DE102017102354A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase beziehungsweise ein Verfahren zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Anoden- und Kathodenräumen (12, 13), die durch Polymerelektrolytmembrane voneinander getrennt sind, sowie eine Kathodenversorgung (30) zur Zu- und Abführung des Kathodenbetriebsgases in die und aus den Kathodenräumen (13), sowie ein Kühlsystem (40) zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels (10). Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:- Ermitteln einer Einlasstemperatur (T) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10),- Festlegen einer Kühlmittelsolltemperatur (T) am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) auf einen Wert, der der Einlasstemperatur (T) des Kathodenbetriebsgases entspricht oder um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist als diese, und- Steuern des Kühlsystems (40) so, dass eine am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) vorliegende Kühlmitteltemperatur (T) sich der Kühlmittelsolltemperatur (T) zumindest annähert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase eines Brennstoffzellensystems. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase. Die Erfindung betrifft ferner ein zum Ausführen der Verfahren eingerichtetes Brennstoffzellensystem sowie ein entsprechendes Fahrzeug.
  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2H+ + 2 e- ). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2e → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).
  • Polymerelektrolytmembranen von Brennstoffzellen, benötigen eine gewisse Feuchtigkeit, um eine gute lonenleitfähigkeit und damit hohe Leistungsdichte der Brennstoffzelle bereitzustellen. Zudem besteht die Gefahr von Beschädigungen der Membran, wenn diese zu stark austrocknet. Um die Membran feucht zu halten, wird das Kathodenbetriebsgas, zumeist Luft, aktiv befeuchtet. Verbreitet ist hierzu der Einsatz von Befeuchtern, insbesondere Membranbefeuchter, die mit wasserdampfpermeablen Flach- oder Hohlfaser-Membranen arbeiten. Dabei werden das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas auf der einen Seite der Membran und ein relativ feuchtes Gas auf der anderen Seite der Membran geführt, sodass Wasserdampf von dem feuchteren Gas auf das Kathodenbetriebsgas übergeht. Als Feuchtgas wird zumeist das Kathodenabgas verwendet, das aufgrund der in der Brennstoffzelle stattfindenden Reaktionen mit dem gebildeten Produktwasser beladen ist.
  • DE 10 2007 026 331 A1 offenbart ein Steuersystem für einen Brennstoffzellenstapel, bei dem das Kathodenabgas durch einen Befeuchter geleitet wird, um die Kathodeneinlassluft zu befeuchten. Um die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft über einen vorbestimmten Sollwert zu halten, wird beispielsweise eine Verringerung einer Stapelkühlfluidtemperatur ausgeführt.
  • DE 10 2006 022 863 A1 offenbart eine Betriebsstrategie zum Steuern eines Hydratationsgrades von Membranen in Brennstoffzellen. Dazu wird zunächst eine relative Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeit für das dem Brennstoffzellenstapel zugeführte und aus diesem abgeführte Kathodengas so ausgewählt, dass für die Membran ein gewünschter Hydratationszustand sichergestellt wird. Ferner wird eine Wassermassenbilanz für den Kathodenflussweg ausgeführt. Anschließend werden die Einlass- und Auslasssolltemperaturen für das Kathodengas bestimmt, um die relative Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeit zu erzielen. Um die ermittelten Einlass- und Auslasssolltemperaturen für das Kathodengas einzustellen, werden die Einlass- und Auslasssolltemperaturen für das Kühlmittel auf die entsprechenden Sollwerte für das Kathodengas gesetzt und diese Kühlmittelsolltemperaturen durch entsprechende Steuerung des Kühlmittelsystems eingeregelt.
