DE102017214726A1 - Method for evaluating a coolant flow of a coolant circuit of a fuel cell system, fuel cell system and vehicle - Google Patents
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Abstract
Um ein Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlkreislaufs (41) eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Steuereinrichtung (60), die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist, eine Anodenversorgung (20), eine Kathodenversorgung (30) sowie einen Kühlkreislauf (41) aufweist, wobei im Kühlkreislauf (41) eine Kühlmittelpumpe (42), ein Thermostatventil (47) sowie am Eingang des Brennstoffzellenstapels (10) einen Temperatursensor (49) zur Erfassung der Temperatur (Tein) und am Ausgang des Brennstoffzellenstapels (10) einen Temperatursensor (50) zur Erfassung der Temperatur (Taus) aufweist, das einen sicheren Bauteilschutz bei möglichst geringem Einsatz von Sensoren bietet, bereitzustellen, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
• Erkennung, ob der Kühlmittelkreislauf eingeschwungen ist,
• Ermittlung der Differenz einer Kühlmittelpumpen-Soll-Drehzahl (Ansteuersignal) zu einem in der Vorsteuerkennlinie hinterlegten Wert,
• Bewertung der Differenz,
• Einleiten von Maßnahmen.
Zudem werden ein Brennstoffzellensystem (100) sowie ein Fahrzeug offenbart.
A method for evaluating a coolant flow of a cooling circuit (41) of a fuel cell system comprising a fuel cell stack (10), a controller (60) adapted to carry out the method, an anode supply (20), a cathode supply (30), and a refrigeration cycle (41), wherein in the cooling circuit (41) has a coolant pump (42), a thermostatic valve (47) and at the entrance of the fuel cell stack (10) a temperature sensor (49) for detecting the temperature (T a) and at the output of the fuel cell stack (10 ) has a temperature sensor (50) for detecting the temperature (T off ), which provides a secure component protection with the least possible use of sensors, it is proposed that the method comprises the following steps:
• Detection of whether the coolant circuit has settled,
Determination of the difference of a coolant pump setpoint speed (control signal) to a value stored in the pilot control characteristic,
• evaluation of the difference,
• Initiate action.
In addition, a fuel cell system (100) and a vehicle are disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlkreislaufs eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen, sowie ein Fahrzeug.The invention relates to a method for evaluating a coolant flow of a cooling circuit of a fuel cell system, a fuel cell system with a control device that is configured to carry out the method, and a vehicle.
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-Einheit (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-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten 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-Einheiten.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA) for membrane electrode assembly, which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. Between the individual membrane electrode assemblies bipolar plates (also called flow field plates) are usually arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants, and usually also serve the cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
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 H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2 H+ + 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 H+ 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) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air), so that a reduction of O 2 to O 2- takes place under absorption of the electrons (½ O 2 + 2 e - → O 2- ) , At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einem Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.In order to supply a fuel cell stack with its operating media, so the reactants, this has on the one hand an anode supply and on the other hand, a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying an anode operating gas into the anode compartments and an anode exhaust path for discharging an anode exhaust gas from the anode compartments. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying a cathode operating gas into the cathode compartments and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments of the fuel cell stack.
Das Kathodenbetriebsgas wird über einen Verdichter zu dem Brennstoffzellenstapel transportiert und über ein Befeuchtungsmodul mit der erforderlichen Feuchtigkeit versehen bevor es in den Brennstoffzellenstapel eintritt. Die Temperatur des verdichteten Kathodenbetriebsgases liegt jenseits einer thermischen Grenze des Befeuchtungsmoduls und des Brennstoffzellenstapels. Deshalb ist es zur Vermeidung von Schäden am Befeuchtermodul und dem Brennstoffzellenstapel bekannt, die dem Befeuchtungsmodul bzw. dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft über ein Kühlmittel aus einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellenstapels zu temperieren. Dazu wird ein Wärmetauscher genutzt, der dem Luftverdichter nachgeschaltet ist.The cathode operating gas is transported to the fuel cell stack via a compressor and provided with the required humidity via a humidification module before it enters the fuel cell stack. The temperature of the compressed cathode operating gas is beyond a thermal limit of the humidification module and the fuel cell stack. Therefore, in order to prevent damage to the humidifier module and the fuel cell stack, it is known to temper the air supplied to the humidification module or the fuel cell stack via a coolant from a cooling circuit of the fuel cell stack. For this purpose, a heat exchanger is used, which is connected downstream of the air compressor.
