[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

DE102020123933A1 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle - Google Patents

Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle Download PDF

Info

Publication number
DE102020123933A1
DE102020123933A1 DE102020123933.5A DE102020123933A DE102020123933A1 DE 102020123933 A1 DE102020123933 A1 DE 102020123933A1 DE 102020123933 A DE102020123933 A DE 102020123933A DE 102020123933 A1 DE102020123933 A1 DE 102020123933A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell device
voltage
anode
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
DE102020123933.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Maurizio Mugnaini
Tobias Brune
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.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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 Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102020123933.5A priority Critical patent/DE102020123933A1/en
Publication of DE102020123933A1 publication Critical patent/DE102020123933A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), ausgehend von einem Zustand in einem Normalbetrieb (29), bei dem die durch die Brennstoffzellenvorrichtung (1) produzierte Leistung die angeforderte Leistung übersteigt, umfassend die Schritte:a) Übergang in einen Entlade-Zustand (30)- durch Absperren von kathodenseitigen Stapelisolationsventilen (11) und begrenztes Offenhalten eines anodenseitigen Druckregelventils (17) zwecks Erhöhung des anodenseitigen Druckes,- zumindest teilweises elektrisches Entladen eines mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapels (2) durch Entnahme eines Entladestromes,- Betreiben von Nebenaggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einem Leerlaufbetrieb, oder Abschalten der Nebenaggregate,b) Übergang in einen Sleep-Modus (32)- mit dem Schließen des Druckregelventils (17) und eines Wasserabscheideventils und/oder eines Purgeventils (23) in einem Anodenkreislauf (3),- Durchführung eines Druckhaltetests (33) im Anodenkreislauf (3).Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) und ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a method for operating a fuel cell device (1), starting from a state in normal operation (29) in which the power produced by the fuel cell device (1) exceeds the required power, comprising the steps: a) Transition to a discharge -Condition (30)- by shutting off cathode-side stack isolation valves (11) and keeping an anode-side pressure control valve (17) open to a limited extent in order to increase the anode-side pressure,- at least partial electrical discharge of a fuel cell stack (2) containing at least one fuel cell by drawing a discharge current,- operation of ancillary units of the fuel cell device (1) in idle mode, or switching off the ancillary units, b) transition to a sleep mode (32) - with the closing of the pressure control valve (17) and a water separation valve and/or a purge valve (23) in an anode circuit (3),- Carrying out a print holding tests (33) in the anode circuit (3). The invention further relates to a fuel cell device (1) and a fuel cell vehicle with a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-vorrichtung, ausgehend von einem Zustand in einem Normalbetrieb, bei dem die durch die Brennstoffzellenvorrichtung produzierte Leistung die angeforderte Leistung übersteigt, umfassend die Schritte:

  1. a) Übergang in einen Entlade-Zustand
    • - durch Absperren von kathodenseitigen Stapelisolationsventilen und begrenztes Offenhalten eines anodenseitigen Druckregelventils zwecks Erhöhung des anodenseitigen Druckes,
    • - zumindest teilweises elektrisches Entladen eines mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapels durch Entnahme eines Entladestromes,
    • - Betreiben von Nebenaggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Leerlaufbetrieb, oder Abschalten der Nebenaggregate,
  2. b) Übergang in einen Sleep-Modus
    • - mit dem Schließen des Druckregelventils und eines Wasserabscheideventils und/oder eines Purgeventils in einem Anodenkreislauf,
    • - Durchführung eines Druckhaltetests im Anodenkreislauf.
The invention relates to a method for operating a fuel cell device, starting from a state in normal operation in which the power produced by the fuel cell device exceeds the required power, comprising the steps:
  1. a) Transition to a discharge state
    • - by shutting off cathode-side stack isolation valves and keeping an anode-side pressure control valve open to a limited extent in order to increase the anode-side pressure,
    • - at least partial electrical discharge of a fuel cell stack having at least one fuel cell by removing a discharge current,
    • - Operating ancillary units of the fuel cell device in idle mode, or switching off the ancillary units,
  2. b) transition to a sleep mode
    • - with the closing of the pressure control valve and a water separation valve and/or a purge valve in an anode circuit,
    • - Carrying out a pressure maintenance test in the anode circuit.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention further relates to a fuel cell device and a fuel cell vehicle having a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membranelektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich der Anode und der Kathode, ist. Die Anode und die Kathode sind mit einer auf einem Kohlenstoffträger angeordneten Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.Fuel cell devices are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode unit as a core component, which is a combination of a proton-conducting membrane and one electrode, namely the anode and the cathode, arranged on both sides of the membrane. The anode and the cathode are coated with a carbon-supported catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like, which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung erforderlich ist.During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The protons H + are transported from the anode compartment to the cathode compartment via the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is supplied to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place, taking up the electrons. At the same time, in the cathode compartment, these oxygen anions react with the protons transported across the membrane to form water. This water must be removed from the fuel cell and the fuel cell stack until a humidity level that is required for the operation of the fuel cell device is reached.

Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Gewährleistung des Feuchtniveaus in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Daher wird ein Befeuchter genutzt, der bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirkt, indem die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft an einer für Wasserdampf durchlässigen Befeuchtermembran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.In order to provide sufficient oxygen from the air for the large number of fuel cells combined in a fuel cell stack, air with the oxygen contained therein is compressed by means of a compressor in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present. whose humidity is not sufficient to ensure the humidity level in the fuel cell stack for the membrane electrode unit. Therefore, a humidifier is used which, in the case of two gaseous media with a different moisture content, causes the moisture to be transferred to the drier medium, in that the dry air provided by the compressor is guided past a humidifier membrane that is permeable to water vapor, the other side of which is exposed to the moist exhaust air the fuel cell stack is coated.

