AT523030B1 - Brennstoffzellensystem, Speichermittel, Computerprogrammprodukt und Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Brennstoffzellensystem, Speichermittel, Computerprogrammprodukt und Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels (11), aufweisend die Schritte: Pumpen des Temperierfluids in einem Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch Brennstoffzellenstapel (11), und Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11) entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11) zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt, wobei das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs wenigstens so lange durchgeführt wird, bis die Temperatur im Brennstoffzellenstapel (10) zumindest bereichsweise über 5°C liegt, wobei das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom mit nur ca. 20% des durch die Pumpe (15) maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung (14) gepumpt wird.

Description

Beschreibung
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM, SPEICHERMITTEL, COMPUTERPROGRAMMPRODUKT UND VERFAHREN ZUM AUFHEIZEN EINES BRENNSTOFFZELLENSTAPELS
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels. Außerdem betrifft die Erfindung ein nichtflüchtiges Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines Aufheizbetriebs.
[0002] Der Kaltstart von Brennstoffzellensystemen, insbesondere von PEM-Systemen, unterliegt einer exakten Regelung von mehreren physikalischen Größen, damit dieser erfolgreich durchgeführt werden kann. Um darüber hinaus auch die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems so lang wie möglich zu halten, sind durchdachte Systeme und Verfahren für verschiedene Betriebszustände des Brennstoffzellensystems notwendig. Besonders wichtig für einen erfolgreichen Kaltstart ist die Betriebshistorie vor dem und der Kaltstopp selbst des Brennstoffzellensystems. Diese entscheiden wesentlich über Erfolg oder Misserfolg des Kaltstarts.
[0003] Während eines Kaltstarts ist es wichtig, dass der Brennstoffzellenstapel auf eine Temperatur von insbesondere deutlich über 0°C aufgeheizt wird. Wird der Startvorgang zu früh abgebrochen, kann Wasser, das während des Aufheizbetriebs erzeugt wird, erneut gefrieren und Funktionsbauteile wie einen Katalysator oder Gaskanäle blockieren. Andererseits kann es passieren, dass der Katalysator vollständig mit Eis zufriert, bevor die Temperatur hoch genug ist. Dadurch können diese Funktionsbauteile in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt werden, beschädigt werden und/oder das Brennstoffzellensystem gar nicht erst gestartet werden.
[0004] Zur Lösung dieser Problemstellung sind im Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt. Zunächst wird versucht, die thermische Masse eines Kühlkreislaufes des Brennstoffzellensystems und dadurch das erzeugte Wasser während des Kaltstarts entsprechend gering zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Kühlreislauf relativ klein ausgestaltet wird. Wegen vorgegebenen Mindestanforderung an die Kühlung im Normalbetrieb sind dieser Maßnahme Grenzen gesetzt. Das Kühlmittelvolumen lässt sich auch nicht beliebig verringern.
[0005] Ferner sind Lösungsansätze bekannt, bei welchen ein spezifischer Kühlkreislauf mit einer zweiten Kühlmittelbumpe ausschließlich für den Kaltstart des Brennstoffzellensystems bereitgestellt sind. Eine solche Lösung erhöht jedoch den Komplexitätsgrad des Brennstoffzellensystems und sorgt weiter für eine erhöhte Fehleranfälligkeit des Gesamtsystems.
[0006] Weitere Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems sind beispielsweise aus der DE 102012005837 A1 und der DE 102007034300 A1 bekannt.
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System sowie ein Verfahren für einen verbesserten Kaltstart eines Brennstoffzellensystems zu schaffen.
[0008] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 9 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, dem erfindungsgemäßen Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.
