DE102004017434A1 - Fuel cell stack for cold start in motor vehicle internal combustion engine, consists of polymer electrolyte membranes with channel structures for guiding process gases and coolant - Google Patents

Fuel cell stack for cold start in motor vehicle internal combustion engine, consists of polymer electrolyte membranes with channel structures for guiding process gases and coolant Download PDF

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Abstract

Devices regulate flow of coolant in a fuel cell stack. During the stack's cold start, controllers/valves (3,4) allow a flow through only part of the available cells (7) in the stack. This provokes an electrochemical reaction relatively quickly and generates a reaction heat. An independent claim is also included for a method for controlling cold start behavior in a fuel cell stack.

Description

Die Erfindung betrifft Stacks aus Brennstoffzellen mit Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM). Derartige Stacks werden beispielsweise für Fahrzeugantriebe oder zur Bordstromversorgung (APU) eingesetzt.The The invention relates to stacks of fuel cells with polymer electrolyte membranes (PEM). Such stacks are used, for example, for vehicle drives or for On-board power supply (APU) used.

Die Anforderungen an die Startzeit eines Brennstoffzellenstacks für den automobilen Einsatz orientieren sich an der Startzeit eines Verbrennungsmotors. Daraus ergibt sich eine Startzeit von wenigen Sekunden.The Demands on the start time of a fuel cell stack for the automotive Use are based on the start time of an internal combustion engine. This results in a start time of a few seconds.

Beim Starten einer Brennstoffzelle besteht dabei das Problem, dass die PEM erst bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur volle Leistung bringen kann. Die Ursache dafür liegt an dem physikalisch andersartigen Funktionsprinzip der Brennstoffzelle im Gegensatz zum Verbrennungsmotor. Während beim Verbrennungsmotor die Zündfähigkeit des Brennstoff/Gasgemischs nur wenig durch die Temperatur beeinflusst wird, ist die Reaktionsfähigkeit der PEM stark abhängig von ihrer Temperatur. Bei Temperaturen von 0°C oder darunter ist nahezu kein Protonentransport möglich und die elektrochemische Reaktion findet nur in sehr geringem Umfang statt. Steigt die Temperatur an, steigt auch der Stoffumsatz, bis über die Reaktionswärme die Betriebstemperatur erreicht wird. In dem Bereich der Betriebstemperatur gibt es ein Fenster, in dem die Reaktion sehr gut stattfindet. Wird dieser Temperaturbereich überschritten, kann es bei der PEM-Brennstoffzelle durch Wassermangel zu einem erhöhten Innenwiderstand der PEM kommen. Bereits im mittleren Temperaturbereich (zwischen Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur) kann von der Zelle elektrische Leistung abgegeben werden. Diese entspricht zwar nicht der Maximalleistung, nähert sich dieser aber mit steigender Temperatur immer mehr an.At the Starting a fuel cell is the problem that the PEM full only when reaching a certain operating temperature Can bring performance. The reason for this is due to the physical different operating principle of the fuel cell in contrast to the internal combustion engine. While in the internal combustion engine the ignitability of the Fuel / gas mixture only slightly influenced by the temperature is, is the responsiveness the PEM strongly dependent from their temperature. At temperatures of 0 ° C or below is almost no Proton transport possible and the electrochemical reaction takes place only to a very limited extent. As the temperature increases, the metabolic rate also increases, beyond the heat of reaction the operating temperature is reached. In the range of operating temperature There is a window where the reaction is very good. Becomes exceeded this temperature range, It can be a lack of water in the PEM fuel cell increased Internal resistance of the PEM come. Already in the middle temperature range (between ambient temperature and operating temperature) can be determined by the Cell electric power are delivered. This does not correspond the maximum power, approaching However, this more and more with increasing temperature.

Will man einen ganzen Stack aus derartigen Brennstoffzellen starten, so müssen die einzelnen Zellen erst auf Temperatur gebracht werden, damit die elektrochemische Reaktion in Gang kommt und volle Leistung abgegeben werden kann. Für diese Aufheizphase ist normalerweise eine externe Energiequelle notwendig. Erschwerend kommt hinzu, dass die Einzelzellen so in dem Stack verteilt sind, dass sie nicht separat aufgeheizt werden können, so dass der ganze Stack insgesamt erwärmt werden muss.Want you start a whole stack of such fuel cells, so must the individual cells are first brought to temperature so that the electrochemical reaction gets underway and delivers full power can be. For This heating phase is usually an external source of energy necessary. To make matters worse, that the individual cells in so distributed throughout the stack, that they are not heated separately can, so the whole stack has to be heated up.

