DE102016116214A1

DE102016116214A1 - Verfahren zum Betreiben und Sicherstellen einer Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102016116214A1
Application number: DE102016116214.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Christian Schröder; Nadine Rink
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben und Sicherstellen einer Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellenaggregat in einem Zeitraum unter vergleichsweise trockenen Betriebsbedingungen und in einem Zeitraum unter vergleichsweise feuchten Betriebsbedingungen betreibbar ist, wobei das Brennstoffzellenaggregat bei Feucht-Betriebsbedingungen einen effizienteren Betrieb ermöglicht, als bei Trocken-Betriebsbedingungen, wobei, wenn von einer vergleichsweise langen Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs auszugehen ist, das Brennstoffzellenaggregat in einem Zeitraum während der Fahrt unter Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird, und das Brennstoffzellenaggregat für das Sicherstellen seiner Froststartfähigkeit in einem Zeitraum während und/oder zeitlich nach der Fahrt unter Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird.
Für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats kann das Brennstoffzellenaggregat: zeitlich vor oder zeitlich direkt vor einem Beendigen der Fahrt; zeitlich nach dem Beendigen der Fahrt und zeitlich vor einem auf die Fahrt folgenden Kaltstart; und/oder zeitlich vor oder zeitlich direkt vor dem folgenden Kaltstart des Brennstoffzellenaggregats in einem Zeitraum unter Trocken-Betriebsbedingungen betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben und Sicherstellen einer Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellenaggregat in einem Zeitraum unter vergleichsweise trockenen Betriebsbedingungen und in einem Zeitraum unter vergleichsweise feuchten Betriebsbedingungen betreibbar ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinheit, insbesondere ein Motorsteuergerät, und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug, wobei durch die Steuereinheit und/oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren durchführbar ist oder durchgeführt wird.
Eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen (H, H₂) Brennstoffs mit Sauerstoff (O, O₂) zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA, Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden beziehungsweise protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung der Brennstoffzelle dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilige elektrisch leitende Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle (Einzelzelle: Membran-Elektroden-Einheit sowie ein zugehöriger Anodenraum begrenzt von einer Bipolarplatte und ein zugehöriger Kathodenraum begrenzt von einer zweiten Bipolarplatte) wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu 2H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (2e^–) stattfindet (H₂ => 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die betreffenden Reaktionsräume (Anodenraum-Kathodenraum-Paare der Einzelzellen) gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden ((zusammengesetzte) Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden ((zusammengesetzte) Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen.
Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über elektrische Leitungen und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Verdichter, Klimaanlage et cetera) der Kathode zugeleitet. Den Kathodenelektroden der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium zugeführt, wobei eine elektrochemische Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– => O^2–). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildeten Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ => H₂O).
Ein Brennstoffzellenfahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches zu einem großen Teil durch eine elektrische Energie einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats des Fahrzeugs betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Optional kann ein Energiespeicher, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, das Brennstoffzellenaggregat unterstützen, um einen Elektro(-traktions-)motor des Fahrzeugs, welcher ein Drehmoment für einen Antrieb des Fahrzeugs generiert, und gegebenenfalls einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Mit zunehmender Serientauglichkeit der Brennstoffzellenfahrzeuge rücken allgemeine Fragen eines Komforts in einen Vordergrund.
Im Brennstoffzellenaggregat wird ein Luftmassenstrom, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird, für die Reaktion durch einen Befeuchter befeuchtet. Ein Grund für die Befeuchtung des Luftmassenstroms ist unter anderem, dass ein Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mit einer Feuchte einer Membran des Befeuchters, welche wiederum durch eine Eintrittsfeuchte des Luftmassenstroms beeinflusst wird, ansteigt. Ein feuchter Betrieb des Brennstoffzellenaggregats, bei welchem ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann, ist jedoch nicht immer möglich, da das Brennstoffzellenaggregat bei feuchten beziehungsweise nassen Betriebsbedingungen nicht mehr froststartfähig ist. Hierzu muss der Brennstoffzellenstapel vergleichsweise trocken sein.
Da die Feuchte aus dem Brennstoffzellenstapel nur vergleichsweise langsam herausförderbar ist, ist ein feuchter Betrieb mit anschließender Trocknung des Brennstoffzellenstapels ohne eine weitere Information nicht möglich, ohne dafür zu viel elektrische Energie umzusetzen. Darüber hinaus tritt bei feuchten Betriebsbedingungen flüssiges Wasser an einem Kathodenaustritt auf, welches zu einer Erhöhung eines Kühlungsbedarfes führt (Kondensationsenthalpie). Daher wählt man bei Frostgefahr während einer Fahrt trockene Betriebsbedingungen für eine gesamte Betriebsdauer des Brennstoffzellenaggregats, mit dem Nachteil eines geringeren Wirkungsgrads des Brennstoffzellenaggregats
Die DE 10 2007 044 760 A1 offenbart ein Verfahren zum automatischen Auswählen eines Betriebsmodus für ein Brennstoffzellenfahrzeug, wobei zumindest ein erster Betriebsmodus und ein zweiter Betriebsmodus eingerichtet sind, wobei der erste und zweite Betriebsmodus unter einem Berücksichtigen eines aktuellen Kalenderdatums und/oder unter einem Berücksichtigen einer aus einem Datennetzwerk bezogenen Wettervorhersage und/oder unter einem Berücksichtigen eines aktuellen Umgebungsluftdrucks festgelegt wird. Ein erster Betriebsmodus ist hierbei ein Sommermodus und ein zweiter Betriebsmodus ist ein Wintermodus.
