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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Das Testen von Brennstoffzellensystemen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann beispielsweise in Testständen erfolgen, welche beispielhaft in der
DE 202 10 130 U1 oder auch in der
CN 102 013 504 A beschrieben sind. In beiden Schriften ist es dabei beschrieben, dass zum Kühlen des Brennstoffzellensystems ein Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems durch einen externen Kühlkreislauf ersetzt oder an einen solchen angeschlossen werden kann. Hierdurch kann ein Abkühlen und Erwärmen des Kühlmediums für die Brennstoffzelle bzw. in dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems innerhalb des Teststands einfach und effizient erfolgen.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass insbesondere der sogenannte Gefrierstart von Brennstoffzellensystemen, also das Starten eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, sehr kritisch ist. Ein solcher Gefrierstart erfolgt typischerweise bei Bedingungen, in denen Feuchtigkeit und Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems komplett eingefroren sind. Er ist entsprechend schwierig und hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs und der Performance kritisch. Er gilt jedoch als entscheidendes Kriterium, um eine Akzeptanz von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen am Markt zu erzielen. Deshalb ist der Test von Gefrierstarts bei der Entwicklung von Brennstoffzellensystemen außerordentlich wichtig. Nun ist es so, dass das Brennstoffzellensystem als Ganzes gemäß dem Stand der Technik in einer Klimakammer abgekühlt wird, bis alle Komponenten eine einheitliche Temperatur, beispielsweise ca. –15°C aufweisen. Um dies zu erreichen, sind dabei sehr lange Zeiten notwendig, da das System selbst eine vergleichsweise große Wärmekapazität hat und die Kühlung in einer Klimakammer über kalte Luft erfolgt, welche ihrerseits eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität aufweist. Bis alle Komponenten des Systems sicher und zuverlässig auf die gewünschte Start-Temperatur für einen Gefrierstart-Test abgekühlt sind, vergeht daher eine vergleichsweise lange Zeit, beispielsweise eine Zeit von 24 bis 48 Stunden bei allgemein üblichen Testaufbauten und Bedingungen.
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Diese vergleichsweise lange Zeitspanne ermöglicht im Laufe einer zeitlich vorgegebenen Entwicklungsperiode nur eine sehr beschränkte Anzahl von Gefrierstart-Tests, was sich nachteilig auf die Entwicklung der Brennstoffzellensysteme auswirkt und mit entsprechenden Kosten verbunden ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Verfahren zum Testen eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem in dem Teststand in einer Klimakammer zum Test der Gefrierstartfähigkeit auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts abgekühlt wird. Zusätzlich zu dieser Abkühlung ist es erfindungsgemäß außerdem vorgesehen, dass eine Kühlung über die gekoppelten Kühlkreisläufe des Brennstoffzellensystems und des Teststands erfolgt. Eine solche zusätzliche Kühlung beispielsweise mit einem Kühlmedium, welches dafür sorgt, dass das Kühlmedium in dem Brennstoffzellensystem auf die spätere Zieltemperatur abgekühlt wird, ermöglicht eine deutliche Beschleunigung des Abkühlvorgangs des Brennstoffzellensystems. Hierdurch lassen sich in derselben vorgegebenen Zeitspanne für die Entwicklung deutlich mehr Gefrierstart-Tests des Brennstoffzellensystems durchführen, wodurch mehr realistische Messergebnisse über diesen kritischen Spezialfall eines Startvorgangs vorliegen. Die Entwicklung lässt sich damit verbessern und effiziente Startstrategien können einfacher und kostengünstiger getestet und weiterentwickelt werden.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kühlkreisläufe dabei über einen Wärmetauscher gekoppelt. Die Kopplung der Kühlkreisläufe über einen Wärmetauscher stellt sicher, dass der Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems selbst nicht verändert wird, sodass die gewünschten Messergebnisse unter realistischen Bedingungen gewonnen werden können, und damit außerordentlich aussagekräftig sind.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass die zusätzliche Kühlung über die gekoppelten Kühlkreisläufe zeitlich verzögert nach dem Start der Abkühlung in der Klimakammer erfolgt. Eine solche zeitliche Staffelung der herkömmlichen Abkühlung und der zusätzlichen forcierten Abkühlung über die gekoppelten Kühlkreisläufe ermöglicht insgesamt eine sehr realistische Abkühlung, welche zu Beginn genau so erfolgt, wie sie in der Realität auch erfolgen würde. Erst nachdem eine gewisse Temperaturschwelle erreicht ist bzw. eine entsprechend lange Zeit verstrichen ist, startet die zusätzliche Abkühlung über die gekoppelten Kühlkreisläufe. Diese führt dann immer noch zu einer erheblichen Verkürzung der Abkühlzeit des gesamten Brennstoffzellensystems, ohne die möglichst realistischen Messbedingungen nachhaltig zu stören. Über diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es so möglich, unter denselben Bedingungen, wie oben beschrieben, Zeiten bis zur endgültigen Abkühlung und gleichmäßigen Temperierung des Gesamtsystems beispielsweise auf –15°C in ca. 13 bis 16 Stunden anstelle der oben genannten 24 bis 48 Stunden zu erzielen.