  • Eine Schwierigkeit in der Einstellung einer gewünschten relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases besteht in Aufwärmphasen des Brennstoffzellenstapels, wenn die aus der Umgebung angesaugte Luft als Kathodenbetriebsgas kalt ist und auch das aufgrund seiner thermischen Trägheit noch kalte Leitungssystem kein schnelles Erwärmen des Kathodenbetriebsgases zulässt. Die vorliegende Erfinderin hat festgestellt, dass in derartigen Situationen die Einstellung einer gewünschten Feuchte des Kathodenbetriebsgases nur sehr ungenau möglich ist und die Zielfeuchte im Stapel häufig nicht erreicht wird.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein entsprechendes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in Aufwärmphasen oder anderen Übergangsphasen eine verbesserte Genauigkeit der Einstellung einer gewünschten relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems während einer Aufheizphase oder während einer anderen transienten Betriebsphase, durch ein Verfahren zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase sowie durch ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Dabei wird unter dem Begriff „transiente Betriebsphase“ jegliche Betriebsphase des Brennstoffzellensystems verstanden, bei welcher der Brennstoffzellenstapel sich außerhalb seiner Solltemperatur befindet, das Kühlsystem also gefordert ist, den Stapel von einer aktuell vorliegenden Stapeltemperatur auf eine höhere Temperatur zu heizen oder zu auf eine niedrigere Temperatur zu kühlen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase, bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel mit Anoden- und Kathodenräumen, die durch Polymerelektrolytmembrane voneinander getrennt sind, aufweist, sowie eine Kathodenversorgung zur Zuführung des Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen, sowie ein Kühlsystem zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • - Ermitteln einer Einlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels,
    • - Festlegen einer Kühlmittelsolltemperatur (TKM,soll) am Eintritt des Brennstoffzellenstapels auf einen Wert, welcher der Einlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases entspricht oder um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist als diese, und
    • - Steuern des Kühlsystems so, dass eine am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegende Kühlmitteltemperatur (TKM,ist) sich der Kühlmittelsolltemperatur (TKM,soll) zumindest annähert.
  • Erfindungsgemäß wird somit die am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegende Kühlmitteltemperatur (nachfolgend auch Kühlmitteleinlass- oder Kühlmittelisttemperatur genannt) während der Aufheizphase oder transienten Betriebsphase des Brennstoffzellenstapels auf Basis der aktuell am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegenden Einlasstemperatur des Kathodenbetriebsgases (nachfolgend auch Kathodengasisttemperatur) aktiv geführt. Somit wird die Kühlmitteleinlasstemperatur an die Kathodengasisttemperatur angepasst. Dies hat zur Folge, dass sich die Temperatur des Kathodenbetriebsgases über die Strömungsfelder der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels, welcher auf die Kühlmittelsolltemperatur temperiert ist, im Wesentlichen nicht ändert. Dies bewirkt, dass auch die relative Feuchte des Kathodenbetriebsgases sich nicht infolge einer Temperaturänderung ändert, insbesondere nicht infolge einer Erwärmung abnimmt. Die vorliegende Erfinderin hat nämlich beobachtet, dass in herkömmlich betriebenen Brennstoffzellen in einer Aufheizphase das Kühlmittel und damit auch der Brennstoffzellenstapel schneller erwärmt werden als das Kathodenbetriebsgas. Infolge dessen steigt die Temperatur des Kathodenbetriebsgases nach Eintritt in den Stapel, wodurch die relative Feuchte innerhalb der Kathodenräume abnimmt. Somit kann eine ausreichende Feuchte der Membranen des Brennstoffzellenstapels nicht sichergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren jedoch werden ein Erwärmen des eintretenden Kathodenbetriebsgases und die damit einhergehende abnehmende relative Feuchte verhindert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine zuverlässigere Befeuchtung der Membranen des Brennstoffzellenstapels während Aufheizphasen oder unter transienten Bedingungen.
  • Wie bereits erwähnt, wird die Kühlmittelsolltemperatur am Stapeleintritt auf einen Wert festgelegt, welcher der Kathodengasisttemperatur entspricht oder um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist als diese. Um eine möglichst geringe Temperaturänderung des Kathodenbetriebsgases innerhalb des Stapels zu erzielen, ist dieser Betrag möglichst klein zu wählen. Insbesondere beträgt der Betrag höchstens 10 Kelvin, vorzugsweise höchstens 7 Kelvin und besonders bevorzugt höchstens 5 Kelvin.