Die DE 11 2007 002 603 T5 lehrt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer Steuerungseinrichtung zum Ansteuern der Brennstoffzelle. Die Steuerungseinrichtung steuert ein Durchführen eines normalen Betriebs und eines trockenen Betriebs der Brennstoffzelle, wobei im trockenen Betrieb ein Wasserinhalt der Brennstoffzelle im Vergleich zum normalen Betrieb verringert ist. Die Steuerungseinrichtung führt dabei den trockenen Betrieb vor einer vorausgesagten Anweisung eines Systemstopps aus, sodass ein Wasserinhalt der Brennstoffzelle zu einer Zeit des Systemstopps im Vergleich zum normalen Betrieb verkleinert ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben und Sicherstellen einer Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellenfahrzeugs anzugeben, welche einen Betrieb des Brennstoffzellenaggregats unter Frostgefahr auch bei feuchten beziehungsweise nassen Betriebsbedingungen zum Steigern einer Effizienz des Brennstoffzellenaggregats ermöglicht. Des Weiteren soll eine entsprechende Steuereinheit, insbesondere ein entsprechendes Motorsteuergerät, und/oder ein entsprechendes Brennstoffzellenfahrzeug angegeben werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Betreiben und Sicherstellen einer Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellenaggregat in einem Zeitraum unter vergleichsweise trockenen beziehungsweise nassen Betriebsbedingungen und in einem Zeitraum unter vergleichsweise feuchten Betriebsbedingungen betreibbar ist; und mittels einer Steuereinheit, insbesondere eines Motorsteuergeräts, und/oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs; gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht das Brennstoffzellenaggregat bei Feucht-/Nass-Betriebsbedingungen (nachfolgend ist nur noch die Rede von Feucht-Betriebsbedingungen, dieser Begriff soll jedoch den Begriff Nass-Betriebsbedingungen mitumfassen) einen effizienteren Betrieb als bei Trocken-Betriebsbedingungen, wobei, wenn von einer vergleichsweise langen Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs auszugehen ist, das Brennstoffzellenaggregat in einem Zeitraum während der Fahrt unter Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird, und das Brennstoffzellenaggregat für das Sicherstellen seiner Froststartfähigkeit in einem Zeitraum während und/oder zeitlich nach der Fahrt unter Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird. Dies wird, bevorzugt falls möglich, für eine jede Fahrt individuell bestimmt.
Unter der vergleichsweise langen Fahrt soll eine zeitlich vergleichsweise lange Fahrzeit und/oder räumlich vergleichsweise lange Fahrstrecke (Route) verstanden sein. Das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats soll natürlich einen auf die Fahrt zeitlich folgenden Kaltstart des Brennstoffzellenaggregats betreffen, wobei dieser Kaltstart mittelfristig (mehrere Stunden bis mehrere Tage) oder langfristig (viele Tage bis durchaus mehr als mehrere Wochen) nach einem Abstellen des Brennstoffzellenaggregats erfolgen kann. – Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Erhöhung einer Effizienz (Wirkungsgrad) des Brennstoffzellenaggregats.
In einer Ausführungsform wird für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats, das Brennstoffzellenaggregat: zeitlich vor oder zeitlich direkt vor einem Beendigen der Fahrt; zeitlich nach dem Beendigen der Fahrt und zeitlich vor einem auf die Fahrt folgenden Kaltstart; und/oder zeitlich vor oder zeitlich direkt vor dem folgenden Kaltstart des Brennstoffzellenaggregats in einem Zeitraum unter Trocken-Betriebsbedingungen betrieben.
In einer Ausführungsform wird für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats eine Frostinformation herangezogen, durch welche sich eine Aussage darüber treffen lässt, ob zeitlich bei und/oder nach dem Abstellen des Brennstoffzellenaggregats eine Temperatur zu erwarten ist, bei welcher das Brennstoffzellenaggregat wenigstens teilweise einfrieren kann. Eine solche Information ist zum Beispiel eine Temperatur, insbesondere eine Außentemperatur, eines Raumzeitbereichs, in welchem sich das Brennstoffzellenaggregat beziehungsweise das Brennstoffzellenfahrzeug nach seiner Fahrt befindet, während das Brennstoffzellenaggregat abgestellt ist.
In einer Ausführungsform wird für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats auf die Temperatur, insbesondere eine Außentemperatur, als eine Frostinformation: aus einer aktuellen Jahreszeit, einem aktuellen Klima, einem aktuellen Wetter, einem aktuellen Datum, einer aktuellen Uhrzeit, einem aktuellen Ort, einer aktuellen Temperatur, einer prädizierten Temperatur, einem prädizierten Ort, einer prädizierten Uhrzeit, einem prädizierten Datum, einem prädizierten Wetter, einem prädizierten Klima und/oder einer kommenden Jahreszeit des Brennstoffzellenfahrzeugs geschlossen.