[0009] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Durch
führen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Temperierabschnitt zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels, einen Wärmetauscher zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt und den Wärmetauscher, eine Sensoreinheit zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel, sowie eine Pumpe zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung vom Wärmetauscher durch den Temperierabschnitt, auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Pumpen des Temperierfluids während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel, und
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei
- das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
[0010] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass die thermische Masse des Temperierfluids innerhalb des Brennstoffzellenstapels durch das erfindungsgemäße hin und her pumpen, also das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung, trotz eines Temperierkreislaufes mit normaler Größe auf einfache Weise relativ gering gehalten werden kann. Die Gefahr von Frost und/oder Eisbildung im Brennstoffzellenstapel während des Aufheizbetriebs des Brennstoffzellensystems kann damit entsprechend reduziert werden. Auf die Verwendung eines separaten, besonders klein ausgestalteten Temperierkreislaufes kann mithin verzichtet werden. Damit können Kosten gespart werden. Außerdem kann der Komplexitätsgrad des Brennstoffzellensystems niedrig gehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem einfach in bestehenden Brennstoffzellensystemen verwendet werden.
[0011] Unter der ersten Richtung kann eine Vorwärtsrichtung verstanden werden und unter der zweiten Richtung kann eine Rückwärtsrichtung verstanden werden, oder umgekehrt. Die verwendete Pumpe kann entsprechend für einen Vorwärtsbetrieb zum Pumpen des Temperierfluids in die erste Richtung und für einen Rückwärtsbetrieb zum Pumpen des Temperierfluids in die zweite Richtung ausgestaltet sein.
[0012] Unter dem Temperierfluid kann ein Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels während des Funktionsbetriebs und/oder eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Der Wärmetauscher ist bevorzugt in Form eines Radiators ausgestaltet. So kann der Wärmetauscher ebenfalls als Temperiereinheit verstanden werden.
[0013] Das Durchführen des Aufheizbetriebs kann als Durchführen eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems verstanden werden, also ein Einschalten und/oder Hochfahren des Brennstoffzellensystems, bei welchem die Umgebungstemperatur und/oder zumindest die Temperatur in wenigstens einem Teilbereich des Temperierfluids unter dem Gefrierpunkt und/oder 0°C liegt.
[0014] Sobald die durch die Sensoreinheit ermittelte Temperatur über dem Gefrierpunkt, 0°C und/oder über einer vordefinierten Temperatur über dem Gefrierpunkt liegt, kann das Temperierfluid nur noch in die erste oder in die zweite Richtung gepumpt werden. D. h., es kann auf einen Normalbetrieb ohne Drehzahlumkehr in der Pumpe umgeschaltet werden.
[0015] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass bei einem Verfahren das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs wenigstens so lange durchgeführt wird, bis die Temperatur im Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise, also zumindest in Bereichen des Brennstoffzellenstapels, über 5°C liegt.
Damit kann eine erhöhte Sicherheit erzielt werden, um zu verhindern, dass sich in manchen Bereichen des Brennstoffzellenstapels noch Frost bildet, während die Temperaturen in anderen Bereichen des Brennstoffzellenstapels bereits über dem Gefrierpunkt liegen. Das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs wird vorzugsweise nur so lange durchgeführt, bis die Temperatur im Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise in einem Temperaturbereich zwischen 5°C und 10°C liegt. Sobald die Temperatur im Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise die vorgegebene Temperatur erreicht hat, kann in einen Normalbetrieb, also einen Betrieb, in welchem das Temperierfluid nur in die erste Richtung oder nur in die zweite Richtung gepumpt wird, umgeschaltet werden. Die oben angeführten Temperaturwerte liegen insbesondere in großen Bereichen vor, sodass ein erneutes Einfrieren bei nachströmendem, kaltem Kühlmittel verhindert wird.
[0016] Ferner ist es vorgesehen, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von nur ca. 20% des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird. Das minimiert den Energieverbrauch während des Froststarts und hilft, die hin- und her gepumpte Menge leichter zu regeln. Ein frühzeitiges Zufrieren kann entsprechend gut verhindert und/oder reduziert werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom in einem Bereich zwischen 10% und 50%, insbesondere in einem Bereich zwischen 10% und 30%, des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird.