In der US6294278 wird für ein schnelles Erreichen der vollen Leistung eine Kombination aus einem Niedertemperaturstack und einem Hochtemperaturstack vorgeschlagen. Der Niedertemperaturstack ist dabei so ausgelegt, dass er relativ schnell seine – relativ niedrige – Betriebstemperatur erreicht. Mit der Abwärme des Niedertemperaturstacks kann dann der Hochtemperaturstack erwärmt werden. Diese Anordnung nutzt die Tatsache, dass die PEM oder die Membran-Elektrolyt-Anordnung (MEA) für niedrige Starttemperaturen ausgelegt werden kann. Damit verbunden sind aber Nachteile bezüglich des Wirkungsgrades der Zellreaktion und des Temperaturniveaus der Abwärme. Dieses sollte für eine möglich kleine Baugröße des Kühlers möglichst groß sein. Daraus ergibt sich, dass ein Niedertemperaturstack nur in dieser speziellen Kombination einen Vorteil erbringt.In the US6294278 For a quick achievement of full power, a combination of a low temperature stack and a high temperature stack is proposed. The low-temperature stack is designed so that it reaches its - relatively low - operating temperature relatively quickly. With the waste heat of the low-temperature stack then the high-temperature stack can be heated. This arrangement takes advantage of the fact that the PEM or membrane electrolyte assembly (MEA) can be designed for low starting temperatures. However, there are disadvantages associated with the efficiency of the cell reaction and the temperature level of the waste heat. This should be as large as possible for a possible small size of the radiator. As a result, a low-temperature stack only provides an advantage in this particular combination.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zum schnellen Starten eines PEM Brennstoffzellenstacks zu entwickeln, das ohne die Verwendung unterschiedlich aufgebauter Stacks auskommt.task The present invention is a system for fast starting to develop a PEM fuel cell stack without the use of differently structured stacks.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstack mit den charakterisierenden Merkmalen des Hauptanspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This Task is solved by a fuel cell stack with the characterizing features of the main claim 1. Further details and advantageous embodiments The invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die darin aufgeführten Bezugszeichen näher erläutert.The Invention will be described below with reference to the drawings and the ones listed therein Reference numerals closer explained.

Dabei zeigtthere shows

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stackstruktur mit steuerbarem Kühlmittelfluss; 1 an embodiment of the stack structure according to the invention with controllable coolant flow;

2 die Darstellung der schrittweisen Erwärmung benachbarter Zellen durch Änderung des Kühlmittelflusses im Stack. 2 the representation of the incremental heating of adjacent cells by changing the coolant flow in the stack.

Grundidee der Erfindung ist es, zunächst nur einen ersten Teil des Stacks zu starten und dann die restlichen Teile nach und nach auf Reaktion zu bringen. Dies kann abschnittsweise in gleichen (einzelne Zellen) oder unterschiedlichen (Zellengruppen) Stufen, aber auch stufenlos geschehen. Dieses Prinzip kann mit einer Reihe von zusätzlichen Maßnahmen kombiniert werden, um zu einem noch besseren Ergebnis zu gelangen. Eine der Maßnahmen kann z.B. die Entnahme des Kühlmediums in der Startphase sein. Dies hat den Effekt, dass lokal die thermische Masse reduziert wird um ein schnelleres Aufheizen zu ermöglichen.The basic idea The invention is, first just start a first part of the stack and then the rest Gradually react on parts. This can be done in sections in equal (single cells) or different (cell groups) Steps, but also stepless happen. This principle can be combined with a Series of additional Measures combined to get to an even better result. One of the activities can e.g. the removal of the cooling medium to be in the starting phase. This has the effect of causing local thermal mass is reduced to allow a faster heating.

Erfindungsgemäß ist der Brennstoffzellenstack mit einer Vorrichtung ausgestattet, die es ermöglicht, zunächst nur einen Teil der im Stack vorhandenen Zellen (z.B. nur eine erste) mit Kühlmittel durchströmen zu lassen und dann schrittweise weitere Zellen bzw. Zellengruppen. Dies kann beispielsweise realisiert werden, durch einen Mechanismus, der im Anfangszustand den Einlassport des Kühlmittels so weit verschließt, dass nur die erste Zelle durchströmt werden kann. Im weiteren Verlauf wird dieser Mechanismus dann so verschoben, dass auch die anderen Zellen vom Kühlmedium durchflossen werden können. Die Verschiebung kann z.B. mit Hilfe einer Gewindestange, eines pneumatisch oder hydraulisch betrieben Zylinders oder mit einem anderen Aktuator geschehen.According to the invention, the fuel cell stack is equipped with a device which makes it possible to initially only a part of the cells present in the stack (eg only a first one) with coolant to flow through and then gradually more cells or groups of cells. This can be realized, for example, by a mechanism that closes the inlet port of the coolant in the initial state so far that only the first cell can be flowed through. In the further course of this mechanism is then shifted so that the other cells can be traversed by the cooling medium. The displacement can be done for example by means of a threaded rod, a pneumatically or hydraulically operated cylinder or with another actuator.