Die Temperatur kann zum Beispiel: eine vom Brennstoffzellenfahrzeug gemessene, ermittelte und/oder berechnete Temperatur sein; eine vom Brennstoffzellenfahrzeug, zum Beispiel von einer kurzfristigen, mittelfristigen oder langfristigen Wetter- oder Klimavorhersage erhaltene Temperatur sein; und/oder eine von kurzfristigen, mittelfristigen oder langfristigen Wetterdaten et cetera ermittelte Temperatur sein; et cetera. Die Temperatur repräsentiert dabei insbesondere eine Außentemperatur, wobei die Temperatur gegebenenfalls prädiziert ist.
In einer Ausführungsform ist die Frostinformation und/oder Temperatur für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats ein Maß für denjenigen Zeitpunkt/diejenige Zeitdauer: ab welchem/mit welcher das Brennstoffzellenaggregat während der Fahrt bei Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird; ab welchem/ab welcher das Brennstoffzellenaggregat während der Fahrt nicht mehr bei Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird; ab welchem/mit welcher das Brennstoffzellenaggregat während der Fahrt bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird; ab welchem/ab welcher das Brennstoffzellenaggregat während der Fahrt nicht mehr bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird; in welcher/mit welcher das Brennstoffzellenaggregat zeitlich nach der Fahrt bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird; und/oder in welchem/ab welcher das Brennstoffzellenaggregat selbständig startet und bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird oder ohne Stapelbetrieb getrocknet wird. – Die Temperatur, auch bei höheren Temperaturen, ist im Allgemeinen eine Einflussgröße. So ist es wegen einer Kühlung bevorzugt, Trocken-Betriebsbedingungen zu wählen, wenn die Außentemperatur vergleichsweise hoch ist.
In einer Ausführungsform erfolgt ein Ermitteln der vergleichsweise langen Fahrt (Fahrzeit und/oder Fahrstrecke (Route)) des Brennstoffzellenfahrzeugs: durch eine Eingabe (Fahrziel, Fahrstrecke, abgeschätzte Dauer et cetera) in ein dafür eingerichtetes Gerät oder eine dafür eingerichtete Einrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs; durch eine Eingabe in ein Navigationsgerät (Brennstoffzellenfahrzeug, Smartphone, externes Navigationsgerät et cetera); und/oder aufgrund durch das Brennstoffzellenfahrzeug gelernter Parameter.
In einer Ausführungsform wird das Brennstoffzellenaggregat zeitlich vor einem Erreichen seines Fahrziels zum Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben; oder das Brennstoffzellenaggregat wird zeitlich hauptsächlich oder im Wesentlichen bis zum Erreichen seines Fahrziels bei Feucht-Betriebsbedingungen betrieben, falls es eine Temperatur und/oder die Frostinformation ermöglicht.
Ein Sicherstellen der Froststartfähigkeit erfolgt über die Frostinformation beziehungsweise über die Temperatur, insbesondere die Außentemperatur. Bei Vorliegen einer solchen (positiven) Frostinformation beziehungsweise einer solchen gegebenenfalls prädizierten (gegebenenfalls negativen) Temperatur (als zum Beispiel positive Frostinformation), liegt eine gewisse/hohe Wahrscheinlichkeit für Frost in der Umgebung des Brennstoffzellenfahrzeugs vor. Das Brennstoffzellenaggregat braucht für einen erneuten Kaltstart daher einen bis zu einem gewissen Grad getrockneten Brennstoffzellenstapel.
In einer Ausführungsform wird bei einem vorzeitigen Ende oder einer Unterbrechung der Fahrt zum Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats: ein Abschalten des Brennstoffzellenaggregats zeitlich verlängert; es erfolgt ein Anschalten des Brennstoffzellenaggregats zeitlich verlängert oder verfrüht; oder das Brennstoffzellenaggregat wird während einer Stilllegungsphase angeschaltet; wobei das Brennstoffzellenaggregat jeweils bei Trocken-Betriebsbedingungen betreibbar ist oder betrieben wird, wobei der Brennstoffzellenstapel nicht zwangsläufig in Betrieb ist.
In einer Ausführungsform wird bei einem vorzeitigen Ende oder einer Unterbrechung der Fahrt: bei Frost oder einem kurzfristig zu erwartendem Frost, ein Abschalten des Brennstoffzellenaggregats zeitlich verlängert; oder bei keinem zu erwartendem Frost, erfolgt ein Anschalten des Brennstoffzellenaggregats zeitlich verlängert oder verfrüht, oder das Brennstoffzellenaggregat wird während einer Stilllegungsphase angeschaltet; wobei das Brennstoffzellenaggregat bei Trocken-Betriebsbedingungen betreibbar ist oder betrieben wird.
