DE102004037901B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder thermischer Wärme sowie einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit (1), wobei die Kühlvorrichtung wenigstens eine Pumpe (2) zur Erzeugung einer Strömung eines ersten Kühlfluids (6) und einen Lüfter (4) zur Erzeugung einer Strömung eines zweiten Kühlfluids (5) aufweist, wobei die Kühlvorrichtung wenigstens eine Wärmetauschereinheit (3) zum Wärmetausch zwischen den beiden Kühlfluiden aufweist, wobei ein Vergleich einer Änderung des ersten Betriebsparameters der Pumpe (2) mit einer Änderung des zweiten Betriebsparameters des Lüfters (4) durchgeführt wird,wobei die Kontrolleinheit zur Prüfung des ersten und zweiten Betriebsparameters in Abhängigkeit wenigstens einer Änderung des Parameters der Brennstoffzelleneinheit (1) ausgebildet ist, wobei der Parameter der Brennstoffzelleneinheit (1) eine Wärmeabgabe Qist,wobei der erste Betriebsparameterder Quotient aus der differenziellen Änderung der Wärmeabfuhr dQund der differenziellen Änderung der Pumpenleistung dPist,wobei der zweite Betriebsparameterder Quotient aus der differenziellen Änderung der Wärmeabfuhr dQund der differenziellen Änderung der Lüfterleistung dPist,wobei der Vergleich als Gradientenvergleich durchgeführt wird,wobei eine Leistungskennziffergebildet wird,wobei bei einer Zunahme der Wärmeabgabe Qdie Pumpenleistung Perhöht wird, wenn K> 0 und die Lüfterleistung Perhöht wird, wenn K< 0.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Stand der Technik:
• Brennstoffzellen sollen in zunehmendem Maß sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen eingesetzt werden. Bei mobilen bzw. Fahrzeuganwendungen können Brennstoffzellen als Fahrzeugantrieb oder als sogenannte Auxiliary-Power-Unit (APU) eingesetzt werden.
• Beim Betrieb der Brennstoffzellen bzw. der Brennstoffzellenstacks wird neben elektrischer Energie zusätzlich auch thermische Energie erzeugt. Die thermische Energie wird häufig als Abwärme mit Hilfe einer Kühlung bzw. eines Kühlkreislaufes abgeführt. Teilweise wird die Abwärme für Heizanwendungen verwendet.
• Die Kühlung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks umfasst beispielsweise einen Kühlwasserkreislauf, der mittels einer Pumpe angetrieben wird. Darüber hinaus umfasst der Kühlkreislauf einen Wärmetauscher, der wiederum mit Hilfe eines Gebläses bzw. Lüfters angeblasen wird, so dass Wärme an die Umgebungsluft abgeführt wird. Derartige Brennstoffzellenanlagen sind aus der DE 43 27 261 C1 und aus der DE 696 03 608 T2 bekannt.
• Aus der DE 195 17 813 A1 ist ein Verfahren zur Regelung des wärmegeführten Betriebs von Brennstoffzellenanlagen bekannt, das mit einer Anpassung an die Wärmeanforderung des Verbrauchers die Vor- oder Rücklauftemperatur des Kühlmittel- oder Nutzwärmekreislaufs regelt. Hierbei wird die Vor- oder Rücklauftemperatur des Kühlmittel- oder Nutzwärmekreislaufs so geregelt, dass eine Temperatur möglichst nahe unter dem zulässigen Höchstwert eingestellt wird. Hierdurch wird eine kontinuierliche Anpassung der Wärmeproduktion der Brennstoffzelle an den aktuellen Wärmebedarf realisiert.
• Aus der DE 198 25 286 C2 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem wie oben skizzierten Kühlkreislauf bekannt, wobei die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle über die Messung der Vorlauf- und Rücklauftemperatur des Kühlmittels sowie der daraus resultierenden Differenz oder mittels einer Messung der inneren Temperatur erfasst wird. Hierbei wird der Kühlmitteldurchsatz durch die Brennstoffzelle bei Übereinstimmung der die Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzelle wiedergebenden Parameter mit einem voreingestellten, einer ungleichmäßigen Temperatur entsprechenden Wert gesteuert.
• Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder thermischer Wärme sowie einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit, wobei die Kühlvorrichtung wenigstens einen ersten Strömungsgenerator und einen zweiten Strömungsgenerator aufweist, vorzuschlagen, wobei eine im Vergleich zum Stand der Technik energieeffizientere Temperaturregelung realisiert wird.
• Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass eine Kontrolleinheit zumindest für einen Vergleich eines ersten Betriebsparameters oder einer Änderung des ersten Betriebsparameters des ersten Strömungsgenerators mit einem zweiten Betriebsparameter oder einer Änderung des zweiten Betriebsparameters des zweiten Strömungsgenerators ausgebildet ist.