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Innerhalb beispielsweise einer Nacht kann so das Brennstoffzellensystem in der Klimakammer mit der forcierten Abkühlung über die gekoppelten Kühlkreisläufe auf die gewünschte Zieltemperatur abgekühlt werden, sodass deutlich mehr Gefrierstart-Tests in derselben Zeitspanne möglich sind. Insbesondere kann über das erfindungsgemäße Verfahren ein Gefrierstart-Test pro Arbeitstag, bei anschließender Abkühlung über Nacht erfolgen, sodass die Zahl der erzielten Messergebnisse, der Testmöglichkeiten und der damit verbundenen Optimierung eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems deutlich verbessert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 einen Aufbau zum Testen eines Brennstoffzellensystems gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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2 ein zeitliches Diagramm der Abkühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Testverfahren gemäß dem Stand der Technik; und
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3 ein zeitliches Diagramm der Abkühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Testverfahren gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein sehr stark schematisiertes Brennstoffzellensystem 1 innerhalb eines gestrichelten Kastens angedeutet. Dieses Brennstoffzellensystem 1 umfasst im Kern zumindest eine Brennstoffzelle 2, welche in dem Brennstoffzellensystem 1 ebenfalls prinzipmäßig angedeutet ist. Der Brennstoffzelle 2 wird Luft und Wasserstoff zugeführt, was im oberen Teil der Brennstoffzelle 2 dargestellt ist, und Abluft und Abgas wird aus der Brennstoffzelle abgeführt. Die Funktionalität der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird. Teil des Brennstoffzellensystems 1 ist außerdem ein Kühlkreislauf 3, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 über eine Kühlmittelfördereinrichtung 4 sowie einen Wärmetauscher 5 verfügt. Über ein 3/2-Wegeventil kann das Kühlmedium im Bypass um diesen Wärmetauscher 5 geführt werden, oder in einer entsprechenden Aufteilung der Volumenströme sowohl über den Bypass als auch über den Wärmetauscher 5 oder entsprechend auch ausschließlich über den Bypass um den Wärmetauscher 5 herum. Um einen Gefrierstart-Test an dem Brennstoffzellensystem 1 durchzuführen, wird dieses in einer Klimakammer positioniert. Über den mit 7 bezeichneten Pfeil soll der Kälteeintrag durch die Klimakammer angedeutet sein. Das Brennstoffzellensystem 1 wird hierdurch abgekühlt, wobei für einen Gefrierstart-Test ein Temperaturgleichgewicht aller Medien und Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 erzielt sein muss. Diese können beispielsweise auf eine Zieltemperatur von –15°C abgekühlt werden, bevor der eigentliche Gefrierstart-Test durchgeführt wird.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein Diagramm des Temperaturverlaufs des Brennstoffzellensystems 1 und der Klimakammer gemäß dem Stand der Technik über der Zeit dargestellt. Gestartet wird bei einer Temperatur von 20°C, wobei das Brennstoffzellensystem dabei zur Simulation eines Fahrvorgangs eines mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs mit einer entsprechenden Belastungskurve bewegt wird. Vereinfachend ist hier für diese vorbereitende Konditionierung eine konstante Temperatur des Brennstoffzellensystems bei 20°C angenommen. Danach erfolgt eine Kühlung