4 the flow through the valve device 14 to regulate. For example, it could be a constant concentration of hydrogen in the entrance area of the cathode area 4 be managed. Then it would always be ensured that, due to the constant concentration, a quasi-continuous purge takes place, which otherwise leaves the regulation and control of the system unaffected.

In einer alternativen oder ergänzend eingesetzten Variante kann der geöffnete Zustand der Ventileinrichtung 14 durch einen getakteten Betrieb der Ventileinrichtung 14 gestaltet werden. Die Ventileinrichtung 14 wird auch dann nur in diesen getakteten Betrieb wechseln, wenn über die oben erläuterte Logik signalisiert worden ist, dass ein geöffneter Zustand der Ventileinrichtung 14 erlaubt wird. Die Ventileinrichtung 14 wird dann aber nicht gänzlich geöffnet und offen gehalten, so lang die Bedingungen vorliegen, sondern wird, während die Bedingungen vorliegen, getaktet betrieben. Damit lässt sich, ohne dass ein Proportionalventil eingesetzt werden müsste, der durch die Ventileinrichtung 14 strömende Volumenstrom beziehungsweise Massenstrom beeinflussen. Die Taktung kann dabei durch eine Steuerung mit modulierbarer Pulsweite vorgegeben werden. Über diese modulierte Pulsweite werden also unterschiedliche Zeiten von geöffneten und geschlossenen Zuständen der Ventileinrichtung 14 in schneller Abfolge zueinander realisiert. Die Modulation der Pulsweite kann beispielsweise in Abhängigkeit der Leistung des Brennstoffzellensystems beziehungsweise in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle 2 abgerufenen und ohnehin gemessenen elektrischen Leistung erfolgen. Da die Leistung in etwa mit dem Verbrauch an Wasserstoff und Sauerstoff einhergeht, wird durch die Leistung auch in etwa die Menge an anfallendem Wasser und/oder anfallenden inerten Gasen im Anodenbereich 3 vorhersagbar. Wird nun der Massenstrom durch die Ventileinrichtung 14 anhand der Leistung gesteuert, so kann auch hier ohne weitere Sensorik oder dergleichen sichergestellt werden, dass nicht mehr Wasserstoff als notwendig beim Purge verloren geht und das andererseits das anfallende Wasser sicher und zuverlässig abgeführt wird. Auch diesem getakteten Betrieb der Ventileinrichtung 14 ist dabei, wie bereits erwähnt, die in 3 dargestellte Logik vorgeschaltet beziehungsweise übergeordnet, sodass auch beim getakteten Betrieb keine Betriebszustände auftreten können, welche die Performance und die Lebensdauer der Brennstoffzelle 2 nachteilig beeinflussen würden.In an alternative or supplementary variant used, the open state of the valve device 14 by a timed operation of the valve device 14 be designed. The valve device 14 will only switch to this clocked operation, if it has been signaled via the logic explained above, that an open Condition of the valve device 14 is allowed. The valve device 14 However, it is then not fully opened and kept open as long as the conditions are present, but is operated in a clocked manner while the conditions are present. This makes it possible, without a proportional valve should be used by the valve device 14 influence flowing volume flow or mass flow. The timing can be specified by a controller with modulatable pulse width. About this modulated pulse width so different times of open and closed states of the valve device 14 realized in quick succession to each other. The modulation of the pulse width can, for example, in dependence on the performance of the fuel cell system or as a function of the fuel cell 2 retrieved and measured anyway electrical power done. Since the power is approximately associated with the consumption of hydrogen and oxygen, the power is also about the amount of accumulating water and / or accumulating inert gases in the anode region 3 predictable. Will now the mass flow through the valve device 14 Controlled by the power, so it can be ensured here without further sensor or the like that no more hydrogen is lost as necessary in the purge and on the other hand, the accumulated water is safely and reliably dissipated. Also this clocked operation of the valve device 14 is, as already mentioned, the in 3 shown upstream or higher, so that even in the pulsed operation no operating conditions can occur which the performance and the life of the fuel cell 2 would adversely affect.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren kann der Betrieb eines Brennstoffzellensystems 1 so realisiert werden, dass dieses hinsichtlich der Sensorik minimiert und hinsichtlich der Zuverlässigkeit maximiert werden kann. Ein solches System eignet sich nun besonders gut, um in Transportmitteln, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, eingesetzt zu werden, um elektrische Antriebsenergie zu erzeugen.With the method according to the invention, the operation of a fuel cell system 1 be realized so that this can be minimized in terms of the sensor and maximized in terms of reliability. Such a system is now particularly well suited to be used in means of transport, for example in motor vehicles, in order to generate electrical drive energy.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10115336 A1 [0002, 0002, 0002] DE 10115336 A1 [0002, 0002, 0002]
  • WO 2008/052578 A1 [0003] WO 2008/052578 A1 [0003]
  • DE 10311785 A1 [0004, 0004] DE 10311785 A1 [0004, 0004]
  • WO 2008/052577 A1 [0005] WO 2008/052577 A1 [0005]
  • DE 102009014592 [0038] DE 102009014592 [0038]