Eine Zeitdauer zum Betreiben des Brennstoffzellenaggregats bei Trocken-Betriebsbedingungen entspricht hauptsächlich oder im Wesentlichen derjenigen Zeitdauer, bis ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellenaggregats hauptsächlich oder im Wesentlichen für einen Froststart getrocknet ist. In Ausführungsformen des Betriebsverfahrens sind durch eine Aufzählung ein Aufzählungspunkt, eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder alle Aufzählungspunkte realisierbar. In Ausführungsformen der Erfindung wird das Betriebsverfahren lediglich bei einer bestimmten Wahrscheinlichkeit für Frost durchgeführt. Besteht diese Wahrscheinlichkeit nicht (Sommer et cetera), so kann das Betriebsverfahren obsolet sein.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Abschnitte, Elemente, Bauteile, Einheiten, Schemata und/oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung (siehe unten), der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine mögliche, in der Beschreibung (Erfindungsbeschreibung (siehe oben), Figurenbeschreibung) nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternative, eine statische und/oder kinematische Umkehrung, eine Kombination et cetera zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einer Komponente, einem Schema, einer Einheit, einem Bauteil, einem Element oder einem Abschnitt davon, kann ferner der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Bei der Erfindung kann ein Merkmal (Einheit, Komponente, Abschnitt, Element, Bauteil, Funktion et cetera) positiv, das heißt vorhanden, oder negativ, das heißt abwesend, ausgestaltet sein, wobei ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert ist, wenn nicht Wert darauf gelegt ist, dass es abwesend ist. Ein Merkmal dieser Spezifikation kann nicht nur in einer angegebenen Art und/oder Weise, sondern auch in einer anderen Art und/oder Weise angewendet sein (Isolierung, Zusammenfassung, Ersetzung, Hinzufügung, Alleinstellung, Weglassung et cetera). Insbesondere ist es möglich, anhand eines Bezugszeichens und einem diesen zugeordneten Merkmal, beziehungsweise vice versa, in der Beschreibung, der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und/oder der Zeichnung, ein Merkmal in den Patentansprüchen und/oder der Beschreibung zu ersetzen, hinzuzufügen oder wegzulassen. Darüber hinaus kann dadurch ein Merkmal in einem Patentanspruch ausgelegt und/oder näher spezifiziert werden.
Die Merkmale dieser Spezifikation sind (angesichts des (meist unbekannten) Stands der Technik) auch als optionale Merkmale interpretierbar; das heißt jedes Merkmal kann als ein fakultatives, arbiträres oder bevorzugtes, also als ein nicht verbindliches, Merkmal aufgefasst werden. So ist eine Herauslösung eines Merkmals, gegebenenfalls inklusive seiner Peripherie, aus einem Ausführungsbeispiel möglich, wobei dieses Merkmal dann auf einen verallgemeinerten Erfindungsgedanken übertragbar ist. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal in Bezug auf die Erfindung optional ist. Ferner ist bei einem Artbegriff für ein Merkmal auch ein Gattungsbegriff für das Merkmal mitlesbar (gegebenenfalls weitere hierarchische Gliederung in Untergattung, Sektion et cetera), wodurch, zum Beispiel unter Beachtung von Gleichwirkung und/oder Gleichwertigkeit, eine Verallgemeinerung eines oder diesen Merkmals möglich ist. – In den lediglich beispielhaften Figuren zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellenaggregats gemäß der Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellenaggregats;
4 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für das Brennstoffzellenaggregat; und
5 ein Ablaufdiagramm einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für das Brennstoffzellenaggregat.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen von Verfahren zum Betreiben und Sicherstellen einer Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellenaggregats 1 eines Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs (Personenkraftwagen, Personentransportwagen, Bus, ATV (englisch All Terrain Vehicle), Kraftrad, Nutzfahrzeug, (Schwerst-)Lastkraftwagen, Baufahrzeug, Baumaschine, Sonderfahrzeug, Schienenfahrzeug) näher erläutert. Dabei ist das Brennstoffzellenaggregat 1 in einem Zeitraum unter vergleichsweise trockenen Betriebsbedingungen und in einem Zeitraum unter vergleichsweise feuchten Betriebsbedingungen betreibbar, wobei das Brennstoffzellenaggregat 1 bei Feucht-Betriebsbedingungen einen effizienteren Betrieb (erhöhter Wirkungsgrad) ermöglicht, als bei Trocken-Betriebsbedingungen.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellenaggregats 1 des Brennstoffzellenfahrzeugs dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf eine Darstellung einer Peripherie des Brennstoffzellenaggregats 1, von Sensoren, elektronischer, elektrischer und leistungselektrischer Vorrichtungen und/oder Einrichtungen et cetera weitgehend verzichtet worden. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellenaggregat 1 eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellenaggregat 1 ist bevorzugt Teil des nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs (Brennstoffzellenfahrzeug), welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch eine Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenaggregats 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich vom Brennstoffzellenaggregat 1 insbesondere durch nicht dargestellte leistungselektrische, elektrische und elektronische Vorrichtungen und/oder Einrichtungen (Wandler, Batterie, Wechselrichter et cetera), ein Motorsteuergerät (englisch ECU, Engine Control Unit) et cetera, welche das Brennstoffzellenaggregat 1 nicht mitumfasst.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst als eine Kernkomponente die Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 17, die beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11, nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet, aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel 17 in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist (Brennstoffzelle 10). Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt).
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen flächig begrenzend an den Membranen jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der betreffenden Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion (siehe oben) einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches bevorzugt auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer vergleichsweise großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und den dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist ferner eine Bipolarplatte 15 angeordnet (in der 1 wiederum lediglich angedeutet), welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und welche darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 einer Einzelzelle 11 (Anodenraum-Kathodenraum-Paar 12/13) ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. In der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise im Brennstoffzellenstapel 17 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 17), wobei zwischen den Einzelzellen 11 ein Flussfeld für ein Kühlmedium 7/8 integriert ist.