[0017] Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn bei einem Verfahren gemäß der Erfindung die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird. D. h., wenn anhand der ermittelten, steigenden Temperatur der Aufheizbetrieb erkannt wird, kann die gepumpte Temperierfluidmenge korrespondierend zur steigenden Temperatur kontinuierlich erhöht werden. Damit ist eine effektive Temperaturerhöhung während des Aufheizbetriebs bei stets möglichst geringer thermischer Masse im Brennstoffzellenstapel realisierbar. Dadurch lässt sich der Anteil des Kühlmittels reduzieren, der noch unter dem Gefrierpunkt ist. Zum Erhöhen der gepumpten Temperierfluidmenge kann die Pumpenleistung entsprechend erhöht werden. In Folge dessen kann auch der Volumenstrom des durch die Temperierfluidleitung im Brennstoffzellenstapel gepumpten Temperierfluids erhöht werden.
[0018] Darüber hinaus ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchgeführt wird. Diese Zeiten haben sich bei umfangreichen, experimentellen Versuchen als vorteilhafter Kompromiss mit Blick auf das Leistungsvermögen von verfügbaren Pumpen, das Trägheitsverhalten des Temperierfluids, erkannte Temperaturübergänge vom Temperierfluid auf den Brennstoffzellenstapel sowie ein Frostverhalten des Brennstoffzellenstapels während des Aufheizbetriebs herausgestellt. Wenn während des Aufheizbetriebs beispielsweise mit 50 l/min hin und her gepumpt werden soll, aber nur 2 Liter innerhalb des Brennstoffzellenstapels hin und her bewegt werden sollen, beträgt die Dauer für das Pumpen in die erste Richtung oder die zweite Richtung ca. 2,5 Sekunden. Da verschiedene Pumpen das Temperierfluid in die eine Richtung wirksamer als in die andere Richtung pumpen können, kann es von Vorteil sein, wenn die Dauer beim Pumpen in die eine Richtung, beispielsweise in eine Rückwärtsrichtung, länger als in die andere Richtung, beispielsweise in eine Vorwärtsrichtung, ist.
[0019] Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner möglich, dass das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird,
durchgeführt wird. Durch das gleichmäßige Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung kann der Brennstoffzellenstapel besonders bauteilschonend aufgeheizt werden.
[0020] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Temperierabschnitt zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels, einen Wärmetauscher zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt und den Wärmetauscher, eine Sensoreinheit zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel, sowie eine Pumpe zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung vom Wärmetauscher durch den Temperierabschnitt, auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Aufheizbetriebs des Brennstoffzellenstapels auf, wobei die Einstelleinheit konfiguriert ist zum
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel, und
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei
- das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
[0021] Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
[0022] Das Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs in die erste Richtung und in die zweite Richtung kann mittels der Pumpe durchgeführt werden. Die Einstelleinheit kann eine Signalausgabeeinheit zum Ausgeben von Steuersignalen anhand der ermittelten Temperatur zum Ansteuern der Pumpe für das erfindungsgemäße Betreiben der Pumpe aufweisen. Die Einstelleinheit kann insbesondere eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steuersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur, beispielsweise zum abwechselnden Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange, bis die ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise in Form eines mobilen Brennstoffzellensystems, beispielsweise in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs, ausgestaltet.
[0023] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einstelleinheit konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange durchzuführen, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über 5°C liegt. Die Einstelleinheit kann hierzu eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steuersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur, zum abwechselnden Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über 5°C liegt, aufweisen.
[0024] Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist die Einstelleinheit konfiguriert, das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von nur ca. 20% des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung zu pumpen. Die Einstelleinheit kann hierzu eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steu-
ersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur dahingehend, dass das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von weniger als 50% des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung gepumpt wird, aufweisen.
[0025] Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann ferner eine Einstelleinheit aufweisen, die dahingehend konfiguriert ist, dass die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel beim Pumpen in die ersten Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird. Dafür kann die Einstelleinheit eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steuersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur dahingehend, dass die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel beim Pumpen in die ersten Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird, aufweisen.
[0026] Weiterhin kann die Einstelleinheit bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem konfiguriert sein, das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchzuführen. Ferner ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Einstelleinheit konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, durchzuführen.