Ebenso können die Kühlmittelwege über Ventile gesteuert werden. Mechanische Regler oder Ventile könnten beispielsweise durch thermomechanische Aktuatoren (Bi-Metall) an den Zellen direkt auf Temperaturunterschiede reagieren.As well can the coolant paths via valves being controlled. For example, mechanical regulators or valves by thermomechanical actuators (bi-metal) on the cells directly react to temperature differences.

Auch elektrisch gesteuerte Regler oder Ventile können eingesetzt werden. Hierbei könnte durch eine externe Steuereinrichtung der Kühlmittelfluss in dem Stack variabel verändert werden, d.h. bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen (z.B. andere Umgebungstemperatur) kann der Kühlmittelfluss entsprechend verändert werden. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise als Mikroprozessoreinheit ausgeführt sein, die verschiedene Betriebsparameter speichern und in Abhängigkeit von aufgenommenen Messgrößen (Umgebungstemperatur, Zellentemperaturen) unterschiedliche Steuerprogramme ausführen kann.Also electrically controlled regulators or valves can be used. in this connection could by an external control device, the coolant flow in the stack variably changed are, i. under different operating conditions (e.g., others Ambient temperature), the coolant flow changed accordingly become. The control device can, for example, as a microprocessor unit accomplished be that store different operating parameters and depending recorded measurements (ambient temperature, Cell temperatures) may execute different control programs.

Beim Start des Stacks werden dann nur einzelne Zellen (z.B. nur eine erste) aufgeheizt, bis sie eine Temperatur haben, bei der Leistung abgegeben werden kann. Hierzu kann z.B. vorgewärmtes Kühlmittel in einen ersten Teil des Stacks einge leitet werden. Alternativ kann auch das Kühlmittel aus diesem Teil des Stacks entfernt sein, damit diese (zunächst nicht vom Kühlmedium durchflossenen Zellen) sich entsprechend schnell aufheizen.At the When the stack is started, only individual cells (for example, only one first) heated until they have a temperature at the power can be delivered. For this, e.g. preheated coolant in a first part of the stack are turned on. Alternatively, the coolant can be removed from this part of the stack so that these (initially not from the cooling medium flowed through cells) heat up accordingly fast.

Im zweiten Schritt wird dann die Abwärme aus diesem Bereich in einen weiteren Bereich des Stacks übertragen. Dieser Vorgang wird solange weitergeführt, bis alle Bereiche des Stacks auf Betriebstemperatur sind. Von diesem Zeitpunkt an kann dann die volle Leistung aus dem Stack entnommen werden. Die Kühlmittelführung wird dann wieder konventionell durchgeführt, d.h. die Reaktionswärme des Stacks wird zum Kühler abgeführt. Die maximale elektrische Leistung steht zur Verfügung.in the second step is then the waste heat from this area in one transferred further area of the stack. This process is continued until all areas of the Stacks are at operating temperature. From this point on can then the full power is taken out of the stack. The coolant guide is then again conventionally performed, i. the heat of reaction of the stack becomes a cooler dissipated. The maximum electrical power is available.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel zur Regulierung des Kühlkreislaufs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks abgebildet. (1) stellt den Kühlmittelzuflussverteiler (Kühlmitteleingangsport) dar, (2) den Kühlmittelsammler (Kühlmittelausgangsport). Mit Hilfe des Reglers (3) kann der Kühlmittelfluss dahingehend beeinflusst werden, dass nur ein Teil der Brennstoffzellen (7) von dem Kühlmittel durchflossen werden. Mit Hilfe des Steuerelements (5) kann die Position des Reglers (3) verändert werden. Ablaufregler (4) verhindert eine Vermischung des aufgewärmten Kühlwassers aus dem Kreislauf mit den noch kalten Zellen. Ablaufregler (4) kann über das Steuerelement (6) in der Position variiert werden.In 1 an exemplary embodiment for regulating the cooling circuit of a fuel cell stack according to the invention is shown. ( 1 ) represents the coolant inflow manifold (coolant input port), ( 2 ) the coolant collector (coolant outlet port). With the help of the controller ( 3 ), the coolant flow can be influenced so that only a part of the fuel cells ( 7 ) are flowed through by the coolant. Using the control ( 5 ), the position of the controller ( 3 ) to be changed. Sequence controller ( 4 ) prevents mixing of the warmed cooling water from the circulation with the still cold cells. Sequence controller ( 4 ) can via the control ( 6 ) are varied in position.