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 17 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellenaggregat 1 beziehungsweise das Brennstoffzellensystem einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt eine Fördereinrichtung, wie zum Beispiel ein Verdichter, oder eine Fördervorrichtung angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulation realisierbar und/oder eine Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein Kathoden-Betriebsmedium 5 beispielsweise Sauerstoff 5 oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 ansaugbar ist. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt und dieses beziehungsweise diese einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt wenigstens ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder ein auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb (auch) mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist.
Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader 33 (englisch ETC, Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle oder eines Getriebes antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads Brennstoffzelle 10).
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wasteleitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen kathodenseitigen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 oder ein als Wastegate 38 ausgebildetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 38 (, 51, 52 (siehe unten)) des Brennstoffzellenaggregats 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Für eine Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 oder eine anderweitige Aufgabe kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel in der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30, zum Beispiel an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22, und/oder an/in einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 weist ferner bevorzugt einen Befeuchter 39 auf. Der Befeuchter 39 ist einerseits derart am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter 39 derart am/im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 ist dabei im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt stromabwärts des Kathodenverdichters 33 und stromaufwärts eines Kathodeneingangs der Brennstoffzelle 10, und im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der am/im Kathoden-Abgaspfad 32 vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger des Befeuchters 39 weist bevorzugt eine Vielzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern, gegebenenfalls als ein Hohlfaserkörper, ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10/des Brennstoffzellenstapels 17, der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30 sind in der 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 (siehe 2, Befeuchter-Bypass 50, Stellmittel 51, 52) und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels eines Bypasses umgangen werden (Stellmittel). Es kann ferner ein Turbinen-Bypass seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht (Stellmittel).
Des Weiteren kann am/im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler zum Speichern ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Befeuchter 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler durchströmen.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner eine in der 1 beispielhaft und stark vereinfacht dargestellte Kühlmediumversorgung 40, welche einen Kühlkreislauf 40 umfasst, in welchen die Brennstoffzelle 10 wärmeübertragend eingebunden ist. Der Kühlkreislauf 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41, welcher der Brennstoffzelle 10 ein vergleichsweise kühles, das heißt temperiertes, Kühlmedium 7 zuführt, und ferner einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42, welcher von der Brennstoffzelle 10 ein vergleichsweise warmes Kühlmedium 8 abführt. Eine Förderung des im Kühlkreislauf 40 zirkulierenden Kühlmediums 7/8 erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer elektromotorisch betriebenen Kühlmediumpumpe im Kühlkreislauf 40. Das Kühlmedium 7/8, insbesondere Wasser 7/8, ein Wasser-Alkohol-Gemisch 7/8 oder ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch 7/8, ist von einem Kühler beziehungsweise Fahrzeughauptkühler im Kühlkreislauf kühlbar, welcher üblicherweise ein Luftgebläse aufweist. Ein im Wesentlichen wasserfreies Kühlmedium 7/8 ist natürlich anwendbar.
Es ist ein Ziel der Erfindung, Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenaggregats 1 in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern derart einzustellen beziehungsweise zu ändern, dass ein feuchterer beziehungsweise nasserer und somit effizienterer Betrieb des Brennstoffzellenaggregats 1 ermöglicht werden kann, wobei dennoch ein später froststartfähiges Brennstoffzellenaggregat 1 beziehungsweise Brennstoffzellensystem (Trocken-Betriebsbedingungen) erhalten wird. Im Folgenden ist von feuchteren beziehungsweise vergleichsweise feuchten Betriebsbedingungen (Feucht-Betriebsbedingungen) die Rede, der Begriff nasse beziehungsweise vergleichsweise nasse Betriebsbedingungen (Nass-Betriebsbedingungen) soll dadurch mitumfasst sein.
Die Parameter, in deren Abhängigkeit die Betriebsbedingungen insbesondere angepasst werden sollen, sind zum Beispiel die folgenden. Eine Streckenlänge und/oder eine Zeitdauer, auch als Fahrt bezeichnet, einer mit dem Brennstoffzellenfahrzeug zu fahrenden Route, welche durch eine Eingabe in ein dafür eingerichtetes Gerät (Einrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs, Navigationsgerät, Smartphone et cetera) und/oder aufgrund durch das Brennstoffzellenfahrzeug gelernter Parameter bestimmt wird. Eine Frostinformation, durch welche sich eine Aussage darüber treffen lässt, ob eine Temperatur, insbesondere eine Außentemperatur beziehungsweise Umgebungstemperatur, zu erwarten ist, bei welcher das Brennstoffzellenaggregat wenigstens teilweise einfrieren kann. Sowie gegebenenfalls wenigstens eines Wetterdatums beziehungsweise von Wetterdaten entlang einer Route des Brennstoffzellenfahrzeugs (Jahreszeit, Klima, Wetter, Kalenderdatum, Uhrzeit, Ort, Temperatur; aktuell und/oder aufgrund einer Vorhersage).