Bei Degradation des Wärmetauschers oder bei einem gehemmten Kühlmitteldurchfluss kann es zu einer schädigenden Temperaturerhöhung der Eingangsluft am Befeuchtermodul oder am Brennstoffzellenstapel kommen.Degradation of the heat exchanger or an inhibited coolant flow may result in a damaging increase in the temperature of the incoming air at the humidifier module or at the fuel cell stack.
In der Kühlmittelversorgung eines Brennstoffzellensystems gibt es zwei Regelgrößen die Kühlmitteleintrittstemperatur und die Temperaturdifferenz über dem Brennstoffzellenstapel. Hierfür ist üblicherweise je ein Temperatursensor am Stapeleintritt und -austritt vorgesehen.In the coolant supply of a fuel cell system, there are two controlled variables, the coolant inlet temperature and the temperature difference across the fuel cell stack. For this purpose, usually a temperature sensor is provided at the stack entrance and exit.
Ein Brennstoffzellensystem weist typischerweise eine hohe Anzahl an Sensoren auf, die für die Steuerung und Regelung der Medienversorgung sowie für Diagnose und Sicherheit verwendet werden. Motorsteuergeräte nach dem Stand der Technik verfügen jedoch häufig nicht über eine ausreichend dimensionierte I/O-Schnittstelle. Daher wird versucht, auch mit Blick auf Kosten und Komplexität, die Anzahl der benötigten Sensoren möglichst gering zu halten.A fuel cell system typically has a high number of sensors used for media supply control and regulation as well as for diagnostics and safety. However, prior art engine control devices often do not have a sufficiently sized I / O interface. Therefore, an attempt is made to keep the number of required sensors as low as possible, even with regard to costs and complexity.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlkreislaufs eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, das einen sicheren Bauteilschutz bei möglichst geringem Einsatz von Sensoren bietet. Weiterhin soll ein geeignetes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.The invention is based on the object of providing a method for evaluating a coolant flow of a cooling circuit of a fuel cell system, which offers reliable component protection with the least possible use of sensors. Furthermore, a suitable fuel cell system is to be provided.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and a Fuel cell system solved with the features of claim 5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Vorteilhafterweise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Basis der vorhandenen Sensorik im Kühlkreislauf, nämlich je einem Temperatursensor am Eingang und am Ausgang des Brennstoffzellenstapels sowie mit der Drehzahlrückmeldung der Kühlmittelpumpe und der Stellung des Thermostatventils des Kühlmittelflusses eine Bewertung des Zustandes des Kühlkreislaufs bzw. dessen Komponenten erfolgen.Advantageously, by means of the inventive method based on the existing sensors in the cooling circuit, namely a temperature sensor at the input and output of the fuel cell stack and the speed feedback of the coolant pump and the position of the thermostatic valve of the coolant flow, an assessment of the state of the cooling circuit or its components.
