DE102018202112A1 - Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems bei zu erwartenden Froststartbedingungen bei einem Neustart - Google Patents

Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems bei zu erwartenden Froststartbedingungen bei einem Neustart Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems bei zu erwartenden Froststartbedingungen bei einem Neustart, umfassend die Schritte:
• Messung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel,
• Festlegung der Wahrscheinlichkeit des Vorliegens der Bedingungen eines Froststartes zum Zeitpunkt des zu erwartenden Neustarts, und
• Senkung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel auf ein Startniveau, das in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit festgelegt wird dergestalt, dass bei hoher Wahrscheinlichkeit eine stärkere Senkung erfolgt als bei niedriger Wahrscheinlichkeit.

Description

  • Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems bei zu erwartenden Froststartbedingungen bei einem Neustart, umfassend die Schritte:
    • • Messung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel
    • • Festlegung der Wahrscheinlichkeit des Vorliegens der Bedingungen eines Froststartes zum Zeitpunkt des zu erwartenden Neustarts, und
    • • Senkung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel auf ein Startniveau, das in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit festgelegt wird dergestalt, dass bei hoher Wahrscheinlichkeit eine stärkere Senkung erfolgt als bei niedriger Wahrscheinlichkeit.
  • Brennstoffzellensysteme, wie sie beispielsweise zum Betrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind wegen der damit verbundenen Leistungsanforderung aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufgebaut, die in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Jede einzelne Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung gebildet aus einer protonenleitenden Membran, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist. Den Elektroden werden Reaktandengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft. Bei der elektrochemischen Reaktion reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
  • Problematisch ist dabei, wenn bei einem Start des Brennstoffzellensystems Froststartbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen Wasser gefriert. Das kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktandengase und das Produktwasser durch Eis blockiert sind. Um diesem Zustand vorzubeugen, ist es bekannt, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems den Brennstoffzellenstapel zu trocknen, wobei die Trocknung Energie verbraucht und Zeit beansprucht, so dass die Nutzerfreundlichkeit dadurch eingeschränkt wird.
  • Aus der DE 10 2012 023 799 A1 ist ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts einer Brennstoffzelle bekannt, wobei nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle die Anodenseite und/oder die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems mittels Anlegen eines Unterdrucks getrocknet wird. Nach dem Trocknen wird die Anodenseite und die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff gefüllt, um den Unterdruck abzubauen und das Eindringen von Sauerstoff in den Kathodenraum zu verhindern.
  • Die DE 11 2008 001 438 B4 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem die Feuchtigkeit von Brennstoffzellen darauf basierend geregelt wird, ob die Brennstoffzellen weiterbetrieben oder abgeschaltet werden, wobei die Kühlmitteltemperatur an einen Sollwert angepasst wird.
  • Die DE 10 2006 003 394 A1 zeigt ein Brennstoffzellensystem, bei dem mittels einer Impedanzmessung die Feuchtigkeit der Brennstoffzellen bestimmt und auf einen Sollwert geregelt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, bei dem die Nutzerfreundlichkeit auch bei zu erwartenden Bedingungen eines Froststartes verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit dem Merkmal des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Sehr vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass beim Abstellen des Brennstoffzellensystems nicht allein auf die zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Umgebungsbedingungen und dort insbesondere der Umgebungstemperatur abgestellt wird, sondern dass auch die Bedingungen berücksichtigt werden, die zum Zeitpunkt des zu erwartenden Neustarts vorliegen können, wobei infolge des auf die Zukunft gerichteten relevanten Zeitpunktes keine exakten Voraussagen erwartbar sind, sondern mit Wahrscheinlichkeiten gearbeitet werden muss. Bei einer hohen Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen der Bedingungen für einen Froststart werden bei einem Neustart weiterreichende Maßnahmen zum Senken des Wassergehaltes ergriffen, die entbehrlich sind oder in einem eingeschränkten Ausmaß ausreichenden sind. Wenn nur eine geringe Wahrscheinlichkeit für das Vorliegen von Froststartbedingungen gegeben ist, so erfolgt in diesem Fall das Abstellen des Brennstoffzellensystems mit geringerem Energieverbrauch und kleinerem Zeitaufwand. Allein dadurch ist bereits eine Steigerung der Nutzerfreundlichkeit gegeben.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es zweckmäßig, dass die Messung des Wassergehaltes durch eine Impedanzmessung und/oder eine Feuchtemessung und/oder eine Wechselstromwiderstandmessung erfolgt, da auf diesem Wege eine verlässliche Messung des Wassergehaltes möglich ist.