In 1 wird nur die erste Zelle eines Stacks mit vorgewärmtem Kühlwasser bis auf die Betriebstemperatur gebracht. Die Positionen der Kühlwasserregler (3, 4) sind dazu so eingestellt, dass nur die erste Zelle durchströmt wird. Durch einsetzende Reaktion wird das Kühlmedium in der Zelle weiter erwärmt. Ein Teil der Wärme fließt bereits in dieser Phase ü ber Wärmeleitung der Bipolarplatte auch in die benachbarte Zelle. Die Position der Kühlwasserregler (3, 4) wird in diesem Beispiel so lange nicht verändert, bis über das im Kreislauf geführte Kühlwasser in der ersten Zelle die Betriebstemperatur erreicht ist.In 1 Only the first cell of a stack of preheated cooling water is brought to operating temperature. The positions of the cooling water regulator ( 3 . 4 ) are set so that only the first cell is flowed through. By starting reaction, the cooling medium in the cell is further heated. Part of the heat already flows in this phase via heat conduction of the bipolar plate in the adjacent cell. The position of the cooling water regulator ( 3 . 4 ) is not changed in this example until the operating temperature is reached in the first cell via the circulated cooling water.

In 2 wird der weitere Startvorgang des Stacks in verschiedenen Abschnitten dargestellt. Dabei wird der Kühlmittelfluss jeweils auf die nächste Zelle bzw. Zellengruppe zugeschaltet, bis nach und nach der ganze Stack auf Betriebstemperatur ist. Die Geschwindigkeit, mit der das Kühlmittel auf weitere Zellen zugeschaltet wird, steigt bei diesem Vorgang schnell an, da zunehmend mehr Zellen bereits Betriebstemperatur aufweisen und ihrerseits Reaktionswärme produzieren. Dementsprechend kann die Erweiterung des Kühlmittelkreislaufs auf weitere Zellen mit wachsender Geschwindigkeit verändert werden. Wird der Kühlkreislauf durch Ventile gesteuert, so ist es entsprechend vorteilhaft, am Anfang nur schrittweise einzelne Zellen zuzuschalten und später auch mehrere simultan (Zellengruppen mit gleicher oder zunehmender Zellenanzahl).In 2 the further start process of the stack is shown in different sections. In this case, the coolant flow is switched in each case to the next cell or group of cells until the entire stack is gradually at operating temperature. The speed with which the coolant is switched on to other cells, increases rapidly in this process, since increasingly more cells already have operating temperature and in turn produce heat of reaction. Accordingly, the expansion of the refrigerant circuit to other cells can be changed at an accelerating rate. If the cooling circuit is controlled by valves, it is correspondingly advantageous to connect individual cells at the beginning step by step and later several times simultaneously (cell groups with the same or increasing number of cells).

Die Prozessgasversorgung der Zellen wurde bei 1 und 2 nicht dargestellt. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten deren Ausführung von den Randbedingungen abhängig ist. Eine Möglichkeit ist, die Prozessgase entsprechend der Kühlwasserführung auch zu regeln, d.h. es bekommen immer nur die Zellen Gas, die auch eine Temperatur haben, auf der die elektrochemische Reaktion in ausreichendem Umfang stattfinden kann.The process gas supply to the cells was added 1 and 2 not shown. There are various possibilities for their execution depending on the boundary conditions. One possibility is to regulate the process gases in accordance with the cooling water flow, ie only the cells, which also have a temperature at which the electrochemical reaction can take place to a sufficient extent, get gas.

Eine andere Möglichkeit ist, den gesamten Stack mit Prozessgasen zu versorgen. Die Reaktion findet dann jeweils in den Zellen statt, die bereits genügend erwärmt sind. Dies hat den Vorteil, dass auch bei Teilerwärmung der Zellen – und demzu folge nur geringer Reaktion – schon Abwärme abfällt, es hat aber auch den Nachteil, dass ein großer Teil der Gase ungenutzt durch den Stack strömt und dass es daher eventuell Probleme mit der Austrocknung der MEA geben kann, wenn die Gase nicht ausreichend durch das Produktwasser der Reaktion befeuchtet werden.Another possibility is to supply the entire stack with process gases. The reaction then takes place in each case in the cells, which are already sufficiently heated. This has the advantage that even with Teilerwärmung the cells - and thus follow only low reaction - already waste heat drops, but it also has the disadvantage that a large part of the gases flows unused through the stack and that there may be problems with dehydration of the Can give MEA, if the gases are not sufficiently moistened by the product water of the reaction.