Brennstoffzellen unterliegen im Laufe ihrer Lebensdauer einer Alterung. Diese Alterung besitzt einen reversiblen und einen irreversiblen Anteil und wird durch das Absinken der Spannung in einer Spannungs-Stromkennlinie (U/I-Kennlinie) beschrieben, während ein vorgegebener Strom von der Brennstoffzelle entnommen wird. So ist zu Beginn der Lebensdauer der Brennstoffzelle das Absinken der Spannung bei dem jeweiligen Strom geringer als nach fortgeschrittener Lebensdauer. Da die Alterung der Brennstoffzelle einen reversiblen Anteil aufweist, kann die Brennstoffzelle regeneriert und so der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wieder erhöht werden.Fuel cells are subject to aging over the course of their service life. This aging has a reversible and an irreversible component and is described by the drop in voltage in a voltage-current characteristic (U/I characteristic) while a specified current is drawn from the fuel cell. At the beginning of the service life of the fuel cell, the drop in voltage at the respective current is less than after the end of the service life. Since the aging of the fuel cell has a reversible proportion, the fuel cell can be regenerated and the efficiency of the fuel cell can thus be increased again.

Eine wesentliche Degradationsursache ist die Auflösung des Platinkatalysators durch Oxidaufbau in einem Betrieb der Brennstoffzelle mit hoher Zellspannung. Die Auflösung des Platinkatalysators wird insbesondere dann beschleunigt, wenn die Membranelektrodeneinheit im Zyklenbetrieb am oberen Spannungslimit betrieben wird. Dies ist beispielsweise im Leerlauf der Brennstoffzelle (auch als OCV-Betrieb bekannt, wobei OCV „open circuit voltage“: Leerlaufspannung bedeutet) oder beim Froststart der Fall. Die Auflösung des Platinkatalysators führt zu einer Abnahme der katalytisch aktiven Oberfläche, womit die Brennstoffzelle einer beschleunigten Alterung unterliegt.A major cause of degradation is the dissolution of the platinum catalyst due to the build-up of oxides when the fuel cell is operated at high cell voltage. The dissolution of the platinum catalyst is accelerated in particular when the membrane electrode unit is operated at the upper voltage limit in cyclic operation. This is the case, for example, when the fuel cell is idling (also known as OCV operation, where OCV means “open circuit voltage”) or when starting from frost. The dissolution of the platinum catalyst leads to a decrease in the catalytically active surface, which means that the fuel cell is subject to accelerated aging.

Das Absinken der Spannung kann unter anderem auf ungewollte Katalysatorbeladung durch zum Beispiel Platin-Oxid-Spezies zurückgeführt werden. Diese Oxid-Spezies bilden sich im Betrieb auf der Kathode und sind spannungsgetrieben, d.h. ihr Auf- und Abbau ist eine Funktion der Kathoden-Halbzellspannung und somit eine Funktion der Zellspannung. Dieser Aufbauprozess ist nicht verhinderbar und Teil des gewöhnlichen Betriebs. Je stärker die PtOx-Beladung, desto größer sind die Spannungsverluste. Der Spannungsverlust verhält sich logarithmisch im zeitlichen Verlauf, d.h. die größte Änderung der Spannung erfolgt in den ersten Sekunden, danach ändert sich die Spannung nur noch langsam und schleichend. Entscheidenden Einfluss auf diese Spannungsverluste hat außerdem die Zellspannung, was zu einer ausgeprägten Lastpunktabhängigkeit führt. Bei Lastpunktwechseln finden PtOx-Umbauprozesse statt - ein Wechsel auf eine höhere Spannung baut mehr PtOx auf, ein Wechsel zu einer niedrigeren Spannung baut PtOx teilweise ab. Der Auf- und Abbau-Prozess ist dabei nie abgeschlossen, sondern strebt erneut logarithmisch in der Zeit hin zu einem neuen elektrochemischen Gleichgewicht. Ein Wechsel zu einem hohen Lastpunkt und folglich einer niedrigeren Stapelspannung kann auch als Regeneration interpretiert werden, da ein Teil der unerwünschten Oxid-Beladung abgebaut wird.The drop in voltage can be attributed, among other things, to unwanted loading of the catalyst, for example by platinum oxide species. These oxide species form on the cathode during operation and are voltage-driven, i.e. their build-up and breakdown is a function of the cathode half-cell voltage and thus a function of the cell voltage. This build-up process is unavoidable and part of normal operations. The greater the PtOx loading, the greater the voltage losses. The loss of voltage behaves logarithmically over time, i.e. the greatest change in voltage occurs in the first few seconds, after which the voltage changes only slowly and gradually. The cell voltage also has a decisive influence on these voltage losses, which leads to a pronounced load point dependency. When the load point changes, PtOx conversion processes take place - a change to a higher voltage builds up more PtOx, a change to a lower voltage partially reduces PtOx. The assembly and disassembly process is never completed, but strives again logarithmically in time towards a new electrochemical equilibrium. A change to a high load point and consequently a lower stack voltage can also be interpreted as regeneration, as part of the unwanted oxide loading is removed.

Um Degradationseffekte und die Bildung von PtOx zu vermeiden, sollte eine Brennstoffzelle nicht über einer als Clip-Spannung bezeichnete Spannung betrieben werden, die niedriger als die Leerlaufspannung ist. Um diese Spannung einzustellen, muss der Brennstoffzelle ein Strom entnommen werden. Je niedriger diese Spannungsgrenze ist, desto größer ist der Strom und die Leistung, die die Brennstoffzelle in diesem Betriebspunkt generiert. Wenn diese Leistung nicht sinnvoll genutzt werden kann, zum Beispiel zum Laden einer Batterie, sinkt der Wirkungsgrad deutlich.In order to avoid degradation effects and the formation of PtOx, a fuel cell should not be operated above a voltage, referred to as the clip voltage, which is lower than the open circuit voltage. In order to set this voltage, a current must be drawn from the fuel cell. The lower this voltage limit, the greater the current and the power that the fuel cell generates at this operating point. If this power cannot be used sensibly, for example to charge a battery, the efficiency drops significantly.