  • Hinsichtlich der Einfachheit des Verfahrens ist es bevorzugt, wenn als Maß für die Wahrscheinlichkeit des Vorliegens der Bedingungen eines Froststartes zum Zeitpunkt des zu erwartenden Neustartes die Umgebungstemperatur zum Zeitpunkt des Abstellens genutzt wird. Je kleiner die Außentemperatur ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit bzw. das Risiko, beim nächsten Mal unter Frostbedingungen starten zu müssen, da nur eine geringe weitere Absenkung der Außentemperatur zur Realisierung der Froststartbedingungen führt. In einer Weiterbildung ist es zweckmäßig, die Ortszeit bei der Bestimmung der Außentemperatur der Festlegung der Wahrscheinlichkeit zu berücksichtigen, da die Messung der Außentemperatur in der Nacht erwarten lässt, dass die Außentemperatur zum Tage hin nicht weiter absinkt sondern eher steigt und umgekehrt.
  • Bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin, wenn ein Telekommunikationsmodul zum Empfangen von Wetterprognosen zur Festlegung der Wahrscheinlichkeit genutzt wird, da so die mittlerweile über einen mehrtätigen Zeitraum sehr verlässlichen Wetterprognosen bei der Bestimmung der Wahrscheinlichkeit einbezogen werden können und die Maßnahmen zur Schaffung der Bedingungen eines Froststartes vermieden werden können, wenn in dem Vorhersagezeitraum kein Frost angekündigt ist. Dabei bietet es sich an, dass das Telekommunikationsmodul eine in einem Funknetz anmeldebare Sende- und Empfangseinheit aufweist, wobei das Funknetz insbesondere durch ein Mobiltelefonnetz oder ein WLAN gebildet sein kann.
  • Es besteht auch die Möglichkeit, dass das Brennstoffzellensystem in einem mobilen Kraftfahrzeug angeordnet ist, und dass die GPS-Daten eines Navigationsgerätes zur Bestimmung des Ortes zum Zeitpunkt des Abstellens genutzt wird und bei der Festlegung der Wahrscheinlichkeit berücksichtigt werden. Dadurch kann beispielsweise berücksichtigt werden, wenn durch die Kenntnis des Navigationsgerätes erkannt wird, dass das Fahrzeug in einer weniger frostgefährdeten Tiefgarage abgestellt wird oder sich in einer Region nahe am Meer befindet, in der durch die Wärmekapazität des Wassers Temperaturschwankungen gemildert werden.
  • Einer Steigerung der Nutzerfreundlichkeit dient auch, dass die Temperatur des Kühlmittels gemessen wird und in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur die Geschwindigkeit der Senkung des Wassergehaltes bestimmt wird dergestalt, dass bei niedrigen Temperaturen eine schnellere Absenkung erfolgt. Dabei bietet es sich dann an, dass der Wassergehalt durch Ausblasen des Wassers in dem Brennstoffzellenstapel einer Trockenprozedur gesenkt wird, und dass der Volumenstrom des Ausblasgases so bemessen ist, dass die Senkung innerhalb von 60 Sekunden beendet ist.
  • Ganz besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin, dass Nutzern die Festlegung der Wahrscheinlichkeit ermöglich ist. Dies berücksichtigt und bezieht ein, dass häufig der Nutzer weiß, wann ein Neustart beabsichtigt ist, ob also das Fahrzeug lediglich abgestellt wird, um nach einer kurzen Pause die Fahrt fortzusetzen, oder beispielsweise das Fahrzeug im Herbst bei milden Außentemperaturen auf dem Außenparkplatz eines Flughafens abgestellt wird bei einer erst im Winter zu erwartenden Rückkehr. Auch können so die Kenntnisse des Nutzers hinsichtlich der Wetterprognosen ausgenutzt werden, ohne auf das Telekommunikationsmodul angewiesen zu sein.
  • 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 102012023799 A1 [0004]
    • DE 112008001438 B4 [0005]
    • DE 102006003394 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems bei zu erwartenden Froststartbedingungen bei einem Neustart, umfassend die Schritte: • Messung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel, • Festlegung der Wahrscheinlichkeit des Vorliegens der Bedingungen eines Froststartes zum Zeitpunkt des zu erwartenden Neustarts, und • Senkung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel auf ein Startniveau, das in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit festgelegt wird dergestalt, dass bei hoher Wahrscheinlichkeit eine stärkere Senkung erfolgt als bei niedriger Wahrscheinlichkeit.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Wassergehaltes durch eine Impedanzmessung und/oder eine Feuchtemessung und/oder eine Wechselstromwiderstandsmessung erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Wahrscheinlichkeit des Vorliegens der Bedingungen eines Froststartes zum Zeitpunkt des zu erwartenden Neustartes die Umgebungstemperatur zum Zeitpunkt des Abstellens genutzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Telekommunikationsmodul zum Empfangen von Wetterprognosen zur Festlegung der Wahrscheinlichkeit genutzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dass das Telekommunikationsmodul eine in einem Funknetz anmeldbare Sende- und Empfangseinheit aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem in einem mobilen Kraftfahrzeug angeordnet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die GPS-Daten eines Navigationsgerätes zur Bestimmung des Ortes zum Zeitpunkt des Abstellens genutzt und bei der Festlegung der Wahrscheinlichkeit berücksichtigt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kühlmittels gemessen wird, und in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur die Geschwindigkeit der Senkung des Wassergehaltes bestimmt wird dergestalt, dass bei niedrigen Temperaturen eine schnellere Absenkung erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt durch Ausblasen des Wassers aus dem Brennstoffzellenstapels in einer Trockenprozedur gesenkt wird, und dass der Volumenstrom des Ausblasgases so bemessen ist, dass die Senkung innerhalb von 60 Sekunden beendet ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nutzergeführt die Festlegung der Wahrscheinlichkeit ermöglicht ist.
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