Wie in 2 dargestellt, ist eine Steuerung oder Regelung des Befeuchters 39 mittels eines Befeuchter-Bypasses 50 möglich, durch welchen vergleichsweise trockenes Kathoden-Betriebsmedium 5 (Luftmassenstrom 5) um den Befeuchter 39 herumgeleitet werden kann (Stellmittel 51 offen, Stellmittel 52 teilweise offen (Teilbefeuchtung) oder vollständig geschlossen). Dadurch kann eine relative Feuchte am Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 im Wesentlichen direkt variiert werden. Eine Auslegung des Befeuchters 39 erfolgt vorzugsweise derart, dass an einem Ende seiner Lebenszeit in einem Auslegungspunkt des Befeuchters 39 ein gesamter Luftmassenstrom 5 durch den Befeuchter 39 hindurchströmen kann (Befeuchter-Bypass 50 geschlossen). Somit besteht für seine Lebenszeit sowie für andere Lastpunkte als dem des Auslegungspunkts die Möglichkeit, eine Befeuchtung des Luftmassenstroms 5 mit demselben Befeuchter 39 zu erhöhen.
Die Bezeichnungen A bis L für die 3 bis 5 lauten folgendermaßen: A: Fahrt beginnt, B: Fahrziel mit Fahrzeit größer als Trocknungszeit des Brennstoffzellenstapels 17 unter anderem zur Sicherstellung der Froststartfähigkeit, C: Ja (+), D: Außentemperatur < T_kritisch für Kühlung, E: Ja (+), F: Feuchterer Betrieb (Feucht-Betriebsbedingungen) der Brennstoffzelle 10 zur Effizienzsteigerung bis die voraussichtlich verbleibende Fahrzeit gleich der Trocknungszeit des Brennstoffzellenstapels 17 ist, G: Einstellung trockener Betriebsbedingungen (Trocken-Betriebsbedingungen) zur Trocknung des Brennstoffzellenstapels 17, H: Fahrt endet, J: Nein (–), K: Trockener Betrieb (Trocken-Betriebsbedingungen) der Brennstoffzelle 10, L: Nein (–).
Gemäß der Erfindung, siehe die 3, sowie zusätzlich die 4 und 5, erfolgt ein Einstellen von vergleichsweise feuchten Betriebsbedingungen (Feucht-Betriebsbedingungen) des Brennstoffzellenaggregats 1, wenn zum Beispiel gemäß des Navigationsgeräts bei einem Beginn der Fahrt (Kasten A) von einer vergleichsweise langen Fahrt (Route: Fahrzeit beziehungsweise Fahrstrecke) auszugehen ist (Kasten B: Fahrziel mit Fahrzeit größer als Trocknungszeit des Brennstoffzellenstapels 17, C: +) und betreffende Außentemperaturen (während der Fahrt und/oder am Fahrziel (Kasten D, E: +) (siehe auch unten) es erlauben. Es erfolgt ein feuchterer Betrieb (Feucht-Betriebsbedingungen) der Brennstoffzelle 10 zur Effizienzsteigerung bis eine voraussichtlich verbleibende Fahrzeit im Wesentlichen gleich einer Trocknungszeit des Brennstoffzellenstapels 17 ist (Kasten F).
Entspricht (nur 3) die voraussichtlich verbleibende Fahrzeit im Wesentlichen der Trocknungszeit des Brennstoffzellenstapels 17, erfolgt ein Umschalten auf vergleichsweise trockene Betriebsbedingungen (Trocken-Betriebsbedingungen, Kasten G) zeitlich vor einem Erreichen eines Fahrziels (Kasten H) zum Sicherstellen eines froststartfähigen Brennstoffzellenaggregats 1. – Ist dies (C: + und/oder E: +) nicht möglich (J: – und/oder L: –), erfolgt (3 bis 5) ein Einstellen von vergleichsweise trockenen Betriebsbedingungen (Trocken-Betriebsbedingungen) des Brennstoffzellenaggregats 1 (Kasten K).
Die Bezeichnungen M und N für die 4, ohne die Bezeichnungen G und H, lauten zusätzlich zu oben: M: Vorzeitiges Ende der Fahrt, N: Zur Trocknung des Brennstoffzellenstapels 17, Verlängerung des Angeschaltetseins, Verlängerung/Verfrühung des Anschaltens oder Anschalten während Stilllegung. Die Bezeichnungen O bis S für die 5, ohne die Bezeichnungen G, H und N, lauten zusätzlich zu oben: O: Wetterdaten/Wettervorhersage, Frost in den nächsten Stunden zu erwarten? P: Ja (+), Q: Zur Trocknung des Brennstoffzellenstapels 17, Verlängerung des Abschaltens, R: Nein (–), S: Zur Trocknung des Brennstoffzellenstapels 17, Verlängerung/Verfrühung des Anschaltens oder Anschalten während Stilllegung.
Bei einem vorzeitigen Ende oder einem Stopp des Brennstoffzellenfahrzeugs, siehe die 4 und 5 (Kasten M), kann eine Verlängerung des Angeschaltetseins beziehungsweise des Abschaltens des Brennstoffzellenaggregats 1 (Shut-down, Wake-up, Kasten N, Kasten Q), eine Verlängerung oder Verfrühung einer Abfahrstrategie (Wake-up, Shut-down, Kasten N, Kasten S) oder eines Anschaltens während der Stilllegung (Wake-up, Kasten N, Kasten S) erfolgen, um den feuchten Brennstoffzellenstapel 17 wieder zu trocknen (bevorzugt in Verbindung mit einer aktuellen Außentemperatur). Hierbei wird das Brennstoffzellenaggregat 1 natürlich bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben oder das Brennstoffzellenaggregat 1 ohne Stapelbetrieb getrocknet.