Wenn die benötigte und angeforderte Leistung niedriger ist als die Leistung, die der Clip-Spannung entspricht, soll die Brennstoffzelle abgeschaltet werden. Das erneute Starten verbraucht aber zusätzliche Energie und benötigt einige Sekunden, so dass das Abschalten vermieden werden sollte.When the required and requested power is lower than the power corresponding to the clip voltage, the fuel cell shall be shut down. However, restarting consumes additional energy and takes a few seconds, so switching off should be avoided.

In der DE 10 2015 200 473 A1 wird dazu das Überführen eines Brennstoffzellensystems in einen Standby-Modus vorgeschlagen, wozu ein Reduzieren der Lastentnahme erfolgt auf eine Last, die nahe einer systemwirkungs-gradoptimalen Last liegt, ein Reduzieren des Anodendrucks und Steuern des Kathodendrucks derart, dass die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode eine maximale Druckdifferenz nicht übersteigt, ein Abschalten der Kathodengaszufuhr, wenn eine maximale Druckdifferenz gegenüber der Umgebung erreicht ist sowie ein Abschalten der Lastentnahme. Es ist also auch dann ein Wechsel in den Standby-Modus ermöglicht, wenn Betriebspunkte vorliegen, die nicht mit geringen Gasdrücken verbunden sind. Die DE 10 2016 106 795 A1 beschreibt, wie nach einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Nicht-Stromerzeugungszustand wegen der fehlenden Geräusche des Verdichters und der Kühlwasserpumpe das Geräusch des Injektors als unangenehm empfunden wird. Durch eine geeignete Betriebsweise, nämlich einer Erhöhung des Solldrucks der Anode, wird die Häufigkeit des Betriebs des Injektors verringert. Die US 2011/0250516 A1 offenbart ein Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzellenvorrichtung, bei dem die Anodenräume mit einem Inertgas gefüllt werden, um einen längeren Stillstand zu ermöglichen.In the DE 10 2015 200 473 A1 it is proposed to transfer a fuel cell system into a standby mode, for which purpose the load extraction is reduced to a load that is close to a load that is close to a system efficiency-optimal load, the anode pressure is reduced and the cathode pressure is controlled in such a way that the pressure difference between the anode and the Cathode does not exceed a maximum pressure difference, switching off the cathode gas supply when a maximum pressure difference relative to the environment is reached and switching off the load extraction. It is also possible to switch to standby mode when there are operating points that are not associated with low gas pressures. the DE 10 2016 106 795 A1 describes how, after starting the fuel cell device in a non-power generation state, the noise of the injector is uncomfortable because of the lack of noise of the compressor and the cooling water pump. A suitable mode of operation, namely an increase in the target pressure of the anode, reduces the frequency of operation of the injector. the U.S. 2011/0250516 A1 discloses a method for shutting down a fuel cell device, in which the anode compartments are filled with an inert gas to allow longer downtimes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem die Effizienz einer Brennstoffzellenvorrichtung verbessert wird. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a method with which the efficiency of a fuel cell device is improved. The object is also to provide an improved fuel cell device and an improved fuel cell vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 9 and by a fuel cell vehicle having the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass dem Brennstoffzellenstapel im Sleep-Modus keine Reaktanten zugeführt werden und dieser daher keine Leistung produziert und Brennstoff eingespart wird, während die gesamte Brennstoffzellenvorrichtung mit den Nebenaggregaten so wenig Leistung wie möglich benötigt. Ein Weiterbetrieb des Verdichters beispielsweise kann erforderlich sein, um die gesetzlichen Grenzen der Wasserstoffkonzentration im Abgas einzuhalten, indem ein Luftmassenstrom zur Verdünnung des im Abgas enthaltenen Wasserstoff dem Abgas zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass im Sleep-Modus eine Überwachungsfunktion der Anodendichtigkeit ausgeführt wird und so eine bessere Kenntnis des Systemzustandes erreicht wird. Eine Leckage kann auch im Betrieb schnellstmöglich detektiert werden.The method mentioned at the outset is characterized in that no reactants are supplied to the fuel cell stack in sleep mode and it therefore produces no power and fuel is saved, while the entire fuel cell device with the ancillary units requires as little power as possible. Further operation of the compressor may be necessary, for example, in order to comply with the legal limits for the hydrogen concentration in the exhaust gas, in that an air mass flow is supplied to the exhaust gas to dilute the hydrogen contained in the exhaust gas. It is particularly advantageous that a monitoring function of the anode tightness is carried out in the sleep mode and thus a better knowledge of the system status is achieved. A leak can also be detected as quickly as possible during operation.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Entladen des Brennstoffzellenstapels auf ein die Rückbildung von PtOx verursachendes Spannungsniveau erfolgt, insbesondere auf eine Spannung unterhalb von 400mV/Brennstoffzelle, da so eine Rückgewinnung von Leistungsverlusten möglich ist und der Brennstoffzellenstapel längere Zeit effizienter und mit langsamerer Alterung betrieben werden kann. Die Rückgewinnungsstrategie ist in das Verfahren integriert und bedarf keinen weiteren zeitlichen Aufwand.It is also advantageous if the fuel cell stack is discharged to a voltage level that causes the PtOx to form back, in particular to a voltage below 400mV/fuel cell, as this allows power losses to be recovered and the fuel cell stack to be operated more efficiently and with slower aging for a longer period of time. The recovery strategy is integrated into the process and does not require any additional expenditure of time.

Bevorzugt ist es, wenn vor dem Schritt a) ein Übergang in einen Leerlauf-Modus zwischengeschaltet wird, in dem die von dem Brennstoffzellenstapel produzierte Leistung bis zu einer Leistung verringert wird, die der Clip-Spannung entspricht, und dann der Übergang in den Entlade-Zustand erfolgt. Dieser Leerlauf-Modus wird insbesondere dann zwischengeschaltet, wenn kein beschleunigtes Erreichen des Sleep-Modus erforderlich ist, so dass das Erreichen des Sleep-Modus durch geeignete Zwischenzustände ermöglicht ist.It is preferred if, before step a), a transition to an idle mode is interposed, in which the power produced by the fuel cell stack is reduced to a power that corresponds to the clip voltage, and then the transition to the discharge mode is state takes place. This idle mode is interposed in particular when it is not necessary to reach the sleep mode more quickly, so that the sleep mode can be reached by suitable intermediate states.