Im dem Stack von 1 können nur die Zellen, die auf Betriebstemperatur sind, die volle Leistung abgeben. Der zeitliche Verlauf von Spannung und Strom verhält sich bei diesem Stack also derart, dass relativ schnell ein großer Strom entnommen werden kann, dass die Spannung aber erst mit dem Zuschalten der einzelnen Zellen anwächst.In the stack of 1 Only the cells that are at operating temperature can deliver full power. The temporal course of voltage and current behaves in this stack so that relatively quickly a large current can be removed, but that the voltage increases only with the connection of the individual cells.

Claims (10)

Brennstoffzellenstack aus einer Anzahl von PEM-Zellen, welche Kanalstrukturen zur Führung der Prozessgase und eines Kühlmediums aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Regler (3, 4) vorhanden sind, mit denen der Fluss des Kühlmediums durch einzelne Zellen oder Zellengruppen des Stacks verändert wird.Fuel cell stack comprising a number of PEM cells, which have channel structures for guiding the process gases and a cooling medium, characterized in that regulators ( 3 . 4 ) are present, with which the flow of the cooling medium is changed by individual cells or groups of cells of the stack. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stelleinrichtungen (5, 6) vorhanden sind, die die Regler (3, 4) zur Veränderung des Flusses des Kühlmediums mechanisch bewegen.Fuel cell stack according to claim 1, characterized in that adjusting devices ( 5 . 6 ), which are the controllers ( 3 . 4 ) move mechanically to change the flow of the cooling medium. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regler (3, 4) als Ventile ausgebildet sind, die elektrisch oder mechanisch betrieben werden.Fuel cell stack according to Claim 1, characterized in that the regulators ( 3 . 4 ) are designed as valves which are operated electrically or mechanically. Brennstoffzellenstack nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung von Temperaturwerten (Umgebungstemperatur, Temperatur einzelner Zellen bzw. Zellengruppen des Stacks) vorhanden sind.Fuel cell stack according to one of the preceding Claims, characterized in that means for detecting temperature values (ambient temperature, Temperature of individual cells or cell groups of the stack) are. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorhanden ist, die in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturwerten über die Reg ler (3, 4) den Fluss des Kühlmediums durch die Zellen bzw. Zellengruppen des Stacks verändert.Fuel cell stack according to claim 4, characterized in that a control device is provided, which in dependence on the detected temperature values on the Reg ler ( 3 . 4 ) changes the flow of the cooling medium through the cells or cell groups of the stack. Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung thermo-mechanische Elemente (z.B. aus Bi-Metall) aufweist.Fuel cell stack according to claim 5, characterized in that in that the control device comprises thermo-mechanical elements (e.g. Bi-metal). Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung als Prozessoreinheit ausgebildet ist, die über Elemente zur Speicherung verschiedener Betriebsparameter bzw. Steuerprogramme verfügt.Fuel cell stack according to claim 5, characterized in that that the control device is designed as a processor unit, the above Elements for storing various operating parameters or control programs features. Verfahren zur Steuerung des Kaltstartverhaltens eines Brennstoffzellenstacks mit Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Kühlmediums abschnittsweise durch einzelne Zellen oder Zellengruppen des Stacks geleitet wird.Method for controlling the cold start behavior of a Fuel cell stacks with features according to one of claims 1 to 7, characterized in that the flow of the cooling medium in sections by individual cells or cell groups of the stack is passed. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmenge des Kühlmediums durch einzelne Zellen bzw. Zellengruppen des Stacks verändert wird.Method according to claim 8, characterized in that that the flow rate of the cooling medium through individual cells or cell groups of the stack is changed. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst nur ein Teil der Zellen (eine Zelle bzw. Zellengruppe) des Stacks von Kühlmedium durchflossen wird und in Abhängigkeit vom Erreichen vorgegebener Temperaturwerte (z.B. optimale Reaktionstemperatur) sukzessive weitere benachbarte Zellen bzw. Zellengruppen des Stacks in den Kühlkreislauf einbezogen werden.Method according to claim 8 or 9, characterized that first only part of the cells (a cell or cell group) of the stack of cooling medium is traversed and depending on Reaching predetermined temperature values (e.g., optimum reaction temperature) successively further adjacent cells or cell groups of the stack in the cooling circuit be included.
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