Wenn zum Beispiel, siehe 3 bis 5, in das Navigationsgerät ein Fahrziel eingegeben wird, ergibt sich eine bestimmte Fahrzeit (Kasten A). Ist diese Fahrzeit größer ist als diejenige Zeit, welche das Brennstoffzellensystem braucht, den Brennstoffzellenstapel 17 wieder zu trocknen (Kasten B), kann der Brennstoffzellenstapel 17 für eine zeitlich vorangehende Teilfahrzeit feuchter und somit bei einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden (C: +, Kasten D, E: +, Kasten F). Vor dem Fahrziel werden die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenaggregats 1 derart geändert (Kasten G, (Kästen M, N oder Kästen M, O, S, Q)), dass der Brennstoffzellenstapel 17 beziehungsweise ein Gesamtsystem (Brennstoffzellensystem) vor einem Erreichen des Fahrziels wieder eine spezifizierte (Membran-)Feuchte erreicht, welche eine Froststartfähigkeit des Gesamtsystems garantiert.
Sollte während des Betriebs mit erhöhter relativer Kathodeneintrittsfeuchte (Luftmassenstrom 5) die Fahrt vorzeitig unterbrochen werden (Kasten M), kann der Brennstoffzellenstapel 17 über die Abfahrstrategie ebenfalls in einen froststartfähigen Zustand versetzt werden, was allerdings einen Nachlauf des Brennstoffzellensystems oder ein verfrühtes Anschalten zur Folge hat (Kasten N, Kasten S/Q). Hierbei kann auch ein Anschalten während der Stilllegung des Brennstoffzellensystems angewendet werden (Wake-up; zeitversetztes, automatisiertes Starten des Brennstoffzellensystems zum Beispiel zeitlich kurz vor einem Einfrieren zum Konditionieren von Bauteilen bezüglich Froststart, zum Beispiel Flüssigwasseraustrag beziehungsweise Trocknung; Kasten N; Kasten S), um den Brennstoffzellenstapel 17 in einen froststartfähigen Zustand zu bringen (ebenfalls Nachlauf des Brennstoffzellensystems), was bevorzugt ist.
Eine Entscheidung, welche Prozedur verlängert werden soll, kann von Wetterdaten beziehungsweise einer Wettervorhersage abhängig gemacht werden (siehe 5, Kasten O). Zu den Wetterdaten zählen insbesondere die Außentemperatur(en) entlang der Route. Sollte eine lokale Außentemperatur während der Fahrt entlang der geplanten Route nicht unter Null Grad Celsius liegen, kann es sinnvoll sein, bei einem vorzeitigen Ende der Fahrt nur eine Verlängerung/Verfrühung des Anschaltens (Wake-up, R: –, Kasten S) oder ein Anschalten während der Stilllegung (Wake-up, R: –, Kasten S) durchzuführen, um ein froststartsicheres Brennstoffzellensystem zu erhalten. Vermutung hierbei: das Abstellen des Brennstoffzellenfahrzeugs ist nur eine kurze Rast, die Fahrt wird fortgesetzt und in naher Zukunft wird kein Frost vermutet. Wenn die Temperaturen in der Nähe von oder unter Null Grad Celsius liegen, ist ein Einfrieren des Brennstoffzellensystems innerhalb der näheren Zukunft möglich. In diesem Fall kann eine Verlängerung des Abschaltens sinnvoll ein (Shut-down, P: +, Kasten Q).
Darüber hinaus sollte(n) die Außentemperatur(en) für eine Kühlung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 17 berücksichtigt werden (jeweils Kasten B). Bei hohen Außentemperaturen würde eine höhere Feuchte in der Brennstoffzelle 10 zu einem Erhöhen eines flüssigen Wassers im/am Brennstoffzellenstapel 17 führen, sodass eine notwendige Kühlleistung durch die Kühlmediumversorgung 40 ansteigen würde. Diese zusätzliche Kühlleistung kann ein Kühlsystem gegebenenfalls nicht aufbringen, sodass bei höheren Außentemperaturen der Brennstoffzellenstapel 17 trockener beziehungsweise unter Trocken-Betriebsbedingungen betrieben werden muss (L: –, Kasten K).
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellensystems
2: Umgebung, Luft
3: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch, hinströmend
4: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas, abströmend
5: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt (Umgebungs-)Luft, hinströmend
6: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft, abströmend
7: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser (Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-Gemisch), hinströmend
8: Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser, abströmend
10: Brennstoffzelle des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems
11: Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle
12: Anodenraum einer Einzelzelle 11
13: Kathodenraum einer Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode und gegebenenfalls jeweils einem Träger dafür
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
16: Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10
17: Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelle 10, Zellstapel
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: (zweite) Fluid-/Luft-Fördereinrichtung, Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor 34
34: Motor, Elektromotor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
36: Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Expander, gegebenenfalls eines Abgasturboladers
37: Wastegate, Wasteleitung
38: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, gegebenenfalls Wastegate
39: Befeuchter, Feuchteübertrager mit Feuchteüberträger
40: Brennstoffzellen-Versorgung, Kühlmediumversorgung, Kühlkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
41: Pfad, Zulaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Zulaufpfad
42: Pfad, Ablaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Ablaufpfad
50: Befeuchter-Bypass
51: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
52: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007044760 A1 [0009]
DE 112007002603 T5 [0010]

Claims

Verfahren zum Betreiben und Sicherstellen einer Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellenaggregats (1) eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellenaggregat (1) in einem Zeitraum unter vergleichsweise trockenen Betriebsbedingungen und in einem Zeitraum unter vergleichsweise feuchten Betriebsbedingungen betreibbar ist, wobei das Brennstoffzellenaggregat (1) bei Feucht-Betriebsbedingungen einen effizienteren Betrieb ermöglicht, als bei Trocken-Betriebsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn von einer vergleichsweise langen Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs auszugehen ist, das Brennstoffzellenaggregat (1) in einem Zeitraum während der Fahrt unter Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird, und das Brennstoffzellenaggregat (1) für das Sicherstellen seiner Froststartfähigkeit in einem Zeitraum während und/oder zeitlich nach der Fahrt unter Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird.
Betriebsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats (1), das Brennstoffzellenaggregat (1): zeitlich vor oder zeitlich direkt vor einem Beendigen der Fahrt; zeitlich nach dem Beendigen der Fahrt und zeitlich vor einem auf die Fahrt folgenden Kaltstart; und/oder zeitlich vor oder zeitlich direkt vor dem folgenden Kaltstart des Brennstoffzellenaggregats (1) in einem Zeitraum unter Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird.
Betriebsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats (1) eine Frostinformation herangezogen wird, durch welche sich eine Aussage darüber treffen lässt, ob zeitlich bei und/oder nach dem Abstellen des Brennstoffzellenaggregats (1) eine Temperatur zu erwarten ist, bei welcher das Brennstoffzellenaggregat (1) wenigstens teilweise einfrieren kann.
Betriebsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats (1) auf die Temperatur, insbesondere eine Außentemperatur, als eine Frostinformation: aus einer aktuellen Jahreszeit, einem aktuellen Klima, einem aktuellen Wetter, einem aktuellen Datum, einer aktuellen Uhrzeit, einem aktuellen Ort, einer aktuellen Temperatur, einer prädizierten Temperatur, einem prädizierten Ort, einer prädizierten Uhrzeit, einem prädizierten Datum, einem prädizierten Wetter, einem prädizierten Klima und/oder einer kommenden Jahreszeit des Brennstoffzellenfahrzeugs geschlossen wird.
Betriebsverfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frostinformation und/oder Temperatur für das Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats (1) ein Maß für denjenigen Zeitpunkt/diejenige Zeitdauer ist: ab welchem/mit welcher das Brennstoffzellenaggregat (1) während der Fahrt bei Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird; ab welchem/ab welcher das Brennstoffzellenaggregat (1) während der Fahrt nicht mehr bei Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird; ab welchem/mit welcher das Brennstoffzellenaggregat (1) während der Fahrt bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird; ab welchem/ab welcher das Brennstoffzellenaggregat (1) während der Fahrt nicht mehr bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird; in welcher/mit welcher das Brennstoffzellenaggregat (1) zeitlich nach der Fahrt bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird; und/oder in welchem/ab welcher das Brennstoffzellenaggregat (1) selbständig startet und bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird.
Betriebsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ermitteln der vergleichsweise langen Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs: durch eine Eingabe in ein dafür eingerichtetes Gerät oder eine dafür eingerichtete Einrichtung des Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt; durch eine Eingabe in ein Navigationsgerät erfolgt; und/oder aufgrund durch das Brennstoffzellenfahrzeug gelernter Parameter erfolgt.
Betriebsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenaggregat (1) zeitlich vor einem Erreichen seines Fahrziels zum Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats (1) bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird; oder das Brennstoffzellenaggregat (1) zeitlich bis zum Erreichen seines Fahrziels bei Feucht-Betriebsbedingungen betrieben wird, falls es eine Temperatur und/oder die Frostinformation ermöglicht.
Betriebsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vorzeitigen Ende oder einer Unterbrechung der Fahrt zum Sicherstellen der Froststartfähigkeit des Brennstoffzellenaggregats (1): ein Abschalten des Brennstoffzellenaggregats (1) zeitlich verlängert wird; ein Anschalten des Brennstoffzellenaggregats (1) zeitlich verlängert oder verfrüht erfolgt; oder das Brennstoffzellenaggregat (1) während einer Stilllegungsphase angeschaltet wird; wobei das Brennstoffzellenaggregat (1) bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird.
Betriebsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem vorzeitigen Ende oder einer Unterbrechung der Fahrt: bei Frost oder einem kurzfristig zu erwartendem Frost, ein Abschalten des Brennstoffzellenaggregats (1) zeitlich verlängert wird; oder bei keinem zu erwartendem Frost, ein Anschalten des Brennstoffzellenaggregats (1) zeitlich verlängert oder verfrüht erfolgt, oder das Brennstoffzellenaggregat (1) während einer Stilllegungsphase angeschaltet wird; wobei das Brennstoffzellenaggregat (1) bei Trocken-Betriebsbedingungen betrieben wird.
Steuereinheit, insbesondere Motorsteuergerät, und/oder Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit und/oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein Betriebsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführbar ist oder durchgeführt wird.