Um einen Verschleiß der Membran zu mindern, wird der Arbeitspunkt des kathodenseitigen Verdichters so gewählt, dass eine Druckdifferenz über die Membran einen Schwellenwert nicht überschreitet.In order to reduce membrane wear, the working point of the cathode-side compressor is selected in such a way that a pressure difference across the membrane does not exceed a threshold value.

Möglich ist es auch, dass bei einer erhöhten Leistungsanforderung durch ein Steuergerät ein Wechsel aus dem Sleep-Modus in einen Aufwach-Modus initiiert wird, in dem die Nebenaggregate aktiviert werden und durch den Verdichter ein kathodenseitiger Luftmassenstrom bereit gestellt wird. Da im Sleep-Modus Wasserstoff über die Membran auf die Kathode diffundieren kann, was den alleinigen Verbrauch des Wasserstoffs während des Sleep-Modus darstellt, wird der Verdichter genutzt, um die gesetzliche Grenze der Wasserstoffkonzentration im Abgas einzuhalten, insbesondere wenn bei Erreichen eines Schwellenwertes für den Luftmassenstrom in einem System-Bypass die Stapelisolationsventile und das Druckregelventil geöffnet werden.It is also possible that when there is an increased power requirement, a control unit initiates a change from sleep mode to a wake-up mode in which the ancillary units are activated and an air mass flow on the cathode side is provided by the compressor. Since hydrogen can diffuse across the membrane to the cathode in sleep mode, which represents the sole consumption of hydrogen during sleep mode, the compressor is used to comply with the legal limit of hydrogen concentration in the exhaust gas, especially when a threshold value for the air mass flow in a system bypass the stack isolation valves and the pressure control valve are opened.

Bevorzugt ist weiterhin für den Neustart, dass in einem Spannungsaufbau-Modus der System-Bypass durch eine System-Bypassklappe gesperrt wird und die Spannung aufgebaut wird, da so bei Erreichen eines Schwellenwertes für die Spannung wieder in den Normalbetrieb übergegangen und Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel entnommen wird.It is also preferred for the restart that in a voltage build-up mode the system bypass is blocked by a system bypass valve and the voltage is built up, since normal operation is resumed when a threshold value for the voltage is reached and power is removed from the fuel cell stack will.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zur Durchführung der vorstehenden Verfahren eingerichteten Steuergerät und für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.The advantages and effects mentioned above also apply analogously to a fuel cell device with a control device set up for carrying out the above methods and for a fuel cell vehicle with such a fuel cell device.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine Darstellung zweier U/I-Kennlinien für das Erreichen der Clip-Spannung bei den Stromwerten I1 und I2, sowie des Wirkungsgrades (rechte Ordinate),
  • 3 ein Ablaufdiagramm zum Wechsel aus dem Normalbetrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung in den Sleep-Modus und zurück in den Normalbetrieb,
  • 4 eine zeitabhängige Darstellung des Anodendrucks mit dem geeigneten Intervall während des Sleep-Modus für eine Dichtheitsprüfung,
  • 5 eine Darstellung für die Umschaltung zwischen dem Sleep-Modus und dem Normalbetrieb in Abhängigkeit der geforderten Leistung, und
  • 6 eine tabellarische Darstellung der Zustände der Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung während der einzelnen Phasen des Verfahrens für den Wechsel aus dem Normalbetrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung in den Sleep-Modus und zurück in den Normalbetrieb, mit offenen Kreisen symbolisierend den geöffneten Zustand.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 a representation of two U/I characteristics for reaching the clip voltage at the current values I 1 and I 2 , as well as the efficiency (right ordinate),
  • 3 a flowchart for changing from normal operation of a fuel cell device to sleep mode and back to normal operation,
  • 4 a time-dependent plot of the anode pressure with the appropriate interval during sleep mode for a leak test,
  • 5 an illustration for switching between sleep mode and normal operation depending on the required power, and
  • 6 a tabular representation of the states of the components of the fuel cell device during the individual phases of the method for changing from normal operation of a fuel cell device to sleep mode and back to normal operation, with open circles symbolizing the open state.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.In the 1 a fuel cell device 1 is shown schematically, this comprising a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack 2 .

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells includes an anode, a cathode, and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the memb ran also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden ist ein Katalysator beigemischt, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst is added to the anodes and/or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and/or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 über eine Brennstoffleitung 16 mit einem Druckregelventil 17 und einem System-Absperrventil 21 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) from a fuel tank 13 via a fuel line 16 with a pressure control valve 17 and a system shut-off valve 21 via an anode chamber. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through but is impermeable to the electrons. At the anode, for example, the reaction takes place: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodenfrischgas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode fresh gas (for example oxygen or oxygen-containing air) can be supplied to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (reduction/electron absorption).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodenfrischgas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodenfrischgases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodenfrischgases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem Ladeluftkühler 5 und einem Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Since several fuel cells are combined in the fuel cell stack 2, a sufficiently large quantity of fresh cathode gas must be made available so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided by a compressor 18, with the temperature of the cathode fresh gas increasing sharply as a result of the compression of the cathode fresh gas. The conditioning of the cathode fresh gas or the fresh air gas flow, i.e. its adjustment with regard to the desired temperature and humidity in the fuel cell stack 2, takes place in a charge air cooler 5 and a humidifier 4, which causes moisture saturation of the membranes of the fuel cells to increase their efficiency, since this promotes proton transport .