  • Die am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegende Kühlmitteltemperatur (Kühlmittelisttemperatur) kann durch verschiedene Mittel gesteuert werden, um sie an die Kühlmittelsolltemperatur (und damit an die Kathodengasisttemperatur) anzunähern. In einer Ausführung des Verfahrens geschieht dieses durch Beeinflussen einer Kühlleistung eines im Kühlsystem angeordneten Kühlers. Je nach Ausgestaltung des Kühlers kann dies beispielsweise durch Beeinflussung einer Drehzahl eines Lüfters des Kühlers erfolgen. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Einstellung der Kühlmitteltemperatur durch Beeinflussen einer Bypassöffnung einer den Kühler umgehenden Kühler-Bypassleitung. Auf diese Weise kann ein den Kühler beziehungsweise die Bypassleitung durchströmender Volumenstrom des Kühlmittels reguliert werden. Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Einstellen der Kühlmitteltemperatur durch Beeinflussen einer Leistung einer Fördereinrichtung, beispielsweise einer Kühlmittelpumpe, des Kühlsystems. Die vorgenannten Maßnahmen ermöglichen ein präzises und schnelles Einstellen einer gewünschten Zieltemperatur des Kühlmittels und können einzeln oder in Kombination miteinander angewendet werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • - Ermitteln einer Einlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels,
    • - Festlegen einer Kühlmittelsolltemperatur (TKM,soll) am Eintritt des Brennstoffzellenstapels auf einen Wert, welcher der Einlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases entspricht oder um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist als diese,
    • - Steuern des Kühlsystems, sodass eine am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegende Kühlmitteltemperatur (TKM,ist) sich der Kühlmittelsolltemperatur (TKM,soll) zumindest annähert,
    • - Festlegen eines Sollwerts für die relative Feuchte (RHsoll) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der Kathodeneinlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels,
    • - Steuern der Kathodenversorgung so, dass eine am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegende relative Feuchte (RHist) des Kathodenbetriebsgases sich dem Sollwert für die relative Feuchte (RHsoll) zumindest annähert.
  • Die ersten drei Schritte entsprechen dem vorstehend erläuterten Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems; die Ausführungen hierzu gelten entsprechend.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders präzise und zuverlässige Einstellung der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases während der Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase des Systems. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Kühlmitteleinlasstemperatur in den Stapel an die aktuell vorliegende Einlasstemperatur des Kathodenbetriebsgases wird eine Temperaturänderung des Kathodenbetriebsgases, insbesondere eine Erwärmung verhindert. Hierdurch kann die am Stapeleintritt eingestellte relative Feuchte des Kathodenbetriebsgases auch innerhalb der Kathodenräume aufrechterhalten werden. Eine Abnahme der relativen Feuchte innerhalb des Stapels aufgrund einer Temperaturerhöhung des Kathodenbetriebsgases wird vermieden und die Polymerelektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels kann zuverlässig befeuchtet werden.
  • Das Festlegen des Sollwerts für die relative Feuchte des Kathodenbetriebsgases in Abhängigkeit von der Kathodeneinlasstemperatur kann insbesondere durch Verwendung von Kennfeldern erfolgen, welche die relative Feuchte temperaturabhängig abbilden. Zudem kann der Sollwert in Abhängigkeit von weiteren Parametern, insbesondere dem Druck des Kathodenbetriebsgases am Stapeleintritt festgelegt werden.
  • Die relative Feuchte des Kathodenbetriebsgases hängt von seinem Druck, seiner Temperatur, des ursprünglich im Kathodenbetriebsgas, insbesondere in der Umgebungsluft, vorliegenden Feuchte sowie einer aktiv in einem Befeuchter zugeführten Feuchtigkeit ab. Mit Ausnahme des ursprünglichen Feuchtegehalts können alle anderen Parameter beeinflusst werden, um die relative Feuchte des Kathodenbetriebsgases am Stapeleintritt zu beeinflussen. Gemäß einer Ausführung erfolgt das Einstellen der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels durch Beeinflussung des Kathodendrucks des Kathodenbetriebsgases. Der Kathodendruck kann beispielsweise durch Variation einer Verdichterleistung der Kathodenversorgung, durch Steuerung einer Abgasklappe in einem Kathodenabgaspfad oder durch geeignete Steuerung anderer Klappen oder Ventile der Kathodenversorgung erfolgen.
  • Gemäß weiteren Ausführungen der Erfindung erfolgt das Einstellen der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases am Stapeleintritt durch Beeinflussen einer Öffnung einer Befeuchter-Bypassleitung. Hierdurch kann der Anteil des Kathodenbetriebsgases beziehungsweise des Kathodenabgases reguliert werden, welcher einen in der Kathodenversorgung angeordneten Befeuchter umgeht beziehungsweise diesen durchströmt. Durch diese Maßnahme wird die zusätzliche in das Kathodenbetriebsgas eingetragene Wasserdampfmenge reguliert.