Es kann vorteilhafterweise über das erfindungsgemäße Verfahren eine Degradation von Bauteilen im Kühlmittelfluss detektiert werden, so dass schon frühzeitig Maßnahmen zum Bauteilschutz, beispielsweise des Befeuchtermoduls eingeleitet werden können. Zudem werden Hinweise auf Probleme an Komponenten wie beispielsweise Wärmeübertrager, Kühlmittelpumpe und dergleichen gegeben, so dass von einer Steuerung beispielsweise eine Wartung des Brennstoffzellensystems oder auch bestimmter Komponenten angefordert werden kann. Somit können Komponenten des Kühlkreislaufs bzw. des Brennstoffzellensystems vor Übertemperatur geschützt werden, die keine eigene Temperaturüberwachung aufweisen.It can be advantageously detected by the inventive method, a degradation of components in the coolant flow, so that early measures for component protection, such as the humidifier module can be initiated. In addition, references to problems with components such as heat exchangers, coolant pump and the like are given, so that, for example, a maintenance of the fuel cell system or certain components can be requested by a controller. Thus, components of the refrigeration cycle and the fuel cell system can be protected from over-temperature, which do not have their own temperature monitoring.
Dazu ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlkreislaufs eines Brennstoffzellensystems, das nachstehend spezifiziert wird, vorgesehen.For this purpose, a method for evaluating a coolant flow of a cooling circuit of a fuel cell system, which is specified below, is provided according to the invention.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anodenversorgung, einer Kathodenversorgung, einem Kühlkreislauf sowie einer Steuerung auf, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, wobei der Kühlkreislauf einen Verdichter, eine Kühlmittelpumpe und ein Thermostatventil aufweist. Optional sind weiterhin ein Kühler sowie ein Thermostat vorgesehen. Am Eingang des Brennstoffzellenstapels ist ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlmittelsystems eines Brennstoffzellensystems weist im Normalbetrieb folgende Schritte auf:
- • Erkennung, ob der Kühlkreislauf eingeschwungen ist,
- • Ermittlung der Differenz einer Kühlmittelpumpen-Soll-Drehzahl (Ansteuersignal) zu einem in einer Vorsteuerkennlinie hinterlegten Wert,
- • Bewertung der Differenz,
- • Einleiten von Maßnahmen, beispielsweise Ausgabe einer Fehlermeldung und/oder Abschaltung des Brennstoffzellensystems, oder Fortfahren im Normalbetrieb.
- • Detection of whether the cooling circuit has settled,
- Determination of the difference of a coolant pump setpoint speed (control signal) to a value stored in a pilot control characteristic,
- • evaluation of the difference,
- • Initiate measures, such as issuing an error message and / or switching off the fuel cell system, or proceeding in normal operation.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Funktion zur Erkennung eines eingeschwungenen Kühlmittelkreises in die Steuerung implementiert.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, a function for detecting a steady-state coolant circuit is implemented in the controller.
Vorteilhafterweise kann über eine derartige Funktion, wie nachstehend beschrieben, eine auf das konkrete System bezogene Kennlinie verwendet werden, so dass eine Degradation von Bauteilen des Kühlkreislaufs präzise ermittelt werden kann.Advantageously, a characteristic related to the specific system can be used via such a function, as described below, so that a degradation of components of the cooling circuit can be precisely determined.
Die Funktion wird bei der Erstinbetriebnahme des Brennstoffzellensystems durch eine Vorsteuerung der Kühlmittelpumpenregelung / Kennlinie: Ansteuersignal der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit vom Lastpunkt erhalten.The function is obtained during initial commissioning of the fuel cell system by a pilot control of the coolant pump control / characteristic curve: control signal of the coolant pump as a function of the load point.
Diese ermittelt zum einen anhand der Stellung des Thermostatventils das Einschwingen der Betriebstemperatur auf den Sollwert, und zum anderen anhand des Verlaufs der Differenztemperatur von
Bei der Erstinbetriebnahme kann davon ausgegangen werden, dass die Komponenten zu diesem Zeitpunkt den Zustand BOL (Begin Of Life) haben, und noch keiner Degradation unterliegen, so dass eine spätere Degradation der Komponenten sicher detektierbar ist.During initial commissioning, it can be assumed that the components at this time have the status BOL (Begin Of Life) and are not yet subject to degradation so that any subsequent degradation of the components can be reliably detected.