1 zeigt weiterhin, dass ein Anodenkreislauf 3 zur Rezirkulation des Brennstoffes realisiert ist mit einem Rezirkulationsgebläse 15 und einem Injektor 22. In dem Anodenkreislauf 3 ist weiterhin ein Wasserabscheider 20 und ein Purgeventil 23 angeordnet. Kathodenseitig sind Stapelisolationsventile 11 zum Absperren des Brennstoffzellenstapels 2 sowie ein System-Bypass 6 mit einer System-Bypassklappe 24 vorhanden, wobei der System-Bypass 6 insbesondere genutzt werden kann, um durch den Verdichter 18 bereit gestellte Luft zur Verdünnung des Anodenabgases in der Kathodenabgasleitung 10 einzusetzen, wenn gesetzliche Grenzen zur Konzentration des Brennstoffes, insbesondere des Wasserstoffes im Anodenabgas eingehalten werden müssen. Ein Kühlkreislauf 26 mit einer Kühlmittelpumpe 25 ist weiterhin teilweise dargestellt. 1 12 also shows that an anode circuit 3 for recirculating the fuel is implemented with a recirculation fan 15 and an injector 22. A water separator 20 and a purge valve 23 are also arranged in the anode circuit 3. On the cathode side, there are stack isolation valves 11 for shutting off the fuel cell stack 2 and a system bypass 6 with a system bypass flap 24, with the system bypass 6 being able to be used in particular to allow air provided by the compressor 18 to dilute the anode exhaust gas in the cathode exhaust gas line 10 to be used when legal limits on the concentration of the fuel, in particular the hydrogen in the anode exhaust gas, must be observed. A cooling circuit 26 with a coolant pump 25 is also partially shown.

Während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 1 kommt es zu einer Katalysatorvergiftung durch Oxidbildung, was die Leistungsfähigkeit und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 1 einschränkt. Diese Degradation ist reversibel und die Durchführung eines Verfahrens zur Regeneration der Brennstoffzellenvorrichtung 1 möglich, was ausgenutzt wird, um die Spannungsverluste zu begrenzen beziehungsweise zu beseitigen. Erfolgt nämlich eine Absenkung der Zellspannung, beispielsweise durch eine erhöhte Stromentnahme bei hohen Lastpunkten, wird PtOx abgebaut. Je höher dieser Lastpunkt liegt, desto stärker ist die regenerative Wirkung. Im Idealfall ist der Laststrom so hoch, dass jede Brennstoffzelle in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Spannung unter 0,5V/Brennstoffzelle (idealerweise unter 0,4V/Brennstoffzelle) erreicht und somit in diesem Moment der Katalysator PtOx frei ist, was der maximalen Regenerationswirkung entspricht.During the operation of the fuel cell device 1, catalyst poisoning occurs due to oxide formation, which restricts the performance and the efficiency of the fuel cell device 1. This degradation is reversible and it is possible to carry out a method for regenerating the fuel cell device 1, which is used to limit or eliminate the voltage losses. If the cell voltage drops, for example due to an increased current draw at high load points, PtOx is reduced. The higher this load point is, the stronger the regenerative effect. Ideally, the load current is so high that each fuel cell in the fuel cell device 1 reaches a voltage below 0.5V/fuel cell (ideally below 0.4V/fuel cell) and the catalyst PtOx is therefore free at this moment, which corresponds to the maximum regeneration effect.

Um zu vermeiden, dass bei geringen Leistungsanforderungen, insbesondere wenn die der nachgefragten Leistung entsprechende Spannung niedriger als die Clip-Spannung 27 bei den Stromwerten i1 oder i2 der entsprechenden U/I-Kennlinien 28 liegt (2), die Brennstoffzellenvorrichtung 1 komplett ausgeschaltet werden und bei einem steigenden Leistungsbedarf wieder gestartet werden muss, ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorgesehen, ausgehend von einem Zustand in einem Normalbetrieb 29, bei dem die durch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 produzierte Leistung die von einem Steuergerät geforderte Leistung übersteigt, das die Schritte umfasst:

  1. a) Übergang in einen Entlade-Zustand 30
    • - durch Absperren von kathodenseitigen Stapelisolationsventilen 11 und begrenztes Offenhalten eines anodenseitigen Druckregelventils 17 zwecks Erhöhung des anodenseitigen Druckes,
    • - zumindest teilweises Entladen eines mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapels 2 durch Entnahme eines Entladestromes,
    • - Betreiben von Nebenaggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Leerlaufbetrieb, oder Abschalten der Nebenaggregate,
  2. b) Übergang in einen Sleep-Modus 32
    • - mit dem Schließen des Druckregelventils 17 und eines Ventrils des Wasserabscheiders 20 (Wasserabscheideventil) und/oder eines Purgeventils 23 in einem Anodenkreislauf 3
    • - Durchführung eines Druckhaltetests 33 im Anodenkreislauf 3.
In order to avoid that in the case of low power requirements, in particular when the voltage corresponding to the power demanded is lower than the clip voltage 27 at the current values i 1 or i 2 of the corresponding U/I characteristic curves 28 ( 2 ), the fuel cell device 1 can be switched off completely and has to be started again when the power requirement increases, a method is provided for operating a fuel cell device 1, starting from a state in normal operation 29, in which the power produced by the fuel cell device 1 is exceeded by a control unit required performance, which includes the steps:
  1. a) Transition to a discharge state 30
    • - by shutting off cathode-side stack isolation valves 11 and keeping an anode-side pressure control valve 17 open to a limited extent in order to increase the anode-side pressure,
    • - at least partially discharging a fuel cell stack 2 having at least one fuel cell by removing a discharge current,
    • - Operation of ancillary units of the fuel cell device 1 in an idle mode, or switching off the ancillary units,
  2. b) transition to a sleep mode 32
    • - With the closing of the pressure control valve 17 and a valve of the water separator 20 (water separator valve) and/or a purge valve 23 in an anode circuit 3
    • - Carrying out a pressure maintenance test 33 in the anode circuit 3.