[0027] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt. Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, das vorstehend im Detail beschriebene Verfahren auszuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in Java, C++, C# oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor gespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie die Einstelleinheit derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden oder sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d. h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels SoftwareKomponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden oder sein. Das Computerprogrammprodukt kann in der Einstelleinheit und/oder in einem anderen Funktionsbauteil des Brennstoffzellensystems zumindest zeitweise zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der beschriebenen Funktionen installiert sein.
[0028] Im Rahmen der Erfindung wird zudem ein nichtflüchtiges Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt gemäß der vorstehenden Beschreibung vorgeschlagen.
[0029] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
[0030] Es zeigen jeweils schematisch:
[0031] Figur 1 ein Blockschaltbild zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem ersten Betriebszustand,
[0032] Figur 2 ein Blockschaltbild zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem zweiten Betriebszustand, und
[0033] Figur 3 ein mobiles Brennstoffzellensystem in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
[0034] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0035] Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Brennstoffzellenstapel 11. Der Brennstoffzellenstapel 11 weist einen Temperierabschnitt 12 zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels 11, einen Anodenabschnitt 17 und einen Kathodenabschnitt 18 auf. Der Anodenabschnitt 17 weist einen Anodeneingang, der in Fig. 1 auf der linken Seite des Brennstoffzellenstapels 11 dargestellt ist, und einen Anodenausgang, der in Fig. 1 auf der rechten Seite dargestellt ist, auf. Der Kathodenabschnitt 18 weist einen Kathodeneingang, der in Fig. 1 auf der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 11 dargestellt ist, und einen Kathodenausgang, der in Fig. 1 auf der linken Seite dargestellt ist, auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wärmetauscher 13 in Form eines Radiators zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung 14 zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt 12 und den Wärmetauscher 13, eine Sensoreinheit 16 zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11, sowie eine Pumpe 15 zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung 14 vom Wärmetauscher 13 durch den Temperierabschnitt 12, auf.
[0036] Gemäß der dargestellten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem 10 außerdem eine Einstelleinheit 20 zum Einstellen des Aufheizbetriebs zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 11 auf. Hierzu steht die Einstelleinheit 20 mit der Sensoreinheit 16 zur Übertragung der ermittelten Sensorwerte, insbesondere der Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11, in Signalverbindung. Die Einstelleinheit 20 ist konfiguriert zum
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt 12 während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem 10 zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11, und zum
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt 12 während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem 10 zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11 entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei
- das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11 zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
[0037] Die Einstelleinheit 20 gibt zum Durchführen der vorgenannten Verfahrensschritte entsprechende Steuerbefehle an die zugehörigen Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 10, insbesondere direkt oder indirekt an die Pumpe 15, aus. Die in Fig. 1 gezeigte Pumpe 15 wird in einer Vorwärtsrichtung zum Pumpen des Temperierfluids in die erste Richtung betrieben. Die Einstelleinheit 20 ist konfiguriert, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange durchzuführen, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 10 zumindest bereichsweise über 5°C liegt. Außerdem ist die Einstelleinheit 20 konfiguriert, das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom mit nur ca. 20% des durch die Pumpe 15 maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung 14 zu pumpen. Darüber hinaus ist die Einstelleinheit 20 konfiguriert, die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung 14 durch den Brennstoffzel-
lenstapel 11 gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel 11 beim Pumpen in die ersten Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung zu erhöhen. Das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wird während des Aufheizbetriebs mit jeweils ansteigender Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchgeführt.
[0038] Die Einstelleinheit 20 weist ein nichtflüchtiges Speichermittel 22 mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt 21 auf. Gemäß Fig. 1 ist das Computerprogrammprodukt 21 in der Einstelleinheit 20 und damit auch im Brennstoffzellensystem 10 zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 11 installiert.
[0039] In Fig. 2 ist das Brennstoffzellensystem 10 in einem zweiten Betriebszustand dargestellt, in welchem die Pumpe 15 in einer Rückwärtsrichtung, zum Pumpen des Temperierfluids in die zweite Richtung, betrieben wird.