über die Klimakammer, was in der Darstellung der 2 durch eine angedeutete Kühlanlage 8, welche die Klimakammer symbolisieren soll, angedeutet ist. Der durchgezogene Verlauf gibt dabei den Temperaturverlauf der Klimakammer an, während der strichpunktierte Verlauf den Temperaturverlauf des Brennstoffzellensystems 1 wiedergibt. Bis eine konstante Temperatur des Brennstoffzellensystems von –15°C erreicht ist und bis diese für eine gewisse Zeit aufrechterhalten worden ist, sodass sichergestellt werden kann, dass alle Komponenten und Medien gleichmäßig auf dieser Temperatur sind, vergeht eine vergleichsweise lange Zeit von ca. 24 bis 48 Stunden, bis der Gefrierstart-Test frühestens zum mit A bezeichneten Zeitpunkt durchgeführt werden kann, wonach im Endbereich wieder eine Aufwärmung des Brennstoffzellensystems durch eine Erwärmung der Klimakammer gemäß der durchgezogenen Linie erfolgt. Diese Zeitspanne ist dabei außerordentlich lang, was die Bereitstellung von wertvollen Ergebnissen für die Entwicklungsarbeit bei der Optimierung von Gefrierstarts von Brennstoffzellensystemen 1 entsprechend verzögert.
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Bei dem hier dargestellten Verfahren ist es deshalb so, dass über den Wärmetauscher 5 des Brennstoffzellensystems 1 zusätzlich ein externer Wärmetauscher eines Teststands für das Brennstoffzellensystem 1 mit angekoppelt wird. In der Darstellung der 1 ist dies durch zwei zusätzliche Leitungselemente 9 im Bereich des Wärmetauschers 5 sowie einen mit 10 bezeichneten Pfeil, welcher den Kälteeintrag aus dem externen Kühlkreislauf und einem externen Kühlgerät symbolisieren soll, dargestellt. Die ideale Vorgehensweise ist dabei aus dem Diagramm der 3 zu erkennen, welches analog zu dem in 2 bereits beschriebenen Diagramm zu verstehen ist. Die Abkühlung des Brennstoffzellensystems 1 erfolgt dabei ausgehend von denselben Ausgangsbedingungen so, dass die Abkühlung zuerst über die Klimakammer bzw. ihr Kühlanlage 8 erfolgt, genau so wie im Stand der Technik. Erst nachdem die Klimakammer die Abkühlung des Brennstoffzellensystems für eine vorgegebene Zeitspanne übernommen hat, sodass zumindest die Klimakammer selbst auf die spätere Zieltemperatur abgekühlt ist, erfolgt an dem mit X bezeichneten Zeitpunkt die zusätzliche Kühlung über den externen Kälteeintrag 10 über den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems 1. Die Abkühlung insgesamt, bis zum Zeitpunkt A, zu dem die Gefrierstart-Tests dann wieder gestartet werden können, wird hierdurch deutlich verkürzt und beträgt in der Darstellung des Diagramms der 3 ca. 13 bis 16 Stunden, wobei die Zeitachsen der Diagramme gemäß den 2 und 3 nicht maßstäblich zueinander dargestellt sind. Die Verkürzung der Zeit bis zur Abkühlung um typischerweise mehr als 10 Stunden ermöglicht eine sehr viel höhere Frequenz von Gefrierstart-Tests des Brennstoffzellensystems 1, welche weiterhin unter sehr realistischen Bedingungen vorgenommen werden können. Hierdurch wird die Qualität und die Anzahl der vorliegenden Messergebnisse verbessert, was insgesamt zu einer deutlichen Verbesserung der Datenbasis für die Entwicklung von Gefrierstartstrategien und der Überprüfung der Entwicklungsergebnisse beiträgt. Die Tests können damit effizienter, einfacher und kostengünstiger gestaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20210130 U1 [0002]
- CN 102013504 A [0002]