Das Entladen des Brennstoffzellenstapels 2 erfolgt dabei auf ein die Rückbildung von PtOx verursachendes Spannungsniveau, insbesondere auf eine Spannung unterhalb von 400mV/Brennstoffzelle. Die für das Entladen entnommene Leistung kann zum Laden einer Batterie verwendet werden, wobei der Entladestrom so gewählt wird, dass der Strom zum Beginn des Entladens dem maximalen Strom entspricht, den die Batterie aufnehmen kann.The fuel cell stack 2 is discharged to a voltage level that causes PtOx to form back, in particular to a voltage below 400 mV/fuel cell. The power drawn for discharging can be used to charge a battery, with the discharging current being selected in such a way that the current at the start of discharging corresponds to the maximum current which the battery can absorb.

Im Sleep-Modus 32 werden grundsätzlich keine Reaktanten zugeführt, so dass der Verbrauch von Wasserstoff drastisch reduziert ist und nur noch durch Diffusion über die Membran verbraucht wird. Der Betrieb der Nebenaggregate, insbesondere des Verdichters 18 ist so gewählt, dass keine unzulässige Wasserstoffkonzentration im Abgas erreicht wird, so dass in der Regel der Leerlaufbetrieb dem Abschalten vorzuziehen ist. Auch kann hinsichtlich des Verdichters 18 darauf geachtet werden, dass vor dem Wechsel aus dem Normalbetrieb 29 in dem Sleep-Modus 32 ein Arbeitspunkt des Verdichters 18 vorliegt, der nicht zu Strömungsgeräuschen und/oder einem kathodenseitigen „Pumpen“ bei Überschreiten einer Druckgrenze in der Frischluftleitung 9 führt. Der Druckhaltetest 33 ermöglicht das Erkennen von Leckagen, indem die Wasserstoff-Druckverlustrate in Relation zu dem Druckverlust durch Diffusion über die Membran gesetzt wird. Es kann so zuverlässig detektiert werden, ob ein Ventil offen klemmt oder eine Leitung undicht ist. Dies ist in der 4 gezeigt, bei der zwischen t1 und t2 im Sleep-Modus 32 der Druckhaltetest 33 stattfindet und während des Zeitintervalls der Druck nur um Δp abfällt. Der Wechsel aus dem Normalbetrieb 29 wird insbesondere dann initiiert, wenn für die Sicherheit relevante Rahmenbedingungen erfüllt sind, insbesondere eine zulässige Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf 3 und eine ausreichende Kühlmitteltemperatur vorliegt. Dabei ist es möglich, dass vor dem Schritt a) ein Übergang in einen Leerlauf-Modus 34 zwischengeschaltet wird, in dem die von dem Brennstoffzellenstapel 2 produzierte Leistung bis zu einer Leistung verringert wird, die der Clip-Spannung 27 entspricht, und dann der Übergang in den Entlade-Zustand 30 erfolgt, wobei der Übergang in den Leerlauf-Modus 34 insbesondere dann übersprungen werden kann, wenn der Wechsel in den Sleep-Modus 32 beschleunigt werden soll. Der Arbeitspunkt des kathodenseitigen Verdichters 18 wird so gewählt, dass eine Druckdifferenz über die Membran einen Schwellenwert nicht überschreitet.Basically, no reactants are supplied in the sleep mode 32, so that the consumption of hydrogen is drastically reduced and is only consumed by diffusion across the membrane. The operation of the ancillary units, in particular the compressor 18, is selected in such a way that no impermissible hydrogen concentration is reached in the exhaust gas, so that idle operation is generally preferable to switching off. With regard to the compressor 18, care can also be taken to ensure that, before the switch from normal operation 29 to sleep mode 32, the compressor 18 is at an operating point that does not lead to flow noise and/or “pumping” on the cathode side when a pressure limit in the fresh air line is exceeded 9 leads. The pressure hold test 33 allows for the detection of leaks by relating the rate of hydrogen pressure loss to the pressure loss through diffusion across the membrane. It can thus be reliably detected whether a valve is stuck open or a line is leaking. This is in the 4 shown, in which the pressure holding test 33 takes place between t 1 and t 2 in the sleep mode 32 and during the time interval the pressure drops only by Δp. The change from normal operation 29 is initiated in particular when framework conditions relevant to safety are met, in particular a permissible hydrogen concentration in the anode circuit 3 and a sufficient coolant temperature is present. It is possible that before step a) a transition to an idle mode 34 is interposed, in which the power produced by the fuel cell stack 2 is reduced to a power that corresponds to the clip voltage 27, and then the transition takes place in the discharge state 30, wherein the transition to the idle mode 34 can be skipped in particular when the change to the sleep mode 32 is to be accelerated. The operating point of the cathode-side compressor 18 is chosen such that a pressure difference across the membrane does not exceed a threshold value.

In dem erreichten Sleep-Modus 32 kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 verharren, bis bei einer um einen Schwellenwert Δ erhöhten Leistungsanforderung (5) durch das Steuergerät ein Wechsel aus dem Sleep-Modus 32 in einen Aufwach-Modus 35 initiiert wird, in dem die Nebenaggregate aktiviert werden und durch den Verdichter 18 ein kathodenseitiger Luftmassenstrom bereit gestellt wird. Dann werden bei Erreichen eines Schwellenwertes für den Luftmassenstrom in dem System-Bypass 6 die Stapelisolationsventile 11 und das Druckregelventil 17 geöffnet.The fuel cell device 1 can remain in the sleep mode 32 that has been reached until a power requirement ( 5 ) a change from the sleep mode 32 to a wake-up mode 35 is initiated by the control unit, in which the ancillary units are activated and the compressor 18 provides an air mass flow on the cathode side. Then, when a threshold value for the air mass flow in the system bypass 6 is reached, the stack isolation valves 11 and the pressure control valve 17 are opened.

In einem Spannungsaufbau-Modus 36 wird der System-Bypass 6 durch eine System-Bypassklappe 24 gesperrt und die Spannung aufgebaut, so dass bei Erreichen eines Schwellenwertes für die Spannung wieder in den Normalbetrieb 29 übergegangen und Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 2 entnommen wird.In a voltage build-up mode 36, the system bypass 6 is blocked by a system bypass flap 24 and the voltage built up, so that when a threshold value for the voltage is reached, normal operation 29 resumes and power is drawn from the fuel cell stack 2.