  • In anderen Ausführungen der Erfindung erfolgt das Einstellen der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases am Stapeleintritt durch Beeinflussen der Kathodeneinlasstemperatur des Kathodenbetriebsgases. Beispielsweise kann die Temperatur durch entsprechend angeordnete Wärmetauscher beziehungsweise Heizelemente gesteuert werden. Ebenso erfolgt ein Wärmeaustausch, insbesondere eine Vorerwärmung des Kathodenbetriebsgases, im Befeuchter durch das wärmere Kathodenabgas. Insofern kann durch Beeinflussen der Öffnung der Befeuchter-Bypassleitung nicht nur die Zuführung von Wasserdampf sondern auch die Temperatur beeinflusst werden.
  • Sämtliche der vorgenannten Maßnahmen zur Einstellung der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases können mit Vorteil auch kombiniert eingesetzt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit Anoden- und Kathodenräumen, die durch Polymerelektrolytmembrane voneinander getrennt sind; eine Kathodenversorgung zur Zuführung des Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen; ein Kühlsystem zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels auf eine Solltemperatur; sowie eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zum Einstellen einer relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases auszuführen.
  • Vorzugsweise umfasst die Kathodenversorgung ferner einen Befeuchter, der eingerichtet ist, von dem Kathodenbetriebsgas sowie von dem Kathodenabgas durchströmt zu werden, derart dass eine Wasserdampfübertragung von dem Kathodenabgas auf das Kathodenbetriebsgas erfolgt. Hierdurch wird eine aktive Zuführung von Wasser auf das dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Kathodenbetriebsgas ermöglicht, sodass auch hohe relative Feuchten einstellbar sind.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung,
    • 2 ein Diagramm mit zeitlichen Verläufen verschiedener Parameter während einer Aufheizphase eines Brennstoffzellenstapel gemäß Stand der Technik,
    • 3 eine Struktur eines Reglermoduls für das Kühler-Bypassventil aus 1; und
    • 4 ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einstellen einer relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases eines Brennstoffzellensystems aus 1.
  • 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 kann Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs sein, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Ferner dienen die Bipolarplatten 15 der Durchleitung eines Kühlmittels für den Brennstoffzellenstapel 10.
  • Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weisen die Brennstoffzellensysteme 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 sowie ein Kühlsystem 40 auf.
  • Die Anodenversorgung 20 des in den 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 jeweils einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein erstes Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 der in den 1 und 3 gezeigten Brennstoffzellensysteme wie dargestellt eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung ist jeweils eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 jeweils ein Wasserabscheider 28 verbaut, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion zu kondensieren und abzuleiten.
  • In der Anodenabgasleitung 22 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 ist stromabwärts der Rezirkulationsleitung 25 ein zweites Stellmittel 26 angeordnet. Mit dem zweiten Stellmittel 26 kann ein Rezirkulationskreislauf von der Umgebung isoliert werden. Das erste und zweite Stellmittel 24, 26 können gemeinsam dazu genutzt werden, ein Ausströmen des Anodenbetriebsmediums aus den Anodenräumen 12 weitgehend zu unterbinden.
  • Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle angetrieben werden.
  • Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Befeuchter 37 auf. Der Befeuchter 37 ist einerseits jeweils so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 37 weist typischerweise eine Mehrzahl wasserdampfpermeabler Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Die Befeuchtung des Kathodenbetriebsgases dient der Sicherstellung einer vorbestimmten relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases, um die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzellen 11 ausreichend feucht zu halten, damit sie eine hohe lonenleitfähigkeit besitzt und vor Beschädigungen geschützt ist.
  • Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Befeuchter-Bypassleitung 38 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenversorgungsleitung 31 so verbindet, dass der Befeuchter 37 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht von dem Kathodenbetriebsgas durchströmt wird. Ein in der Befeuchter-Bypassleitung 38 angeordnetes Stellmittel (Befeuchter-Bypassventil) 39 dient der Steuerung der Menge des den Befeuchter 37 umgehenden Kathodenbetriebsgases. Alternativ oder zusätzlich kann die Kathodenversorgung 30 eine weitere Befeuchter-Bypassleitung aufweisen, welche die Kathodenabgasleitung 32 mit der Kathodenabgasleitung 32 so verbindet, dass der Befeuchter 37 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht von dem Kathodenabgas durchströmt wird (nicht dargestellt).
  • Zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 10 weist das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 zudem ein Kühlsystem (Kühlmittelkreis) 40 auf. Dieses ist außerhalb des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 durch eine ein Kühlmittel führende Kühlmittelleitung 41 gebildet, die mit einem Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist. Im Brennstoffzellenstapel 10 sind zwischen dem Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass Kühlmittelkanäle in den Bipolarplatten 15 angeordnet. Zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitung 41 und die Kühlmittelkanäle des Brennstoffzellenstapels 10 ist im Kühlmittelkreis 40 eine Kühlmittelfördereinrichtung 42 angeordnet. Die Abführung der durch das Kühlmittel transportierten Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10 erfolgt durch einen Kühler 43, etwa einen Fahrzeugkühler, der durch ein nicht dargestelltes Gebläse mit Luft beaufschlagt wird. Eine Kühler-Bypassleitung 44 ermöglicht, dass das Kühlmittel an dem Kühler 43 vorbeigeführt werden kann, beispielsweise während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellenstapels 10 nach einem Kaltstart. Eine Menge des den Kühler 43 umgehenden Kühlmittels kann durch ein weiteres in der Kühler-Bypassleitung 44 angeordnetes Stellmittel (Kühler-Bypassventil) 45 reguliert werden.
  • Sämtliche Stellmittel 24, 26, 39 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 nach Abschalten des Systems von der Umgebung isolieren zu können.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 50, in die verschiedene Signale verschiedener in dem Brennstoffzellensystem angeordneter und hier nicht dargestellter Sensoren eingehen und die verschiedene Komponenten des Systems durch Ausgabe entsprechender Steuersignale steuert. So umfasst das Brennstoffzellensystem 100 verschiedene Temperatursensoren, insbesondere einen am Eintritt des Kathodenversorgungspfads 31 in den Brennstoffzellenstapel 10 angeordneten Temperatursensor zur Erfassung des Istwerts der Einlasstemperatur des Kathodenbetriebsgases TG,ist . Ferner umfasst der Kühlkreis 40 ein am Stapeleintritt der Kühlmittelleitung 41 angeordneten Temperatursensor zur Erfassung des Istwerts der Kühlmitteleintrittstemperatur TKM,ist . Ferner ist stromab des Befeuchters 37 und stromauf des Brennstoffzellenstapels 10 ein Feuchtigkeitssensor zur Erfassung der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases RHist angeordnet sowie ein Drucksensor zur Erfassung des Druck pG,ist. Die Steuereinrichtung 50 umfasst computerlesbare Steueralgorithmen zum Betreiben des Brennstoffzellensystems beziehungsweise zur Einstellung der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsbedingung in Abhängigkeit der vorgenannten und optional weiterer Signale. Hierzu steuert die Steuereinrichtung 50 insbesondere eine Förderleistung der Kühlmittelfördereinrichtung 42, eine Stellung des Kühler-Bypassventils 45, eine Leistung des Verdichters 33 und eine Stellung des Befeuchter-Bypassventils 39.
  • Wird ein herkömmliches Brennstoffzellensystem während einer Aufheizphase in herkömmlicher Weise betrieben, kann es zu einer Unterversorgung der Polymerelektrolytmembranen der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 des Brennstoffzellenstapels 10 mit Feuchte kommen. Dies soll anhand der in 2 dargestellten Verläufe verschiedener Betriebsparameter erläutert werden. In 2 bezeichnen RHsoll und RHist den Sollwert beziehungsweise den Istwert der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsmediums am Eintritt des Brennstoffzellenstapels 10. TG,ist bezeichnet die Eintrittstemperatur des Kathodenbetriebsmediums am Stapeleintritt und TKM,ist die Eintrittstemperatur des Kühlmittels am Stapeleintritt. ΔTKM bezeichnet die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen Stapeleintritt und Stapelaustritt. BP bezeichnet die Stellung des Befeuchters-Bypassventils 39, wobei ein Wert von 100 % eine vollständige Öffnung des Ventils bedeutet, sodass das Kathodenbetriebsmedium vollständig durch die Befeuchter-Bypassleitung 38 geleitet wird, und 0 % ein vollständiges Schließen des Ventils 39 bedeutet, sodass das Kathodenbetriebsmedium vollständig durch den Befeuchter 37 strömt. Schließlich bezeichnet I den von dem Brennstoffzellenstapel 10 abgegebenen elektrischen Strom. Gezeigt sind lediglich die 3000 ersten µs nach einem Kaltstart eines Brennstoffzellensystems.
  • Um den Sollwert der relativen Feuchte RHsoll zu erzielen, wird gemäß der herkömmlichen Verfahrensweise nach 2 zunächst das Befeuchter-Bypassventil 39 vollständig geschlossen, sodass das Kathodenbetriebsgas vollständig durch den Befeuchter 37 geleitet wird (Kurve BP). Um ferner ein schnelles Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 10 zu gewährleisten, ist in der in 2 dargestellten Aufwärmphase das Kühler-Bypassventil 45 vollständig geöffnet, sodass das gesamte Kühlmittel durch die Bypassleitung 44 und nicht durch den Kühler 43 fließt. Nach dem Kaltstart liegen die Eintrittstemperaturen sowohl des Kühlmittels TKM,ist als auch des Kathodengases TG,ist bei Umgebungstemperatur. Es ist jedoch erkennbar, dass die Kühlmitteltemperatur stets leicht oberhalb der Kathodengastemperatur liegt und im weiteren Verlauf sich sogar weiter von dieser entfernt. Die tatsächlich am Stapeleintritt vorliegende relative Feuchte RHist des Kathodenbetriebsmediums folgt anfänglich weitestgehend dem Sollwertverlauf. Zwischen 500 und 1000 µs kommt es jedoch trotz vollständiger Schließung der Befeuchter-Bypassleitung 38 zu einem deutlichen Abfall der am Stapeleintritt vorliegenden relativen Feuchte RHist des Kathodengases, sodass die Sollfeuchte RHsoll deutlich unterschritten wird. Dies ist gemäß der Beobachtung der Erfinderin darauf zurückzuführen, dass das Kathodenbetriebsgas bei Eintritt in den Stapel 10 durch das wärmere Kühlmittel erwärmt wird, sodass die relative Feuchte sinkt. Somit ist die tatsächliche relative Feuchte der hier als Kathodenbetriebsgas eingesetzten Luft an der Membran geringer als die am Stapeleintritt eingestellte relative Feuchte. Somit kann eine zuverlässige Befeuchtung der Polymerelektrolytmembran im Stand der Technik nicht sichergestellt werden. Die Konsequenz daraus ist, dass am Stapeleintritt eine höhere relative Feuchtigkeit eingestellt werden müsste, um eine gewünschte Membranfeuchte zu erhalten. Dies bedarf wiederum einer stärkeren Ausnutzung der Befeuchterleistung und damit auch einer stärkeren Alterung desselben beziehungsweise einer größeren Dimensionierung. Weiterhin ist es möglich und im Stand der Technik üblich, spezielle Betriebsbedingung zu definieren, bei denen der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle geringer ist als im Normalbetrieb. All diese Maßnahmen sind jedoch nachteilig und werden durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, indem nämlich während der Aufheizphase des Brennstoffzellenstapels 10 die Kühlmitteleinlasstemperatur am Eintritt des Stapels auf Basis der Eintrittstemperatur des Kathodenbetriebsgases geführt wird.
  • Ein entsprechendes Reglermodul 60 der Steuereinheit 50 zur Regelung der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreises 40 ist in 3 gezeigt. Hier wird die Kühlmitteltemperatur anhand der Stellung des Kühler-Bypassventils 45 geregelt. In Block 61 wird der Sollwert der Kühlmitteleinlasstemperatur TKM,soll ausgelesen. Erfindungsgemäß wird dieser so festgelegt, dass er der Eintrittstemperatur TG,ist des Kathodenbetriebsgases im Wesentlichen entspricht oder geringfügig niedriger ist als diese. In Block 62 erfolgt eine Messung der am Stapeleintritt vorliegenden Kühlmitteltemperatur TKM,ist . Es erfolgen ein Vergleich der Ist-Temperatur mit der Soll-Temperatur des Kühlmittels und eine Ausgabe des Vergleichswerts an einen PID-Regler für das Kühler-Bypassventil 45 (Block 63). Anhand des Vergleichswerts wird in Block 64 ein Steuersignal zur Ansteuerung des Bypassventils 45 erzeugt und an dieses ausgegeben, sodass das Bypassventil 45 eine gewünschte Stellung einnimmt. Durch die Rückkopplungsschleife erfolgt ein Angleichen der Kühlmittel-Isttemperatur TKM,ist an die Kühlmittel-Solltemperatur TKM,soll und somit an die Eintrittstemperatur des Kathodenbetriebsgases TG,ist .
  • 4 zeigt ein grobes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 70 zum Einstellen einer relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 während einer Aufheizphase.
  • In Block 71 liest die Steuereinrichtung 50 verschiedene Messgrößen, die durch die verschiedenen Sensoren bereitgestellt werden, ein. Insbesondere werden die Eintrittstemperatur des Kathodenbetriebsgases TG,ist , die Eintrittstemperatur des Kühlmittels TKM,ist sowie die relative Feuchte RHist des Kathodenbetriebsgases am Stapeleintritt erfasst. In Block 72 erfolgt eine Festlegung der Kühlmittelsolltemperatur am Stapeleintritt. Dabei wird die Kühlmittelsolltemperatur TKM,soll auf einen Wert festgelegt, welcher der Einlasstemperatur TG,ist des Kathodenbetriebsgases am Stapeleintritt entspricht oder um einen vorbestimmten Betrag von beispielsweise um höchstens 5 Kelvin geringer ist als diese. In Block 73 erfolgt ein Steuern des Kühlsystems 40 so, dass die am Eintritt des Brennstoffzellenstapels 10 vorliegende Kühlmitteltemperatur TKM,ist sich der Kühlmittel-Solltemperatur TKM,soll annähert. Hierfür kann insbesondere das in 3 gezeigt Regelmodul 60 für das Kühler-Bypassventil 45 verwendet werden.
  • In Block 74 erfolgt eine Festlegung des Sollwerts für die relative Feuchte RHsoll des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels 10. Dies erfolgt in Abhängigkeit von der Kathodeneinlasstemperatur TG,ist und möglichen weiteren Parametern, beispielsweise des Drucks pG,ist. In Block 75 erfolgt eine Steuerung der Kathodenversorgung 30 des Brennstoffzellensystems 100 so, dass eine am Eintritt des Brennstoffzellenstapels 10 vorliegende relative Feuchte RHist des Kathodenbetriebsgases sich dem Sollwert RHsoll annähert. Hierzu kann beispielsweise ein Reglermodul zur Ansteuerung des Befeuchter-Bypassventils 39 eingesetzt werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren 70, wie es in 4 dargestellt ist, wird das in 2 gezeigte Absinken der tatsächlichen relativen Feuchte RHist des Kathodenbetriebsgases innerhalb des Brennstoffzellenstapels vermieden. Durch die Führung der Kühlmitteltemperatur auf Basis der Temperatur des Kathodenbetriebsgases (Lufttemperatur) am Stapeleintritt kann die Membranfeuchte, die sich aus der relativen Feuchte der Luft ergibt, so eingestellt werden, dass die Brennstoffzellen 11 weniger stark geschädigt werden und somit die Lebensdauer des Stapels 10 steigt und sein Wirkungsgrad höher ist. Die Erfindung erlaubt weiterhin, die Größe des Befeuchters 37 zu reduzieren. In transienten Betriebsbereichen besteht zudem eine Anwendung des Verfahrens, um die Belastung der Membranen im Brennstoffzellenstapel 10 zu verringern und damit die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 10 zu erhöhen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzellensystem
    10
    Brennstoffzellenstapel
    11
    Einzelzelle
    12
    Anodenraum
    13
    Kathodenraum
    14
    Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
    15
    Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
    20
    Anodenversorgung
    21
    Anodenversorgungspfad
    22
    Anodenabgaspfad
    23
    Brennstofftank
    24
    erstes Stellmittel
    25
    Rezirkulationsleitung
    26
    zweites Stellmittel
    27
    Rezirkulationsfördereinrichtung
    28
    Wasserabscheider
    30
    Kathodenversorgung
    31
    Kathodenversorgungspfad
    32
    Kathodenabgaspfad
    33
    Verdichter
    34
    Elektromotor
    35
    Leistungselektronik
    36
    Turbine
    37
    Befeuchter
    38
    Befeuchter-Bypassleitung
    39
    drittes Stellmittel / Befeuchter-Bypassventil
    40
    Kühlsystem / Kühlkreis
    41
    Kühlmittelleitung
    42
    Kühlmittelfördervorrichtung
    43
    Kühler
    44
    Kühler-Bypassleitung
    45
    Stellmittel / Kühler-Bypassventil
    50
    Steuereinrichtung
    60
    Kühler-Bypassventil-Reglermodul
    70
    Verfahren
    BP
    Öffnung Befeuchter-Bypass
    I
    Stromstärke des Brennstoffzellenstapels
    RH
    relative Feuchte
    RHist
    Istwert der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels
    RHsoll
    Sollwert für die relative Feuchte des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels
    T
    Temperatur
    TG,ist
    Istwert der Einlasstemperatur des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels / Kathodenisttemperatur
    TG,soll
    Sollwert der Einlasstemperatur des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels / Kathodensolltemperatur
    TKM,ist
    Istwert der Kühlmitteltemperatur am Eintritt des Brennstoffzellenstapels / Kühlmittelisttemperatur
    TKM,soll
    Sollwert der Kühlmitteltemperatur am Eintritt des Brennstoffzellenstapels / Kühlmittelsolltemperatur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007026331 A1 [0005]
    • DE 102006022863 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase, wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Anoden- und Kathodenräumen (12, 13), die durch Polymerelektrolytmembrane voneinander getrennt sind, aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (30) zur Zuführung des Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (13) und Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (13), sowie ein Kühlsystem (40) zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Ermitteln einer Einlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10), - Festlegen einer Kühlmittelsolltemperatur (TKM,soll) am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) auf einen Wert, welcher der Einlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases entspricht oder um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist als diese, und - Steuern des Kühlsystems (40) so, dass eine am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) vorliegende Kühlmitteltemperatur (TKM,ist) sich der Kühlmittelsolltemperatur (TKM,soll) zumindest annähert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrag höchstens 10 K, insbesondere höchstens 7 K, vorzugsweise höchstens 5 K, beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) vorliegende Kühlmitteltemperatur (TKM,ist) durch Beeinflussen einer Kühlleistung eines Kühlers (43) des Kühlsystems (40), Beeinflussen einer Bypassöffnung (BP) einer Kühler-Bypassleitung (44) des Kühlers (43) und/oder durch Beeinflussen einer Leistung einer Fördereinrichtung (42) des Kühlsystems (40) eingestellt wird.
  4. Verfahren zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases eines Brennstoffzellensystems (100) während einer Aufheizphase oder einer anderen transienten Betriebsphase, wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Anoden- und Kathodenräumen (12, 13), die durch Polymerelektrolytmembrane voneinander getrennt sind, aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (30) zur Zuführung des Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (13) und Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (13), sowie ein Kühlsystem (40) zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Durchführen des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - Festlegen eines Sollwerts für die relative Feuchte (RHsoll) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) in Abhängigkeit von der Kathodeneinlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10), - Steuern der Kathodenversorgung (30) so, dass eine am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) vorliegende relative Feuchte (RHist) des Kathodenbetriebsgases sich dem Sollwert für die relative Feuchte (RHsoll) zumindest annähert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) vorliegende relative Feuchte (RHist) des Kathodenbetriebsgases durch Beeinflussen eines Kathodendrucks des Kathodenbetriebsgases eingestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) vorliegende relative Feuchte (RHist) des Kathodenbetriebsgases durch Beeinflussen einer Öffnung einer Befeuchter-Bypassleitung (39) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die am Eintritt des Brennstoffzellenstapels (10) vorliegende relative Feuchte (RHist) des Kathodenbetriebsgases durch Beeinflussen der Kathodeneinlasstemperatur (TG,ist) des Kathodenbetriebsgases eingestellt wird.
  8. Brennstoffzellensystem (100) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Anoden- und Kathodenräumen (12, 13), die durch Polymerelektrolytmembrane voneinander getrennt sind, aufweist, sowie eine Kathodenversorgung (30) zur Zuführung des Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (13) und Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (13), sowie ein Kühlsystem (40) zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels (10) auf eine Solltemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine Steuereinrichtung (50) aufweist, die eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder das Verfahren zum Einstellen einer relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases nach einem der Ansprüche 4 bis 7 auszuführen.
  9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, wobei die Kathodenversorgung (30) ferner einen Befeuchter (37) umfasst, der eingerichtet ist, von dem Kathodenbetriebsgas sowie von dem Kathodenabgas durchströmt zu werden, derart dass eine Wasserdampfübertragung von dem Kathodenabgas auf das Kathodenbetriebsgas erfolgt.
  10. Fahrzeug umfassend ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9.
DE102017102354.2A 2017-02-07 2017-02-07 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase Pending DE102017102354A1 (de)

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