Hat dies stattgefunden, wird im weiteren die Differenz der Kühlmittelpumpen-Soll-Drehzahl (Ansteuersignal) zu dem in der Vorsteuerkennlinie hinterlegten Wert ermittelt. Anhand einer Bewertung dieser Differenz kann schwellwertabhängig ein Problem im Kühlmittelfluss signalisiert werden.If this has taken place, the difference of the coolant pump setpoint speed (control signal) to the value stored in the pilot control characteristic is determined in the further. Based on an evaluation of this difference, a problem in the coolant flow can be signaled depending on the threshold value.
Voranstehende Ausführungen betreffen das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem gleichermaßen.The above statements relate equally to the method according to the invention and the fuel cell system according to the invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Fahrzeug, das einen Elektromotor als Traktionsmotor aufweist, mit dem allein oder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor das Fahrzeug angetrieben wird.Another aspect of the invention relates to a vehicle having such a fuel cell system. This is preferably a Vehicle having an electric motor as a traction motor, with the vehicle alone or in combination with an internal combustion engine is driven.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung; -
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the invention; -
2 a flow chart of the method according to the invention.
Das Brennstoffzellensystem
Die Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad
Die Kathodenversorgung
Das Brennstoffzellensystem
Zwischen dem Befeuchtermodul
Parallel zum Befeuchtermodul
Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem eine elektronische Steuereinrichtung
Sämtliche Stellmittel
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, zu dessen Ausführung das Steuergerät
Die Verfahren basiert auf einer, bei der Systemerstinbetriebnahme möglichst exakt applizierten Vorsteuerung der Regelung der Kühlmittelpumpe
Da für die Bewertung des Kühlmittelkreislaufs
Hat diese Erkennung stattgefunden, wird im weiteren die Differenz der Kühlmittelpumpen-Soll-Drehzahl (Ansteuersignal)
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Brennstoffzellensystem The fuel cell system
- 1010
- Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
- 2020
- Anodenversorgunganode supply
- 2121
- AnodenversorgungspfadAnode supply path
- 2222
- Anodenabgaspfad Anode exhaust gas path
- 3030
- Kathodenversorgungcathode supply
- 3131
- KathodenversorgungspfadCathode supply path
- 3232
- KathodenabgaspfadCathode exhaust path
- 3333
- Verdichtercompressor
- 3434
- Elektromotorelectric motor
- 3535
- Leistungselektronikpower electronics
- 3636
- Turbineturbine
- 3737
- Wastegate-LeitungWaste gate line
- 3838
- Stellmittelactuating means
- 3939
- Befeuchtermodulhumidifier
- 4040
- Wärmetauscherheat exchangers
- 4141
- KühlkreislaufCooling circuit
- 4242
- KühlmittelpumpeCoolant pump
- 4343
- Leistungselektronikpower electronics
- 4444
- Elektromotorelectric motor
- 4545
- Kühlercooler
- 4646
- Thermostatthermostat
- 4747
- Thermostatventilthermostatic valve
- 4848
- Bypass-LeitungBypass line
- 49, 5049, 50
- Temperatursensortemperature sensor
- 5151
- Bypass-LeitungBypass line
- 52, 5352, 53
- Steuermittel, miteinander wechselwirkendControl means interacting with each other
- 6060
- Steuereinrichtungcontrol device
- 6161
- Funktionfunction
- 6262
- Bewertungrating
- 6363
- Schwellwertesthreshold
- 6464
- Voraussetzung, Requirement,
- SS
- Sollwertsetpoint
- TVTV
- Stellung TV des ThermostatventilsPosition TV of the thermostatic valve
- VSVS
- Kühlmittelpumpen-Soll-DrehzahlCoolant pump target speed
- SWSW
- Wert in der Vorsteuerkennlinie hinterlegt Value stored in the pilot control characteristic
- Tein T a
- Temperaturtemperature
- Taus T off
- Temperaturtemperature
Claims (6)
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