Die Ablaufsteuerung mit der Statemachine ist in 3 gezeigt, die den Wechsel aus dem Normalbetrieb 29 in den Sleep-Modus 32 darstellt und zurück in den Normalbetrieb 29. Die 6 zeigt die Stellung der Ventile auf der Anodenseite und der Kathodenseite sowie das Verhalten beziehungsweise die Betriebszustände der Nebenaggregate während der einzelnen Phasen vom Normalzustand in den Sleep-Modus 32 und zurück.,The flow control with the state machine is in 3 shown, which represents the change from normal operation 29 to sleep mode 32 and back to normal operation 29. The 6 shows the position of the valves on the anode side and the cathode side as well as the behavior or the operating states of the ancillary units during the individual phases from the normal state to the sleep mode 32 and back.,

Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem zur Durchführung des Verfahrens geeignetem Steuergerät gewährleistet bei einem Brennstoffzellen-Fahrzeug dessen lange währende Leistungsfähigkeit bei guter Effizienz.In the case of a fuel cell vehicle, this fuel cell device 1 with a control unit suitable for carrying out the method ensures its long-lasting performance with good efficiency.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
Anodenkreislaufanode circuit
44
Befeuchterhumidifier
55
Ladeluftkühlerintercooler
66
System-Bypasssystem bypass
77
Befeuchter-BypassventilHumidifier Bypass Valve
88th
Frischluftdosierventilfresh air metering valve
99
Frischluftleitungfresh air line
1010
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
1111
Stapelisolationsventilstack isolation valve
1212
Brennstoffleitungfuel line
1313
Brennstofftankfuel tank
1414
Rezirkulationsleitungrecirculation line
1515
Rezirkulationsgebläserecirculation fan
1616
Brennstoffleitungfuel line
1717
Druckregelventilpressure control valve
1818
Verdichtercompressor
1919
Brennstoffdosierventilfuel metering valve
2020
Wasserabscheiderwater separator
2121
System-AbsperrventilSystem shut-off valve
2222
Injektorinjector
2323
Purgeventilpurge valve
2424
System-BypassklappeSystem Bypass Damper
2525
Kühlmittelpumpecoolant pump
2626
Kühlkreislaufcooling circuit
2727
Clip-Spannungclip tension
2828
U/I-KennlinieU/I characteristic
2929
Normalbetriebnormal operation
3030
Entlade-Zustanddischarge state
3131
Tankabsperrventiltank shut-off valve
3232
Sleep-Modus sleep mode
3333
Druckhaltetestpressure hold test
3434
Leerlauf-Modusidle mode
3535
Aufwach-Moduswake-up mode
3636
Spannungsaufbau-ModusTension build mode
3737
DC/DC-WandlerDC/DC converter
3838
Turbinendruckregelventilturbine pressure control valve
3939
Wasserabscheideklappewater separation flap
4040
Anodendruckanode pressure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102015200473 A1 [0011]DE 102015200473 A1 [0011]
  • DE 102016106795 A1 [0011]DE 102016106795 A1 [0011]
  • US 2011/0250516 A1 [0011]US 2011/0250516 A1 [0011]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), ausgehend von einem Zustand in einem Normalbetrieb (29), bei dem die durch die Brennstoffzellenvorrichtung (1) produzierte Leistung die angeforderte Leistung übersteigt, umfassend die Schritte: a) Übergang in einen Entlade-Zustand (30) - durch Absperren von kathodenseitigen Stapelisolationsventilen (11) und begrenztes Offenhalten eines anodenseitigen Druckregelventils (17) zwecks Erhöhung des anodenseitigen Druckes, - zumindest teilweises elektrisches Entladen eines mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapels (2) durch Entnahme eines Entladestromes, - Betreiben von Nebenaggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einem Leerlaufbetrieb, oder Abschalten der Nebenaggregate, b) Übergang in einen Sleep-Modus (32) - mit dem Schließen des Druckregelventils (17) und eines Wasserabscheideventils und/oder eines Purgeventils (23) in einem Anodenkreislauf (3), - Durchführung eines Druckhaltetests (33) im Anodenkreislauf (3).Method for operating a fuel cell device (1), starting from a state in normal operation (29), in which the power produced by the fuel cell device (1) exceeds the required power, comprising the steps: a) Transition to a discharge state (30) - by shutting off cathode-side stack isolation valves (11) and keeping an anode-side pressure control valve (17) open to a limited extent in order to increase the anode-side pressure, - at least partial electrical discharging of a fuel cell stack (2) having at least one fuel cell by taking a discharge current, - Operating ancillary units of the fuel cell device (1) in an idle mode, or switching off the ancillary units, b) transition to a sleep mode (32) - with the closing of the pressure control valve (17) and a water separation valve and/or a purge valve (23) in an anode circuit (3), - Carrying out a pressure maintenance test (33) in the anode circuit (3). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen des Brennstoffzellenstapels (2) auf ein die Rückbildung von PtOx verursachendes Spannungsniveau erfolgt, insbesondere auf eine Spannung unterhalb von 400mV/Brennstoffzelle.procedure after claim 1 , characterized in that the fuel cell stack (2) is discharged to a voltage level which causes the reformation of PtOx, in particular to a voltage below 400 mV/fuel cell. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt a) ein Übergang in einen Leerlauf-Modus (34) zwischengeschaltet wird, in dem die von dem Brennstoffzellenstapel (2) produzierte Leistung bis zu einer Leistung verringert wird, die der Clip-Spannung (27) entspricht, und dann der Übergang in den Entlade-Zustand (30) erfolgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that before step a) a transition to an idle mode (34) is interposed in which the power produced by the fuel cell stack (2) is reduced to a power which corresponds to the clip voltage (27). , and then the transition to the discharge state (30) takes place. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt des kathodenseitigen Verdichters (18) so gewählt wird, dass eine Druckdifferenz über die Membran einen Schwellenwert nicht überschreitet.procedure after claim 3 , characterized in that the operating point of the cathode-side compressor (18) is selected so that a pressure difference across the membrane does not exceed a threshold value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erhöhten Leistungsanforderung durch das Steuergerät ein Wechsel aus dem Sleep-Modus (32) in einen Aufwach-Modus (35) initiiert wird, in dem die Nebenaggregate aktiviert werden und durch den Verdichter (18) ein kathodenseitiger Luftmassenstrom bereit gestellt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that when there is an increased power requirement, the control unit initiates a change from the sleep mode (32) to a wake-up mode (35), in which the ancillary units are activated and a cathode-side air mass flow is provided by the compressor (18). is provided. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines Schwellenwertes für den Luftmassenstrom in einem System-Bypass (6) die Stapelisolationsventile (11) und das Druckregelventil (17) geöffnet werden.procedure after claim 5 , characterized in that when a threshold value for the air mass flow is reached in a system bypass (6), the stack isolation valves (11) and the pressure control valve (17) are opened. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Spannungsaufbau-Modus (36) der System-Bypass (6) durch eine System-Bypassklappe (24) gesperrt wird und die Spannung aufgebaut wird.procedure after claim 6 , characterized in that in a voltage build-up mode (36) the system bypass (6) is blocked by a system bypass flap (24) and the voltage is built up. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines Schwellenwertes für die Spannung wieder in den Normalbetrieb (29) übergegangen und Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel (2) entnommen wird.procedure after claim 7 , characterized in that when a threshold value for the voltage is reached, the system switches back to normal operation (29) and power is removed from the fuel cell stack (2). Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Fuel cell device (1) with a control unit which is set up to carry out a method according to one of Claims 1 until 8th . Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.Fuel cell vehicle with a fuel cell device (1). claim 9 .
DE102020123933.5A 2020-09-15 2020-09-15 Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle Pending DE102020123933A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020123933.5A DE102020123933A1 (en) 2020-09-15 2020-09-15 Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020123933.5A DE102020123933A1 (en) 2020-09-15 2020-09-15 Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020123933A1 true DE102020123933A1 (en) 2022-03-17