• Mit Hilfe eines derart vorteilhaften Vergleichs der Betriebsparameter bzw. der Änderung der Betriebsparameter der beiden Strömungsgeneratoren wird erst mit Hilfe der Erfindung eine Auswahl des Strömungsgenerators möglich, der vorzugsweise in Abhängigkeit des Betriebszustandes bzw. der Änderung des Betriebszustandes effizienter arbeitet bzw. effizienter die Abwärme aus dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinheit abführt als der andere Strömungsgenerator. Das führt dazu, dass der jeweils effizienteste Strömungsgenerator mit Hilfe der vorteilhaften Kontrolleinheit die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit regelt. Hierdurch wird insbesondere der Gesamtwirkungsgrad der Anlage gegenüber dem Stand der Technik entscheidend erhöht.
• Beim Stand der Technik gemäß der DE 198 25 286 C2 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in Abhängigkeit der inneren Temperatur der Brennstoffzelle erhöht bzw. gesenkt. Überschreitet die innere Temperatur der Brennstoffzelleneinheit eine bestimmte Grenztemperatur, so wird das Kühlgebläse zusätzlich eingeschaltet, so dass die innere Temperatur der Brennstoffzelle wieder sinkt.
• Die Erfindung nutzt im Gegensatz hierzu jedoch die Erkenntnis, dass die Kühlung der Brennstoffzelleneinheit bei unterschiedlichen Betriebszuständen am effizientesten durch den ersten Strömungsgenerator, insbesondere durch die Kühlwasserpumpe oder dergleichen, oder in anderen Betriebszuständen durch den zweiten Strömungsgenerator, insbesondere durch das Kühlgebläse oder dergleichen, durchgeführt werden kann. Gegebenenfalls ist eine Erhöhung der Kühlung durch eine Erhöhung der Leistungen oder dergleichen beider Strömungsgeneratoren realisierbar.
• Als Effizienz der Betriebsweise im Sinn der Erfindung wird vor allem die Betriebsweise verstanden, bei der die erreichbare Kühlung mit möglichst geringem Energieverbrauch des/der Strömungsgeneratoren, d.h. insbesondere mit vergleichsweise geringer elektrischer Leistungsaufnahme des/der Strömungsgeneratoren, erreicht wird.
• Mit Hilfe der Kontrolleinheit gemäß der Erfindung bzw. des Parametervergleichs der Kontrolleinheit kann erreicht werden, dass die abzuführende Wärmemenge der Brennstoffzelleneinheit durch den effizientesten Strömungsgenerator und/oder durch die kombinierte, effiziente Betriebsweise beider Strömungsgeneratoren realisiert wird. Hiermit ist ein möglichst geringer Eigenenergieverbrauch des bzw. der Strömungsgeneratoren verbunden. Mit dieser Betriebsstrategie können die sogenannten parasitären Lasten der Brennstoffzellenanlage verringert und somit der Wirkungsgrad der gesamten Anlage erhöht werden.
• Vorteilhafterweise sind die Betriebsparameter der Strömungsgeneratoren als eine Leistung bzw. eine Drehzahl und/oder ein Kühlfluidstrom ausgebildet. In Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes der Brennstoffzelleneinheit sowie der beiden Strömungsgeneratoren bzw. in Abhängigkeit einer Änderung des Betriebszustandes der Brennstoffzelleneinheit kann in vorteilhafter Weise mit Hilfe der aktuellen elektrischen bzw. Leistungen wie z.B. Verbraucherleistung, Strömungsgeneratorenleistung, Drehzahlen und/oder den Änderungen bzw. differentiellen Änderungen dieser Betriebsparameter der Vergleich gemäß der Erfindung durchgeführt werden. Diese Parameter werden zum Teil bereits bei bekannten Brennstoffzellenanlagen erfasst bzw. die entsprechenden Änderungen der Betriebsparameter sind leicht zu ermitteln bzw. zu berechnen, so dass der Aufwand für den erfindungsgemäßen Vergleich sehr gering ist.
• In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Kontrolleinheit zum Ändern wenigstens der Leistung und/oder der Drehzahl und/oder des Kühlfluidstroms des ersten Strömungsgenerators und/oder der Leistung und/oder der Drehzahl und/oder des Kühlfluidstroms des zweiten Strömungsgenerators in Abhängigkeit des Parametervergleichs ausgebildet. Hiermit wird die vorteilhafte Temperaturregelung der Brennstoffzelleneinheit in eleganter Weise umgesetzt.
• Die Kontrolleinheit ist zur Prüfung der ersten und/oder zweiten Betriebsparameter der beiden Strömungsgeneratoren in Abhängigkeit wenigstens eines Parameters oder einer Änderung des Parameters der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet. Beispielsweise ist der Parameter bzw. die Änderung des Parameters der Brennstoffzelleneinheit eine Last bzw. elektrische Leistungsabgabe und/oder eine Wärmeabgabe. Entsprechende Parameter der Brennstoffzelleneinheit werden zum Teil bereits bei herkömmlichen Brennstoffzellenanlagen erfasst, so dass auf bereits vorhandene Mittel zurückgegriffen werden kann und somit der Aufwand zur Umsetzung der Erfindung relativ gering ist.
• In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Kontrolleinheit zum Vergleich wenigstens zweier Temperaturen der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Kühlvorrichtung ausgebildet. Beispielsweise können die beiden Temperaturen eine Eintritts- und/oder eine Austrittstemperatur der Brennstoffzelleneinheit bzw. eines der Kühlfluide, insbesondere des Kühlwassers, und/oder eines Betriebsstoffs der Brennstoffzelleneinheit sein. Mit dieser Maßnahme kann insbesondere die hierbei maximal zulässige Temperaturdifferenz von Kühlfluideintritt zu -austritt gewährleistet bzw. eingeregelt werden. Die maximal zulässige Temperaturdifferenz hängt vor allem vom verwendeten Typ der Brennstoffzelleneinheit ab und liegt bei derzeit bekannten Brennstoffzelleneinheiten ungefähr bei ca. 5 bis 10 K.
• Gegebenenfalls werden zur Erfassung der beiden Temperaturen mindestens zwei Temperatursensoren verwendet. Vorzugsweise ist die Kontrolleinheit zur Bildung des Temperaturvergleichs in Abhängigkeit des Parameters der Brennstoffzelleneinheit und/oder eines Volumenstroms der Kühlvorrichtung ausgebildet. Durch diese vorteilhafte Maßnahme kann der Temperaturvergleich mit lediglich einem einzigen Temperatursensor realisiert werden. Die zweite Temperatur bzw. die entsprechende Temperaturdifferenz kann gemäß der vorteilhaften Maßnahme, z.B. mit Hilfe des Parameters der Brennstoffzelleneinheit und des Volumenstroms der Kühlvorrichtung, etc., mathematisch berechnet bzw. in vorteilhafter Weise in einer Speichereinheit oder dergleichen hinterlegt werden. Der hierdurch eingesparte Temperatursensor führt zu einer Verringerung des konstruktiven als auch des wirtschaftlichen Aufwands zur Umsetzung der Erfindung.
• Die Kontrolleinheit ist zum Ändern wenigstens der Leistung des ersten Strömungsgenerators und/oder der Leistung des zweiten Strömungsgenerators in Abhängigkeit des Temperaturvergleichs ausgebildet. Hierdurch wird gewährleistet, dass eine Anpassung der Wärmeabgabe in Abhängigkeit des Temperaturvergleichs bzw. der Temperaturdifferenz der beiden Temperaturen in vorteilhafter Weise umsetzbar ist.
• Generell kann die Änderung der vorgenannten Betriebsparameter der Strömungsgeneratoren in Abhängigkeit des erfindungsgemäßen Parametervergleichs durchgeführt werden. Hierbei ist von Vorteil, dass auch die aufgrund des Temperaturvergleichs durchgeführten Änderungen in effizienter Weise erfolgen. Hiermit wird ermöglicht, dass die gesamte Temperaturregelung der Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung effizient ausgeführt werden kann.
• Es ist denkbar, dass beispielsweise zwei weitgehend separate Fluidkreisläufe mit jeweils einem Strömungsgenerator vorgesehen sind. Vorteilhafterweise weist die Kühlvorrichtung wenigstens eine Wärmetauschereinheit zum Wärmetausch zwischen den beiden Kühlfluiden auf. Mit dieser Maßnahme wird eine Kopplung der beiden Kühlsysteme ermöglicht. Vorzugsweise ist das erste Kühlfluid als Kühlflüssigkeit, insbesondere als Kühlwasser, und das zweite Kühlfluid als Kühlgas, insbesondere als Kühlluft, ausgebildet. Mit entsprechend ausgebildeten Kühlfluiden und/oder deren Verkopplung kann auf bereits handelsübliche Komponenten zurückgegriffen werden, was insbesondere den wirtschaftlichen Aufwand zur Realisierung der Erfindung reduziert.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kontrolleinheit wenigstens ein hinterlegtes Kennfeld der Wärmetauschereinheit. Beispielsweise ist das Kennfeld in einer elektrischen Speichereinheit hinterlegt. Vorzugsweise ist das Kennfeld der Wärmetauschereinheit wenigstens in Abhängigkeit der beiden Betriebsparameter der Strömungsgeneratoren und/oder des Wärmestroms ausgebildet. Mit einem entsprechenden Kennfeld kann der Parametervergleich gemäß der Erfindung in besonders eleganter Weise durchgeführt werden. Vor allem eine differenzielle Änderung des Wärmestromes und/oder der Kühlfluidströme kann hiermit besonders einfach dem Parametervergleich zur Verfügung gestellt werden.
• Darüber hinaus ist von Vorteil, weitere Kennfelder bzw. Kennlinien einzelner Komponenten bzw. Zusammenhänge zwischen verschiedenen Betriebsparametern der Brennstoffzellenanlage in der Kontrolleinheit zu hinterlegen. Beispielsweise kann hierbei die Wärmebilanz der Brennstoffzelleneinheit und/oder die Systemkennlinie der Kühlwasserseite und/oder die Systemkennlinie der Kühlluftseite als auch die Kennlinien der beiden Strömungsgeneratoren oder dergleichen in entsprechend vorteilhaften elektronischen Speichereinheiten hinterlegt werden.
• Figurenliste
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
• Im Einzelnen zeigt:
• 1 schematisch einen Kühlkreislauf einer Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung,
• 2 schematisch eine Abhängigkeit einer Zellspannung von einer Austrittstemperatur eines Oxidationsmittels einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der Erfindung,
• 3 schematisch eine Bildung einer Leistungskennziffer gemäß der Erfindung,
• 4 zwei schematische Wärmetauscherkennfelder gemäß der Erfindung,
• 5 ein schematisches Flussdiagramm einer Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung und
• 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung.
• In 1 ist schematisch ein Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Eine Brennstoffzelle 1 wird mit Hilfe des Kühlkreislaufes derart gekühlt, dass diese möglichst in einem optimalen Temperaturbereich T_opt gemäß 2 betrieben werden kann. In 2 ist eine Zellspannung der Brennstoffzelle 1 in Prozent der maximalen Arbeitsspannung bei Nennlast über einer Austrittstemperatur eines Oxidationsmittels in Grad Celsius dargestellt. Der Temperaturbereich T_opt ist abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle bzw. des verwendeten Brennstoffzellentyps.
• Der Kühlkreislauf gemäß 1 umfasst weiterhin eine Pumpe 2, die beispielsweise Kühlwasser im Kühlkreislauf umpumpt, so dass das Kühlwasser zwischen der Brennstoffzelle 1 und einem Wärmetauscher 3 zirkuliert. Der Wärmetauscher 3 wird mittels einem Lüfter 4 gekühlt, der einen Luftstrom 5 erzeugt. Durch den Luftstrom 5 wird ein Kühlwasserstrom 6 gekühlt, der wiederum die Brennstoffzelle 1 kühlt.
• In Strömungsrichtung des Kühlwasserstroms 6 hinter der Brennstoffzelle 1 ist ein Temperatursensor 7 und hinter dem Wärmetauscher 3 ein Temperatursensor 8 vorgesehen, die die jeweilige Kühlwassertemperatur messen.
• In 4 sind zwei Wärmetauscherkennfelder schematisch dargestellt, wobei eine Wärme Q in Watt einerseits über einem Kühlluftmassenstrom 5 in Kilogramm/Sekunde (4a) und andererseits über einem Kühlmittelvolumenstrom 6 in Liter/Stunde (4b) dargestellt ist. Die verschiedenen Kennlinien der 4a beruhen auf einer Änderung bzw. Zunahme des Kühlmittelvolumenstrom 6 und die verschiedenen Kennlinien gemäß 4b beruhen auf einer Änderung bzw. Zunahme des Kühlluftmassenstroms 5.
• Die 4a und 4b sind durch eine horizontale Linie 7 miteinander verbunden. Die Linie 7 bedeutet eine bestimmte Abwärmemenge bzw. Wärmeabgabe Q_ab der Brennstoffzelle 1 in einem bestimmten Betriebszustand.
• Zur Verdeutlichung des Parametervergleichs gemäß der Erfindung wird angenommen, dass die Pumpe 2 bzw. der Lüfter 4 bei entsprechenden Drehzahlen einen Kühlluftmassenstrom 5 bzw. einen Kühlmittelvolumenstrom 6 erzeugen, der dem Betriebspunkt 8 gemäß den 4a und 4b entspricht. Bei diesem Betriebspunkt 8 wird die Abwärme 7 der Brennstoffzelle 1 abgeführt. Das heißt, der Betriebspunkt 8 definiert eine bestimmte Abwärme 7 bei einem bestimmten Kühlluftmassenstrom 5 und einem bestimmten Kühlmittelvolumenstrom 6.
• In 4a wird deutlich, dass im Betriebspunkt 8 eine Kennlinie, d.h. die Wärme Q in Abhängigkeit von Kühlluftmassenstrom 5 bei konstantem Kühlmittelvolumenstrom 6, eine vergleichsweise geringe Steigung aufweist. In 4b wird deutlich, dass im Betriebspunkt 8 bei konstantem Kühlluftmassenstrom 5 die entsprechende Kennlinie eine vergleichsweise große Steigung aufweist. Die beiden Steigungen werden schematisch in 3 dargestellt, wobei die Wärmeabgabe Q_ab über der Lüfter- P_L bzw. Pumpenleistung P_P dargestellt ist. Die Lüfter- bzw. Pumpenleistung P_L, P_P ist im Wesentlichen proportional zur entsprechenden Drehzahl bzw. zum entsprechenden Volumen- bzw. Massenstrom 6, 5.
• 3 verdeutlicht zudem, dass für eine Abwärmeänderung ΔQ_ab entweder eine Änderung der Pumpenleistung ΔP_P oder eine Änderung der Lüfterleistung ΔP_L im Betriebspunkt 8 notwendig wäre. Gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise als Parametervergleich gemäß der Erfindung ein Gradientenvergleich durchgeführt. Beispielsweise wird eine Leistungskennziffer K_η durch eine vorteilhafte mathematische Differenzberechnung gebildet, wobei $$K\eta ={\frac{d{Q}_{ab}}{dP}|}_{Pumpe}-{\frac{d{Q}_{ab}}{dP}|}_{Lüfter}=\left(\frac{d{Q}_{ab,P}}{dVw}*\frac{dVw}{d{P}_P}\right)-\left(\frac{d{Q}_{ab,L}}{d{m}_L}*\frac{d{m}_L}{d{P}_L}\right)$$

  

  ist.
• Für die Bildung von K_η werden folgende Daten verwendet: $$\frac{d{Q}_{ab,P}}{dVw}$$

  

  ... differenzielle Änderung Wärmeabfuhr dQ_ab,P / differenzielle Änderung Kühlmittelvolumenstrom dV_W (Datenquelle: WT-Kennfeld) $$\frac{dVw}{d{P}_P}$$

  

  ... differenzielle Änderung Kühlmittelvolumenstrom dV_w / differenzielle Änderung Pumpenleistung dP_P (Datenquelle: Pumpenkennfeld, Systemkennlinie) $$\frac{d{Q}_{ab,L}}{d{m}_L}$$

  

  ... differenzielle Änderung Wärmeabfuhr dQ_ab,L / differenzielle Änderung Kühlluftmassenstrom dm_L (Datenquelle: WT-Kennfeld) $$\frac{d{m}_L}{d{P}_L}$$

  

  ... differenzielle Änderung Kühlluftmassenstrom dm_L / differenzielle Änderung Lüfterleistung dP_L (Datenquelle: Lüfterkennfeld, Systemkennlinie)
• Die differentielle Wärmeabfuhr dQ_ab,P bzw. dQ_ab,L sind gleich groß, wie in dargestellt. Nach Ermittlung von K_η wird die Regelung durchgeführt.
• Da die differenzielle Wärmeabfuhr dQ_ab bzw. dQ_ab,L gleich groß sind, ist gemäß der oben aufgeführten Definition von K_η im in 3 abgebildeten Beispiel K_η > 0. Dies bedeutet wiederum, dass zur Erreichung einer aufgrund einer Abwärmeänderung ΔQ_ab erzeugten Änderung der Wärmeabgabe Q_ab der Brennstoffzelle 1 im in 3 dargestellten Beispiel durch eine Erhöhung der Pumpenleistung P_P am effizientesten durchgeführt werden kann. Gegebenenfalls kann die Lüfterleistung P_L verringert werden, um die Effizienz der Temperaturregelung weiter zu erhöhen.
• Die Regelung des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung u.a. mit Hilfe einer regelbaren Pumpe 2 und einem regelbaren Lüfter 4 ist als Flussdiagramm in 5 dargestellt. Das zuvor beschriebene Beispiel der 3 bezieht sich auf den Fall, dass K_η > 0 ist. In 5 sind weiterhin die Fälle dargestellt, bei denen die Leistungskennziffer K_η < 0 bzw. K_η = 0 ist.
• 5 verdeutlicht insbesondere, dass bei einer elektrischen Verbraucherlast 10 die Brennstoffzelle 1 eine Wärmeabfuhr 7 erzeugt. Eine Änderung der Verbraucherlast 10 bewirkt somit eine Änderung der Wärmeabfuhr 7. Vorzugsweise ist die Wärmeabfuhr 7 als Wärmebilanzkennfeld für die verwendete Brennstoffzellen 1 bzw. bei unterschiedlichsten Lasten 10 bekannt, wobei diese beispielsweise in einer elektronischen Speichereinheit hinterlegt ist.
• Gemäß der Erfindung wird die Leistungskennziffer K_η gebildet 11, wobei bei dieser Variante insbesondere die differenzielle Änderung des Kühlmittelvolumenstroms 6 bzw. die differenzielle Änderung der Pumpenleistung dP_P und die differenzielle Änderung des Kühlluftmassenstroms 5 bzw. die differenzielle Änderung der Lüfterleistung dP_L zur Bildung von K_η miteinander verglichen wird. Mit Hilfe der o.g. Gradientenbildung von K_η wird die Kühlsystemkomponente 2, 4 ermittelt, die bei einer Änderung der Brennstoffzellenabwärme bzw. der Wärmeabgabe Q_ab am effizientesten durch eine Medienstromerhöhung, d.h. des Kühlmittels 6 oder der Kühlluft 5, die Wärme u.a. über den Wärmetauscher 3 abführt.
• 5 zeigt die weiteren, wesentlichen Schritte bei der Regelung des Kühlsystems. Zur weiteren Verdeutlichung der Regelung ist in 6 zusätzlich die Blockschaltbilddarstellung gemäß der Erfindung abgebildet.
• Im Temperaturbereich T_opt liegt z.B. die optimale SollTemperatur 11 T_soll,L/P = 67,5°C (Circa-Angabe). Zur Regelung des Kühlsystems wird eine Temperaturdifferenz ΔT_BZ,lim zwischen Kühlmittelein- und Kühlmittelaustritt vorgegeben. Bei derzeit üblichen Brennstoffzellen 1 liegt diese Temperaturdifferenz z.B. im Temperaturbereich von 5 bis 10 K. Nach Änderung der elektrischen Verbraucherlast 10 als Eingangsgröße in die Brennstoffzelle 1 erfolgt die Berechnung von K_η wie oben dargestellt. Wie ebenfalls bereits kurz erläutert, wird in dem Fall, dass K_η > 0 ist, eine Zunahme der Wärmeabgabe Q_ab aufgrund einer elektrischen Verbraucherlastzunahme 10 durch eine Erhöhung des Kühlmittelvolumenstroms 6 und somit der Pumpendrehzahl bzw. der Pumpenleistung P_P abgeführt. Ist dagegen K_η < 0, erfolgt die Wärmeabgabe Q_ab über eine Erhöhung des Kühlluftstroms 5 durch Anhebung der Lüfterdrehzahl bzw. der Lüfterleistung P_L .
• Als Kriterium für die Entscheidung, um welchen Betrag die Pumpen- bzw. Lüfterdrehzahl verändert werden soll, ist die Abfrage der momentanen Temperaturdifferenz ΔT_BZ gemäß 5 über die Temperatursensorik in vorteilhafter Weise realisiert.
• Die Temperatursensorik gemäß der Erfindung nutzt aufgrund der Kenntnis des Kühlmittelvolumenstroms V_w und der Abwärme Q_BZ sowie des Zusammenhangs: $$\Delta T_{BZ}=Q_{BZ}/\left(cw*pw*Vw\right)$$

  

  die Möglichkeit, die Temperaturdifferenz ΔT_BZ durch die Erfassung der Austrittstemperatur T_W,BZ mittels dem Temperatursensor 7 zu realisieren. Hierbei stellt c_w die Wärmekapazität und p_w die Dichte für Wasser dar.
• Der Kühlmittelvolumenstrom 6 (Vw) wird in vorteilhafter Weise durch Messung der Pumpenförderleistung P_P und der Pumpenklemmspannung U_P bei gegebenen Systemdruckverlusten ermittelt. Die Systemdruckverluste werden mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Drosselventils eingestellt. Darüber hinaus steht bei bürstenlosen elektrischen Pumpenantrieben die Drehzahlinformation zur Korrelation von Pumpendrehzahl zu Kühlmittelvolumenstrom 6 bei gegebenem Systemdruckverlust zur Verfügung.
• Generell ist Ziel der Temperaturregelung gemäß der Erfindung die vorgegebene zulässige Temperaturdifferenz ΔT_BZ,lim und die optimale Brennstoff zellentemperatur T_opt gemäß 2 einzustellen. Das bedeutet, dass die Pumpenleistung P_P bzw. die Lüfterleistung P_L bedarfsgerecht derart eingeregelt werden, dass die Summe beider möglichst einem Minimum der zur Kühlung notwendigen elektrischen Aufnahmeleistung entspricht.
• Bei Überschreitung von ΔT_BZ,lim oder der Brennstoffzellentemperatur T_opt werden die Pumpendrehzahl und/oder die Lüfterdrehzahl in definierten Schritten angehoben. Die Festlegung der schrittweisen Drehzahlerhöhung erfolgt nach Simulation bzw. Messung des Brennstoffzellensystems im Betrieb.
• Die Verstellung der Pumpen- bzw. Lüfterdrehzahl erfolgt über eine Sollwertvorgabe T_soll,P bzw. T_soll,L wie in 6 dargestellt. Die Sollwertvorgabe T_soll,P erfolgt dabei unter Berücksichtigung einer maximal zulässigen Pumpen- bzw. Lüfterdrehzahl. Die getrennte Sollwertvorgabe für Lüfter 4 bzw. Pumpe 2 ermöglicht das unabhängige Einstellen der Brennstoffzellentemperatur T_opt, um bei veränderlicher Vorgabe der Temperaturdifferenz ΔT_BZ zu regeln.
• Darüber hinaus ist eine sogenannte Störgrößenaufschaltung 12 vorgesehen, die eine schnelle Reaktion der Temperaturregelung auf eine veränderte Wärmeabgabe Q_ab der Brennstoffzelle 1 ermöglicht. Hierdurch wird eine möglichst konstante Brennstoffzellentemperatur T_opt erreichbar. Zur Ermittlung der Kennwerte für eine Störgrößenaufschaltung 12 ist die Kenntnis des Streckenverhaltens des Brennstoffzellenstacks 1 bei veränderlichen Betriebszuständen, insbesondere bei sich verändernden Wärmen Q aufgrund von Lastwechseln oder dergleichen, notwendig.
• Die Ermittlung des Streckenverhaltens ist z.B. bei einer Brennstoffzelle 1, die für den Betrieb einer sogenannten Auxiliary Power Unit verwendet wird, vergleichsweise einfach möglich, da deren Betriebspunkte größtenteils vor Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems festliegen. Darüber hinaus weist u.a. die APU Lastprofile 13 mit großen stationären Teilen auf, die für die dargestellte Art der Regelung günstig sind.
• Für die Anwendung der Brennstoffzelle 1 für Fahrantriebe kann gegebenenfalls eine fahrzyklusspezifische mittlere Wärmeabgabe Q_ab angenommen werden, die einem quasi stationären Betriebszustand, auf den das Kühlsystem eingeregelt wird, entspricht. Entsprechende Untersuchungen können z.B. während der Brennstoffzellensystementwicklung parallel zur Festlegung der Brennstoffzellenbetriebsstrategie durchgeführt werden.
• Generell hat die Regelung der Kühlkreislauftemperatur eines Brennstoffzellensystems im Wesentlichen die Funktion bei veränderlichen elektrischen Verbraucherlasten 10, 13 eine für die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 1 optimale Betriebstemperatur T_opt einzuregeln. Die optimale Betriebstemperatur T_opt der Brennstoffzelle 1 kann im Allgemeinen mit der Austrittstemperatur eines Oxidationsmittels nahezu gleichgesetzt werden und liegt in einem definierten Temperaturbereich, der abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle 1 ist. Der Kühlkreislauf der Brennstoffzelle 1 umfasst im Wesentlichen die Komponentensensorik, Brennstoffzelle 1, regelbare Pumpe 2 und regelbarer Lüfter 4, Temperatursensoren 7, 8, Wärmetauscher 3 (WT) und Verschlauchung bzw. Verrohrung. Für die Durchführung der Temperaturregelung sind insbesondere folgende Daten vorteilhaft:
• - Wärmebilanz der Brennstoffzelle
• - Wärmetauscherkennfeld
• - Systemkennlinie-Kühlmittelseite
• - Systemkennlinie-Kühlluftseite
• - Pumpenkennlinie
• - Lüfterkennlinie
• Die relevanten Daten liegen im Allgemeinen bereits zu Beginn oder im Verlauf einer Brennstoffzellensystementwicklung in Form von Kennfelddaten bzw. Mess- oder Situationsergebnissen vor. Im Einzelnen sind dies:
• - Wärmebilanz Brennstoffzelle Aus Kennfeldmessung der relevanten Betriebspunkte,
• - Wärmetauscherkennfeld Leistungsmessung (Wärmeabgabe über Variation der Kühlmittel und Kühlluftströme) sowie Messung der Druckverluste Kühlmittel und Kühlluftseite,
• - Systemkennlinie Kühlmittelseite Druckverluste aus Druckmessung vor und nach der Wasserpumpe bzw. Einzeldruckverluste von Brennstoffzellenstack, Ventilen, Verschlauchung und Wärmetauscher,
• - Systemkennlinien Kühlluftseite Druckverluste des Kühlluftpfades werden im Wesentlichen vom Wärmetauscher bestimmt und liegen in Form der Wärmetauscherkennfelddaten vor. Falls Druckverluste bedingt durch die Wärmetauscherintegration im Fahrzeug signifikant sind, können diese aus Messungen bzw. 3-D-Strömungssimulationen des Kühlluftpfades ermittelt werden. Der Kühlluftpfad ist definiert als die Strecke vor dem Eintritt der Kühlluft in eine Luftführung bis zum Luftaustrittstrom ab des Wärmetauschers,
• - Pumpen- und Lüfterkennlinie Messdaten der Komponentenkennlinie liegen im Allgemeinen beim Komponentenhersteller vor.
• Generell weist die Temperaturregelung gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:
• - Identifizierung und Ansteuerung der für die Wärmeabfuhr im jeweiligen Brennstoffzellenbetriebspunkt energieeffizientesten Kühlsystemkomponente mit Hilfe einer Gradientenbetrachtung des Wärmetauscherkennfeldes,
• - Regeln der Brennstoffzellentemperatur bei minimaler bedarfsgerechter Verbraucherleistung von Pumpe und Lüfter des Kühlkreislaufs,
• - Schnelle Nachführung der Kühlmitteltemperatur bei veränderlichen Brennstoffzellenwärmeeintrag durch eine Störgrößenaufschaltung,
• - Variable Einstellung einer Kühlmitteltemperaturdifferenz über die Brennstoffzelle zur Steuerung der inhomogenen Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstack,
• Entfall eines Temperatursensors durch die Kenntnis der Brennstoffzellenwärmeabgabe, insbesondere aus Wärmebilanzmessungen, und des Kühlmittelvolumenstroms, insbesondere aus Versuch oder Simulation.

Claims (1)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (1) zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder thermischer Wärme sowie einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Brennstoffzelleneinheit (1), wobei die Kühlvorrichtung wenigstens eine Pumpe (2) zur Erzeugung einer Strömung eines ersten Kühlfluids (6) und einen Lüfter (4) zur Erzeugung einer Strömung eines zweiten Kühlfluids (5) aufweist, wobei die Kühlvorrichtung wenigstens eine Wärmetauschereinheit (3) zum Wärmetausch zwischen den beiden Kühlfluiden aufweist, wobei ein Vergleich einer Änderung des ersten Betriebsparameters der Pumpe (2) mit einer Änderung des zweiten Betriebsparameters des Lüfters (4) durchgeführt wird, wobei die Kontrolleinheit zur Prüfung des ersten und zweiten Betriebsparameters in Abhängigkeit wenigstens einer Änderung des Parameters der Brennstoffzelleneinheit (1) ausgebildet ist, wobei der Parameter der Brennstoffzelleneinheit (1) eine Wärmeabgabe Q_ab ist, wobei der erste Betriebsparameter ${\frac{d{Q}_{ab,P}}{d{P}_P}|}_{Pumpe}$

   

   der Quotient aus der differenziellen Änderung der Wärmeabfuhr dQ_ab,P und der differenziellen Änderung der Pumpenleistung dP_P ist, wobei der zweite Betriebsparameter ${\frac{d{Q}_{ab,L}}{d{P}_L}|}_{Lüfter}$

   

   der Quotient aus der differenziellen Änderung der Wärmeabfuhr dQ_ab,L und der differenziellen Änderung der Lüfterleistung dP_L ist, wobei der Vergleich als Gradientenvergleich durchgeführt wird, wobei eine Leistungskennziffer $$K\eta ={\frac{d{Q}_{ab,P}}{d{P}_P}|}_{Pumpe}-{\frac{d{Q}_{ab,L}}{d{P}_L}|}_{Lüfter}$$

   

   gebildet wird, wobei bei einer Zunahme der Wärmeabgabe Q_ab die Pumpenleistung P_P erhöht wird, wenn K_η > 0 und die Lüfterleistung P_L erhöht wird, wenn K_η < 0.

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