Claims (14)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle, wobei einem Anodenbereich der Brennstoffzelle ein Brennstoff und einem Kathodenbereich der Brennstoffzelle ein Oxydationsmittel zugeführt wird, wobei Anodenabgas von einem Anodenausgang über eine Rezirkulationsleitung zu einem Anodeneingang rezirkuliert wird, und wobei Wasser und/oder Gas über eine Ventileinrichtung aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung in den Kathodenbereich abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (14) immer nur dann in einem geöffneten Zustand betrieben wird, wenn das Brennstoffzellensystem (1) in Betrieb ist und der Massenstrom (dm/dt) des Oxydationsmittels einen vorgegebenen Wert (dm0/dt) überschreitet, und wenn der Druck (pA) im anodenseitigen Bereich der Ventileinrichtung (14) größer oder gleich dem Druck (pK) im kathodenseitigen Bereich der Ventileinrichtung (14) ist.A method for operating a fuel cell system having at least one fuel cell, wherein an anode region of the fuel cell, a fuel and a cathode region of the fuel cell is supplied to an oxidizing agent, wherein anode exhaust gas is recirculated from an anode outlet via a recirculation line to an anode inlet, and wherein water and / or gas via a Valve device is discharged from the region of the recirculation line in the cathode region, characterized in that the valve device ( 14 ) is operated only in an open state, when the fuel cell system ( 1 ) is in operation and the mass flow (dm / dt) of the oxidant exceeds a predetermined value (dm 0 / dt), and when the pressure (p A ) in the anode-side region of the valve device ( 14 ) greater than or equal to the pressure (p K ) in the cathode-side region of the valve device ( 14 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (14) im geöffneten Zustand ständig offen gehalten wird.Method according to claim 1, characterized in that the valve device ( 14 ) is kept constantly open in the open state. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (14) im geöffneten Zustand getaktet geöffnet wird.Method according to claim 1, characterized in that the valve device ( 14 ) is opened clocked in the open state. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktung durch eine Steuerung mit modulierbarer Pulsweite vorgegeben wird.A method according to claim 3, characterized in that the timing is predetermined by a controller with modulatable pulse width. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Modulation der Pulsweite der aktuelle Lastzustand des Brennstoffzellensystems (1) einfließt.A method according to claim 4, characterized in that in a modulation of the pulse width of the current load state of the fuel cell system ( 1 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Wasser und Gas, die über die Ventileinrichtung (14) ausgetragen wird, anhand des Drucks (pA) im Anodenbereich (3) gesteuert wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the amount of water and gas passing through the valve device ( 14 ) is discharged, based on the pressure (p A ) in the anode region ( 3 ) is controlled. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Wasser und Gas, die über die Ventileinrichtung (14) ausgetragen wird, anhand des Drucks (pA) im Anodenbereich (3) auf eine konstante Konzentration des im Gas enthaltenen Brennstoffs im Eingangsbereich des Kathodenbereichs (4) geregelt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the amount of water and gas passing through the valve device ( 14 ) is discharged, based on the pressure (p A ) in the anode region ( 3 ) to a constant concentration of the fuel contained in the gas in the input region of the cathode region ( 4 ) is regulated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert des Massenstroms (dm0/dt) des Oxydationsmittels bei 30–60% des im Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) vorliegenden Massenstrom (dm/dt) des Oxydationsmittels gewählt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the predetermined value of the mass flow (dm 0 / dt) of the oxidizing agent at 30-60% of the idle mode of the fuel cell system ( 1 ) present mass flow (dm / dt) of the oxidizing agent is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung (10) flüssiges Wasser in einem Wasserabscheider (12) gesammelt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the region of the recirculation line ( 10 ) liquid water in a water separator ( 12 ) is collected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflussfaktor (kv-Wert) der Ventileinrichtung (14) im geöffneten Zustand anhand der Größe des Brennstoffzellensystems (1) vorgegeben wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that a flow factor (kv value) of the valve device ( 14 ) in the open state on the basis of the size of the fuel cell system ( 1 ) is given. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeführte Wasser und Gas dem Kathodenbereich in der Art zugeführt wird, dass es mit dem Massenstrom (dm/dt) des Oxydationsmittels nach wenigstens einer ersten Fördereinrichtung (7) für den Massenstrom (dm/dt) des Oxydationsmittels gemischt wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the discharged water and gas is supplied to the cathode region in such a way that it with the mass flow (dm / dt) of the oxidizing agent according to at least a first conveyor ( 7 ) is mixed for the mass flow (dm / dt) of the oxidizing agent. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeführte Wasser und Gas dem Kathodenbereich 4 in der Art zugeführt wird, dass es mit dem Massenstrom (dm/dt) des Oxydationsmittels vor wenigstens einer ersten Fördereinrichtung (7) für den Massenstrom (dm/dt) des Oxydationsmittels gemischt wird.Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the discharged water and gas to the cathode region 4 is fed in such a way that it is mixed with the mass flow (dm / dt) of the oxidizing agent before at least one first conveying device ( 7 ) is mixed for the mass flow (dm / dt) of the oxidizing agent. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in einem Brennstoffzellensystem (1) in einem Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft.Use of a method according to one of claims 1 to 12 in a fuel cell system ( 1 ) in a means of transport on land, in the water or in the air. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass über das Brennstoffzellensystem (1) elektrische Energie für den Antrieb erzeugt wird.Use according to claim 13, characterized in that via the fuel cell system ( 1 ) electrical energy is generated for the drive.
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