Family

ID=80351452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020123933.5A Pending DE102020123933A1 (en) 2020-09-15 2020-09-15 Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020123933A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090035630A1 (en) 2007-07-31 2009-02-05 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and shutdown method of the same
DE102009001630A1 (en) 2009-03-18 2010-09-23 Volkswagen Ag Fuel cell system operating method for use in motor vehicle, involves initially starting supply of di-oxygen, and determining setting and retaining process of stand-by voltage level at direct current network
US20110250516A1 (en) 2008-09-17 2011-10-13 Belenos Clean Power Holding Ag Method of shut-down and starting of a fuel cell
DE102013015025A1 (en) 2013-09-10 2015-03-12 Daimler Ag Method for starting a fuel cell system
DE102015200473A1 (en) 2015-01-14 2016-07-14 Volkswagen Aktiengesellschaft Method for transferring a fuel cell system into a stand-by mode and corresponding fuel cell system
DE102016106795A1 (en) 2015-06-25 2016-12-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha The fuel cell system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090035630A1 (en) 2007-07-31 2009-02-05 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and shutdown method of the same
US20110250516A1 (en) 2008-09-17 2011-10-13 Belenos Clean Power Holding Ag Method of shut-down and starting of a fuel cell
DE102009001630A1 (en) 2009-03-18 2010-09-23 Volkswagen Ag Fuel cell system operating method for use in motor vehicle, involves initially starting supply of di-oxygen, and determining setting and retaining process of stand-by voltage level at direct current network
DE102013015025A1 (en) 2013-09-10 2015-03-12 Daimler Ag Method for starting a fuel cell system
DE102015200473A1 (en) 2015-01-14 2016-07-14 Volkswagen Aktiengesellschaft Method for transferring a fuel cell system into a stand-by mode and corresponding fuel cell system
DE102016106795A1 (en) 2015-06-25 2016-12-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha The fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010005294B4 (en) A fuel cell system and method for purging water from a fuel cell stack at system shutdown
DE102014210511B4 (en) Fuel cell management procedures
DE102008006729A1 (en) Strategies for reducing cell degradation during turn-on and turn-off with H2 / N2 storage
DE102008047393B4 (en) Method for fast and reliable starting of fuel cell systems
DE102013204455A1 (en) The fuel cell system
DE102014224135B4 (en) Method for shutting down a fuel cell stack and fuel cell system
WO2022053191A1 (en) Method for distinguishing the cause of voltage losses in a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle having such a device
DE102013100398A1 (en) Operating procedure for a simplified fuel cell system
DE102021115086B3 (en) Method for regenerating a fuel cell device
DE102009001630A1 (en) Fuel cell system operating method for use in motor vehicle, involves initially starting supply of di-oxygen, and determining setting and retaining process of stand-by voltage level at direct current network
DE102020113105A1 (en) Method of turning off a fuel cell device
DE102015118304B4 (en) Fuel cell system and control method therefor
DE102019209767A1 (en) Method for parking a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle
DE102020123933A1 (en) Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle
DE102015119150B4 (en) Method for manufacturing a fuel cell
DE102020112916A1 (en) Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with such
DE102020128127A1 (en) Method for operating a fuel cell system and fuel cell system
DE102020115662A1 (en) Method for determining the thermal aging of a fuel cell stack and fuel cell system
DE102019128422A1 (en) Method for restarting a fuel cell device after a previous shutdown, fuel cell device and motor vehicle
DE102020105476A1 (en) Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with such
DE102020102692A1 (en) Method for operating a fuel cell system as well as a fuel cell system and a motor vehicle with a fuel cell system
DE102020116712A1 (en) Method for parking a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle
DE102020100599A1 (en) Method for a freeze start of a fuel cell system, fuel cell system and motor vehicle with such a system
DE102020102398A1 (en) Method for regenerating a fuel cell device and a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device
DE102020114746B4 (en) Method for shutting down a fuel cell device and fuel cell device and motor vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE