DE102005052500A1

DE102005052500A1 - Steuervorrichtung zur Verbesserung der Startzeit in einem PEM-Brennstoffzellenleistungsmodul

Info

Publication number: DE102005052500A1
Application number: DE102005052500A
Authority: DE
Inventors: Mark A. Meltser; Joe Machuca; Abdullah B. Alp; Stephen Farris
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2006-05-11
Also published as: US20060099469A1

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das komprimierte und erhitzte Kathodeneingangsluft verwendet, um den Brennstoffzellenstapel beim Systemstart zu heizen. Das Heizen umfasst einen Wärmetauscher, der das Systemkühlfluid dazu verwendet, die komprimierte und erhitzte Kathodeneingangsluft zu kühlen, bevor sie an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird. Beim Systemstart lenkt ein Proportional-Bypassventil einen gesteuerten Anteil des Kühlfluids um den Wärmetauscher herum, so dass die erhitzte Kathodeneingangsluft dazu verwendet werden kann, den Brennstoffzellenstapel zu erhitzen. Sobald der Stapel seine Betriebstemperatur erreicht, umgeht das Bypassventil den Wärmetauscher nicht mehr. Das Brennstoffzellensystem umfasst auch ein Einlassluftventil, das dazu verwendet wird, den Kompressor beim Sytemstart zu drosseln und damit zu bewirken, dass der Kompressor die komprimierte Luft schnell erhitzt.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das komprimierte und erhitzte Kathodeneingangsluft verwendet, um einen Brennstoffzellenstapel in dem System beim Systemstart aufzuheizen.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient zum Betrieb des Fahrzeugs.

Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).

Verschiedene Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die über einen Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie bipolarer Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die jeweilige MEA strömen kann. Die bipolaren Platten bestehen aus einem leitenden Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel herausleiten können. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.

Bei bestimmten Brennstoffzellenbetriebsbedingungen, wie beispielsweise dem Brennstoffzellenstart, einem Niedrigleistungsbetrieb, einem Betrieb bei niedriger Umgebungstemperatur, etc. soll ergänzende Wärme an die Brennstoffzellen geliefert werden, um die Soll- Betriebstemperatur in dem Brennstoffzellenstapel für eine richtige Wasserregulierung wie auch zu Zwecken der Reaktionskinetik beizubehalten. Insbesondere müssen die MEAs eine richtige relative Feuchte (RF) besitzen, und die Brennstoffzellen müssen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs liegen, um effizient arbeiten zu können.

Bei einem Systemkaltstart, bevor der Brennstoffzellenstapel seine gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, kann der Stapel nicht ausreichend Leistung erzeugen, um das Fahrzeug anzutreiben. Daher muss der Fahrzeugbetreiber eine bestimmte Zeitdauer abwarten, bis der Brennstoffzellenstapel seine Betriebstemperatur erreicht, bevor das Fahrzeug betrieben werden kann. Typischerweise benötigen Brennstoffzellenstapel aufgrund von Stapelmängeln etwa 160 Sekunden, um ihre Betriebstemperatur zu erreichen, wobei sie zu diesem Zeitpunkt in der Lage sind, Leistung zum Betrieb des Fahrzeugs zu liefern. Es besteht ein Bedarf, ergänzende Wärme vorzusehen, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels beim Fahrzeugstart schnell zu erhöhen, so dass der Fahrzeugbetreiber das Fahrzeug unmittelbar betreiben kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das komprimierte und erhitzte Kathodeneingangsluft verwendet, um den Brennstoffzellenstapel beim Systemstart aufzuheizen. Das System umfasst einen Wärmetauscher, der das Systemkühlfluid verwendet, um die komprimierte und erhitzte Kathodeneingangsluft zu kühlen, bevor sie an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird. Beim Systemstart lenkt ein Proportional- Bypassventil einen gesteuerten Anteil der Kühlluft um den Wärmetauscher herum, so dass die erhitzte Kathodeneingangsluft dazu verwendet werden kann, den Brennstoffzellenstapel zu erhitzen. Sobald der Stapel seine Betriebstemperatur erreicht, wird das Bypassventil dazu verwendet, die Kathodeneinlasstemperatur beizubehalten. Das Brennstoffzellensystem umfasst auch ein Einlassluftventil, das dazu verwendet wird, den Kompressor beim Systemstart zu drosseln und damit zu bewirken, dass der Kompressor die komprimierte Luft schneller aufheizt, insbesondere, wenn die Umgebungslufttemperatur niedrig ist.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystemsist, das ein Proportionalventil verwendet, um ein Kühlfluid um einen Wärmetauscher, der die komprimierte Kathodeneingangsluft kühlt, herum zu führen und zu ermöglichen, dass die erhitzte Eingangsluft den Brennstoffzellenstapel beim Systemstart aufheizen kann; und
2 ein Flussschaubild ist, das den Betrieb zum Steuern des Proportionalventils in dem in 1 gezeigten System zeigt.
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Technik zur Verwendung komprimierter Kathodeneingangsluft gerichtet ist, um einen Brennstoffzellenstapel beim Systemstart aufzuheizen, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Ein Kühlfluid strömt durch einen Kühlmittelkreislauf 14 und Strömungskanäle in dem Stapel 12, um den Stapel 12 auf einer Soll-Betriebstemperatur zu halten, wie beispielsweise zwischen 60 – 80°C, um einen effizienten Stapelbetrieb vorzusehen. Eine Pumpe 16 pumpt das Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf 14 und ein Kühler 18 kühlt das Kühlfluid in dem Kühlmittelkreis 14, um zu verhindern, dass das Kühlfluid zu heiß wird, wie mit der Beschreibung nachfolgend übereinstimmend dargelegt ist. Ein Kompressor 24 nimmt Luft an einer Lufteingangsleitung 26 auf und liefert komprimierte Luft bzw. Druckluft auf Leitung 28, die an den Kathodeneingangsverteiler des Stapels 12 auf der Eingangsleitung 30 angelegt wird. Ein Motor 32 betreibt den Kompressor 24. Ein Lufteinlassventil 22 wird dazu verwendet, um eine Strömung von Luft an den Kompressor 24 wahlweise zuzulassen und damit den Kompressor 24 beim Systemstart aus Gründen zu drosseln, die aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich werden. Eine Befeuchtungseinheit 36 sieht Feuchtigkeit in der komprimierten Eingangsluft vor, um die gewünschte relative Feuchte der Brennstoffzellenmembrane in dem Stapel 12 zu unterstützen. Die relative Stapelfeuchte wird auch über den Stapeldruck beispielsweise durch ein Gegendruckventil (nicht gezeigt) in der Kathodenabgasleitung gesteuert.
Das System 10 umfasst ferner ein Proportional- Bypassventil 42, das selektiv ermöglicht, dass ein Anteil des Kühlfluids den Kühler 18 umgehen kann, wenn die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf 14 unterhalb der gewünschten Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 liegt. Das System 10 umfasst auch einen Temperatursensor 44, der die Temperatur des Kühlfluids in dem Kreislauf 14, das aus dem Stapel 12 herauskommt, misst, und einen Temperatursensor 46, der die Temperatur der Luft, die an der Leitung 30 in die Befeuchtungseinheit 36 gelangt, misst.
Da eine Kompression der Luft an der Leitung 26 die Luft ebenfalls erheblich erwärmt, umfasst das System 10 einen Wärmetauscher 34, um die erhitzte Luft zu kühlen, bevor sie an die Leitung 30 angelegt wird. Insbesondere wird bei einem typischen Brennstoffzellensystem die Kathodeneingangsluft auf einen Druck von etwa 2 – 3 bar komprimiert, was die Luft bei maximaler Abgabe ebenfalls auf etwa 140°C – 160°C erhitzt. Diese Temperatur ist zu heiß für den Stapel 12 und würde die Brennstoffzellen in dem Stapel 12 beschädigen. Um dieses Problem zu lösen, lenkt das System 10 einen Anteil der Kühlluft in dem Kreislauf 14 an den Wärmetauscher 34, um die Druckluft für einen effizienten Stapelbetrieb zu kühlen. Daher befindet sich die Kathodeneingangsluft bei der Temperatur des Kühlfluids, die beim Systemstart ziemlich niedrig sein kann. Der Wärmetauscher 34 kann ein beliebiger Flüssigkeit/Gas-Wärmetauscher sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist.
Gemäß der Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem 10 ein Proportional- Bypassventil 50, das den Anteil des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf 14, der an den Wärmetauscher 34 geliefert wird, selektiv auf einer Leitung 38 durch den Wärmetauscher 34 oder an eine Leitung 52 lenkt, die den Wärmetauscher 34 umgeht. Das durch den Wärmetauscher 34 auf der Leitung 38 gelieferte Kühlfluid und das um den Wärmetauscher 34 auf der Leitung 52 herum gelieferte Kühlfluid werden in einem Mischer 54 kombiniert. Bei dieser Ausgestaltung wird das Kühlfluid in dem Kreislauf 14, das durch eine Strömungssteuereinheit 48 nicht an den Wärmetauscher 34 geliefert wird, durch einen Stapel 12 gelenkt. Das Kühlfluid, das durch die Strömungssteuereinheit 48 an den Wärmetauscher 34 gelenkt wird, umgeht den Stapel 12 auf Leitung 56. Das den Stapel 12 verlassende Kühlfluid wird mit dem Kühlfluid auf der Leitung 56 durch einen Mischer 58 kombiniert.
Beim Systemstart, wenn der Stapel 12 gewöhnlich kalt ist, wird der Kompressor 24 gestartet, um die Kathodeneingangsluft zu komprimieren, wodurch eine erhitzte Luft an den Stapel 12 geliefert wird. Normalerweise wird ein Anteil des Kühlfluids in den Kühlmittelkreislauf 14, der sich auf derselben Temperatur wie der Stapel 12 beim Start befindet, durch den Wärmetauscher 34 geführt, um die Kathodenluft zu kühlen, bevor sie an den Stapel 12 angelegt wird. Jedoch kann das Proportionalventil 50 dazu verwendet werden, selektiv einen Teil des Kühlfluids 14 um den Wärmetauscher 34 herum zu lenken, so dass die Kathodeneingangsluft auf der Leitung 30 nicht vollständig auf die Temperatur des Kühlfluids heruntergekühlt wird. Daher wird die Kathodeneingangsluft zwar nicht bis auf die Temperatur erhitzt, die die Brennstoffzellen in dem Stapel 12 beschädigen würde, heizt aber den Stapel 12 beim Start schneller, als es in der Technik derzeit verfügbar ist. Eine Steuereinheit 60 nimmt Temperatursignale von den Temperatursensoren 44 und 46 auf und steuert den Motor 32, die Pumpe 16, das Bypassventil 42 und das Bypassventil 50, wie es in der Beschreibung hier übereinstimmend dargelegt ist. Es kann erwünscht sein, die Drehzahl der Pumpe 16 beim Systemstart langsam zu betreiben.
2 ist ein Flussschaubild 70 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 zeigt, um erhitzte Kathodeneingangsluft beim Systemstart vorzusehen. Nachdem der Steueralgorithmus initialisiert ist, misst der Algorithmus bei Kästchen 72 die Temperatur des den Stapel 12 verlassenden Kühlfluids durch den Sensor 44. Der Algorithmus bestimmt dann bei Entscheidungsraute 74, ob die gemessene Temperatur des Kühlfluids aus dem Stapel 12 heraus abzüglich einer Soll-Betriebstemperatur des Kühlfluids aus dem Stapel 12 heraus kleiner als ein vorbestimmter Wert X ist, der durch eine minimale Temperaturdifferenz definiert ist, um einen ausreichend schnellen Start vorzusehen. Insbesondere wenn das Fahrzeug noch nicht für eine ausreichend lange Zeitdauer abgeschaltet war, innerhalb der sich die Temperatur des Stapels 12 erheblich verringern würde, ist es dann nicht notwendig, die Kathodeneingangsluft aufzuheizen, um den Stapel 12 schneller auf Temperatur zu bringen. Wenn diese Temperaturdifferenz kleiner als der vorbestimmte Wert X ist, dann aktiviert der Algorithmus bei Kästchen 76 die normale Betriebsabfolge für einen heißen Stapel.
Wenn das Kühlfluid beim Start zu kalt ist, dann bringt der Algorithmus bei Kästchen 78 die Proportionalventile 42 und 50 in ihre Vollbypassbetriebsart. In der Vollbypassbetriebsart ist das Proportionalventil 50 so eingestellt, dass eine vorbestimmte maximale Menge des Kühlfluids um den Wärmetauscher 34 auf der Leitung 52 herumströmt, und das Proportionalventil 42 ist so eingestellt, dass eine vorbestimmte maximale Menge des Kühlfluids in dem Kühlkreislauf 14 den Kühler 18 umgeht. Anschließend setzt der Algorithmus bei Kästchen 80 das Einlassluftventil 22 auf eine vorbestimmte Drosselstellung, die zur Folge hat, dass der Kompressor 24 härter arbeiten muss, um Luft durch das Ventil 22 zu ziehen, so dass die komprimierte Luft sogar noch stärker erhitzt wird, als es ansonsten durch die normale Kompression der Luft bewirkt würde, insbesondere, wenn die Umgebungslufttemperatur niedrig ist. Der Algorithmus startet dann bei Kästchen 82 die Pumpe 16, um das Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf 14 zu pumpen, startet bei Kästchen 84 den Kompressor 24 und startet bei Kästchen 86 den Wasserstoffdurchfluss zu dem Stapel 12.
Der Algorithmus misst dann bei Kästchen 88 die Temperatur der Kathodeneinlassluft durch den Temperatursensor 46. Der Algorithmus bestimmt bei der Entscheidungsraute 90, ob die Temperatur der Kathodeneinlassluft kleiner als die maximale sichere Temperatur für den Stapel 12 ist. Wenn die Temperatur der Kathodeneinlassluft nicht bei der maximalen sicheren Stapeltemperatur liegt, dann stellt der Algorithmus bei Kästchen 92 das Proportionalventil 50 ein und kehrt zum Messen der Kathodeneinlasslufttemperatur bei dem Kästchen 88 zurück. Insbesondere steuert, wenn die Temperatur der Kathodeneinlassluft beim Systemstart ansteigt, die Steuereinheit 60 die Stellung des Proportionalventils 50, so dass weniger Kühlfluid den Wärmetauscher 34 umgeht, so dass die maximale Temperatur der Eingangsluft nicht überschritten wird.
Wenn die Temperatur der Kathodeneinlassluft die maximale sichere Temperatur des Stapels 12 bei der Entscheidungsraute 90 erreicht, dann misst der Algorithmus bei Kästchen 94 die Auslasstemperatur des Kühlfluids von dem Stapel 12 durch den Temperatursensor 44. Der Algorithmus bestimmt dann bei der Entscheidungsraute 96, ob die Kühlfluidtemperatur gleich der Stapelbetriebstemperatur ist. Wenn die Temperatur des Kühlfluids aus dem Stapel 12 heraus bei der Stapelbetriebstemperatur liegt, dann positioniert der Algorithmus das Bypassventil 50 so, dass das gesamte Kühlfluid von der Durchflusssteuereinheit 48 durch den Wärmetauscher 34 geliefert wird, und fährt bei Kästchen 76 mit der regulären Betriebsabfolge fort. Die Stellung des Bypassventils 42 wird auch demgemäß eingestellt, so dass die Temperatur des Kühlfluids die Betriebs tmperatur des Stapels 12 nicht überschreitet. Wenn die Temperatur des Kühlfluids aus dem Stapel 12 heraus nicht bei der Stapelbetriebstemperatur liegt, dann kehrt der Algorithmus zu dem Kästchen 88 zurück, um die Temperatur der Kathodeneinlassluft zu messen.
Zusammengefasst ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das komprimierte und erhitzte Kathodeneingangsluft verwendet, um den Brennstoffzellenstapel beim Systemstart zu heizen. Das System umfasst einen Wärmetauscher, der das Systemkühlfluid dazu verwendet, die komprimierte und erhitzte Kathodeneingangsluft zu kühlen, bevor sie an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird. Beim Systemstart lenkt ein Proportional-Bypassventil einen gesteuerten Anteil des Kühlfluids um den Wärmetauscher herum, so dass die erhitzte Kathodeneingangsluft dazu verwendet werden kann, den Brennstoffzellenstapel zu erhitzen. Sobald der Stapel seine Betriebstemperatur erreicht, umgeht das Bypassventil den Wärmetauscher nicht mehr. Das Brennstoffzellensystem umfasst auch ein Einlassluftventil, das dazu verwendet wird, den Kompressor beim Systemstart zu drosseln und damit zu bewirken, dass der Kompressor die komprimierte Luft schnell erhitzt.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenseite, wobei die Kathodenseite auf eine Kathodeneingangsströmung reagiert; einem Kühlmittelkreislauf, um ein Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel zu lenken und die Temperatur des Stapels zu steuern; einem Wärmetauscher, der auf die Kathodeneingangsströmung vor dem Brennstoffzellenstapel reagiert, wobei der Wärmetauscher zumindest einen Anteil des Kühlfluids zum Kühlen der Kathodeneingangsströmung aufnimmt; einem ersten Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Kühlfluids; und einem ersten Bypassventil, um das Kühlfluid abhängig von der Temperatur des Kühlfluids selektiv um den Wärmetauscher herum oder durch den Wärmetauscher hindurch zu lenken.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Kompressor zum Komprimieren der Kathodeneingangsströmung vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher zwischen dem Kompressor und dem Brennstoffzellenstapel positioniert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Kathodeneinlassströmungsventil vorgesehen ist, wobei das Kathodeneinlassströmungsventil selektiv geöffnet und geschlossen wird, um den Kompressor zu drosseln.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein zweiter Temperatursensor zum Messen der Temperatur der Kathodeneingangsströmung zwischen dem Wärmetauscher und dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, wobei die Temperatur der Kathodeneingangsströmung auch dazu verwendet wird, das erste Bypassventil zu steuern und damit das Kühlfluid selektiv um den Wärmetauscher herum oder durch den Wärmetauscher hindurch zu lenken.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf derart ausgestaltet ist, so dass das Kühlfluid, das über das erste Bypassventil durch den Wärmetauscher strömt oder um den Wärmetauscher herum gelenkt wird, den Brennstoffzellenstapel umgeht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bypassventil ein Proportionalventil ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Kühler und ein zweites Bypassventil vorgesehen sind, wobei das zweite Bypassventil das Kühlfluid abhängig von der Temperatur des Kühlfluids selektiv um den Kühler herum lenkt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bypassventil das gesamte Kühlfluid, das von dem ersten Bypassventil aufgenommen wird, durch den Wärmetauscher lenkt, wenn die Temperatur des Kühlfluids auf einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem mit: einem Kompressor zum Komprimieren einer Luftströmung; einem Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenseite, wobei die Kathodenseite auf eine Druckluftströmung reagiert; einem Kühlmittelkreislauf, um ein Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel zu lenken und damit die Temperatur des Stapels zu steuern; einem Kühler, der das Kühlfluid aufnimmt und das Kühlfluid auf eine vorbestimmte Temperatur kühlt; einem Wärmetauscher, der auf die Druckluftströmung vor dem Brennstoffzellenstapel reagiert, wobei der Wärmetauscher zumindest einen Anteil des Kühlfluids zum Kühlen der Druckluftströmung aufnimmt; einem ersten Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Kühlfluids; einem zweiten Temperatursensor zum Messen der Temperatur der Druckluftströmung zwischen dem Wärmetauscher und dem Brennstoffzellenstapel; und einem ersten Proportional-Bypassventil, um das Kühlfluid abhängig von der Temperatur des Kühlfluids und der Temperatur der Druckluftströmung selektiv um den Wärmetauscher herum oder durch den Wärmetauscher hindurch zu lenken.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Kathodeneinlassströmungsventil vorgesehen ist, wobei das Kathodeneinlassströmungsventil selektiv geöffnet und geschlossen wird, um den Kompressor zu drosseln.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf derart ausgestaltet ist, so dass das Kühlfluid, das über das erste Bypassventil durch den Wärmetauscher strömt oder um den Wärmetauscher herum gelenkt wird, den Brennstoffzellenstapel umgeht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein zweites Proportional- Bypassventil vorgesehen ist, um das Kühlfluid abhängig von der Temperatur des Kühlfluids selektiv um den Kühler herum zu lenken.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bypassventil das gesamte Kühlfluid, das von dem ersten Bypassventil aufgenommen wird, durch den Wärmetauscher lenkt, wenn die Temperatur des Kühlfluids auf einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Verfahren zum Erhitzen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Kathodeneingangsströmung an den Brennstoffzellenstapel gelenkt wird; ein Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel gelenkt wird, um die Temperatur des Stapels zu steuern; zumindest ein Anteil des Kühlfluids zum Kühlen der Kathodeneingangsströmung in einem Wärmetauscher verwendet wird; die Temperatur des Kühlfluids gemessen wird; und das Kühlfluid abhängig von der Temperatur des Kühlfluids selektiv um den Wärmetauscher herum oder durch den Wärmetauscher hindurch gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Kathodeneingangsströmungsventil selektiv geöffnet und geschlossen wird, um den Kompressor zu drosseln.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ferner die Temperatur der Kathodeneingangsströmung zwischen dem Wärmetauscher und dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird, wobei die Temperatur der Kathodeneingangsströmung auch dazu verwendet wird, das Kühlfluid selektiv um den Wärme tauscher herum oder durch den Wärmetauscher hindurch zu lenken.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ferner das Kühlfluid abhängig von der Temperatur des Kühlfluids selektiv um einen Kühler herum gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das selektive Lenken des Kühlfluids um den Wärmetauscher herum oder durch den Wärmetauscher hindurch umfasst, dass das gesamte Kühlfluid, das von dem ersten Bypassventil aufgenommen wird, durch den Wärmetauscher gelenkt wird, wenn die Temperatur des Kühlfluids auf einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels liegt.