[0040] In Fig. 3 ist das Brennstoffzellensystem 10 in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs dargestellt, das den Brennstoffzellenstapel 11 und einen Elektromotor 19 zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 11 dient im gezeigten Beispiel als Strom- und Spannungsquelle für den Elektromotor 19. Das Brennstoffzellenfahrzeug ist eine rein schematische Darstellung. Die Anordnung und Ausbildung des Brennstoffzellensystems 10 in einem Fahrzeug kann sich deutlich von der Darstellung in Fig. 3 unterscheiden.
[0041] Mit Bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 wird ein Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 11, an und/oder in welchem während des Aufheizbetriebs im Rahmen eines Kaltstarts zumindest abschnittsweise Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes herrschen, erläutert. Hierzu wird das Temperierfluid im Temperierabschnitt 12 zunächst für wenige Sekunden in die in Fig. 1 dargestellte erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11 gepumpt. Anschließend wird das Temperierfluid im Temperierabschnitt 12 für wenige Sekunden in die in Fig. 2 dargestellte zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11, also entgegengesetzt zur ersten Richtung, gepumpt. Das periodisch, abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wird nun so lange durchgeführt, bis eine durch die Sensoreinheit 16 ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11 zumindest bereichsweise über 5°C liegt. Das Temperierfluid wird beim Pumpen in die erste Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von nur ca. 20% des durch die Pumpe 15 maximal erzeugbaren Volumenstroms in der Temperierfluidleitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 11 gepumpt. Die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 11 gepumpt wird, wird mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel 11 beim Pumpen in die ersten Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht.
[0042] Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Brennstoffzellensystem 11 Brennstoffzellenstapel 12 Temperierabschnitt
13 Wärmetauscher
14 Temperierfluidleitung 15 Pumpe
16 Sensoreinheit
17 Anodenabschnitt
18 Kathodenabschnitt
19 Elektromotor
20 Einstelleinheit
21 Computerprogrammprodukt
22 Speichermittel

Claims (10)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels (11) in einem Brennstoffzellensystem (10), wobei das Brennstoffzellensystem (10) einen Brennstoffzellenstapel (11) mit einem Temperierabschnitt (12) zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels (11), einen Wärmetauscher (13) zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung (14) zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt (12) und den Wärmetauscher (13), eine Sensoreinheit (16) zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11), sowie eine Pumpe (15) zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung (14) vom Wärmetauscher (13) durch den Temperierabschnitt (12), umfasst, aufweisend die Schritte:
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch Brennstoffzellenstapel (11), und
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11) entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei
- das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11) zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs wenigstens so lange durchgeführt wird, bis die Temperatur im Brennstoffzellenstapel (10) zumindest bereichsweise über 5°C liegt, wobei das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom mit nur ca. 20% des durch die Pumpe (15) maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung (14) gepumpt wird.
2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung (14) durch den Brennstoffzellenstapel (11) gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel (11) beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1 s und 10 s durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel (11) gepumpt wird, durchgeführt wird.
5. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (11) mit einem Temperierabschnitt (12) zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels (11), einen Wärmetauscher (13) zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung (14) zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt (12) und den Wärmetauscher (13), eine Sensoreinheit (16) zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11), sowie eine Pumpe (15) zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung (14) vom Wärmetauscher (13) durch den Temperierabschnitt (12), wobei eine Ein-
stelleinheit (20) zum Einstellen eines Aufheizbetriebs des Brennstoffzellenstapels (11) vorgesehen ist, wobei die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist zum
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11), und
- Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11) entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei
- das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11) zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange durchzuführen, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (10) zumindest bereichsweise über 5°C liegt, wobei die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom mit nur ca. 20% des durch die Pumpe (15) maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung (14) zu pumpen.
6. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung (14) durch den Brennstoffzellenstapel (11) gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel (11) beim Pumpen in die ersten Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung zu erhöhen.
7. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchzuführen.
8. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel (11) gepumpt wird, durchzuführen.
9. Computerprogrammprodukt (21), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (21) durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
10. Nichtflüchtiges Speichermittel (22) mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (21) nach Anspruch 9.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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