DE102018214378A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die mindestens eine in einen Kühlmittelkreislauf (8) mit einem Kühler (4) eingebundene Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (7) aufweist, umfassend die Schritte(a) Festlegen einer Kühlmitteltemperatur an einem Zulauf (5) der Brennstoffzelle(b) Bestimmen einer maximalen Kühlleistung des Kühlers (4),(c) Regelung einer Temperaturveränderung des Kühlmittels in der Brennstoffzelle derart, dass durch Ausnutzung der maximalen Kühlleistung die Kühlmitteltemperatur am Zulauf (5) der Brennstoffzelle eingehalten werden kann.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Brennstoffzellenvorrichtung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, die mindestens eine in einen Kühlmittelkreislauf mit einem Kühler eingebundene Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen dienen dazu, im Rahmen einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei in dieser elektrochemischen Reaktion neben der Generierung von elektrischer Energie und Produktwasser auch Wärme in der Brennstoffzelle anfällt. Die Brennstoffzelle arbeitet in einem bestimmten Temperaturintervall am effizientesten, so dass die entstehende Wärme mittels des Kühlmittelkreislaufes durch den Kühler abgegeben wird.
  • Zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung bedarf es weiterer peripherer Systemkomponenten, insbesondere bei einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen einen Verdichter, mit dem Umgebungsluft komprimiert wird. Da diese Luft sich beim Komprimieren erwärmt, sind einer Brennstoffzellenvorrichtung als weitere periphere Systemkomponenten neben dem Verdichter auch Ladeluftkühler und Befeuchter sowie Umwälzpumpen und Brennstoffzellen-Steuergeräte zugeordnet.
  • In der DE 10 2014 224 380 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der Kühlflüssigkeit auf mindestens zwei parallel geschaltete Teilkühlkreisläufe aufgeteilt wird, wobei ein erster Kühlmittelteilstrom durch einen ersten Teilkühlkreislauf fließt, der eine erste periphere Systemkomponenten der Brennstoffzellenvorrichtung mit Kühlmittel versorgt. Der zweite Kühlmittelteilstrom durchfließt einen zweiten Teilkühlkreislauf, der eine zweite periphere Systemkomponente mit Kühlmittel versorgt. Ist nun beispielsweise die Temperatur einer ersten peripheren Systemkomponente am thermischen Limit angelangt, besteht die Möglichkeit einer Anpassung des ersten und/oder des zweiten Kühlmittelteilstroms, um die bereitgestellte Kühlkapazität im Hinblick auf den zukünftigen Kühlbedarf der einzelnen peripheren Systemkomponenten zu verteilen.
  • Die DE 10 2014 217 780 A1 offenbart ein Verfahren zum prädiktiven Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, bei dem mindestens ein externer Parameter, wie eine Fahrverhaltensinformation oder eine Navigationsinformation, erfasst wird, wobei der externe Parameter nicht zu den Parametern der Brennstoffzellenvorrichtung zählt. Basierend auf dem mindestens einen externen Parameter wird mindestens ein Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung prognostiziert, um einen aktuellen Soll-Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung anzupassen.
  • Im Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung können Bedingungen auftreten, dass der momentane Leistungsbedarf mit der Produktion einer derartig hohen Wärmemenge verbunden ist, dass die Kühlleistung des Kühlers nicht mehr ausreicht und somit zur Vermeidung einer Beschädigung der Brennstoffzelle oder zur Sicherstellung einer ausreichenden Effizienz deren Leistungsabgabe begrenzt werden muss (Derating). Als Konsequenz daraus kann der tatsächlich gewünschte Leistungsbedarf nicht bereitgestellt werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, bei dem ein frühes Derating aufgrund einer zu hohen Kühlmitteltemperatur verzögert oder sogar vollständig vermieden werden kann. Aufgabe ist es weiterhin, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit gesteigerter Verlässlichkeit und Effizienz bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer eingangs geschilderten Brennstoffzellenvorrichtung folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
    1. (a) Festlegen einer Kühlmitteltemperatur an einem Zulauf der Brennstoffzelle,
    2. (b) Bestimmen einer maximalen Kühlleistung des Kühlers,
    3. (c) Regelung der Temperaturveränderung, insbesondere Temperaturerhöhung des Kühlmittels in der Brennstoffzelle derart, dass durch Ausnutzung der maximalen Kühlleistung die Kühlmitteltemperatur am Zulauf der Brennstoffzelle eingehalten werden kann.
  • Im bisherigen Stand der Technik war es üblich, sowohl die Kühlmitteltemperatur am Zulauf der Brennstoffzelle als auch das Ausmaß der Temperaturerhöhung des Kühlmittels innerhalb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels fest vorzugeben. Gemäß der nunmehr vorgeschlagenen Modifikation des Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung wird die Differenztemperatur, die sich für das Kühlmittel beim Passieren der Brennstoffzelle infolge der aufgenommenen Wärme ergibt, variabel gehalten und die Grenze der Erwärmung lediglich durch die maximale Kühlleistung des Kühlers bestimmt wird. Es wird im Ergebnis darauf geachtet, dass der Kühler nicht nur bedarfsweise bei einer hohen Leistungsanforderung an die Grenze seiner Kühlleistung geführt wird, sondern diese über einen längeren Zeitraum abgerufen wird, um so das stärker erwärmte Kühlmittel wieder so weit abzukühlen, dass die gewünschte Kühlmitteltemperatur am Zulauf der Brennstoffzelle bereit gestellt ist.
  • Dabei ergibt sich auch die Möglichkeit, dass durch ein Brennstoffzellen-Steuergerät die peripheren Systemkomponenten so betrieben werden, dass sich die zulässige Temperaturveränderung, insbesondere die zulässige Temperaturerhöhung des Kühlmittels in der Brennstoffzelle ergibt. Die peripheren Systemkomponenten beeinflussen auch den Ablauf der elektrochemischen Reaktion und die Menge der dabei generierten, abzuführenden Wärme, nämlich indem beispielsweise durch eine Modifikation der Betriebsweise des Verdichters die Menge des bereitgestellten Sauerstoffes variiert wird. Die peripheren Systemkomponenten sind ausgewählt aus einer Gruppe, die einen Verdichter, eine Kühlmittelpumpe, ein Thermostatventil, ein Rezirkulationsgebläse, eine Strahlpumpe und eine Druckregelklappe umfasst.
  • Die Bestimmung der maximalen Kühlleistung erfolgt durch Messung der Kühlmitteltemperatur stromauf und stromab des Kühlers. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Bestimmung der maximalen Kühlleistung modellbasiert erfolgt unter Verwendung von Messdaten zu den Umgebungsparametern und/oder zum Status der peripheren Systemkomponenten. Ganz besonders bevorzugt ist dabei, dass die peripheren Systemkomponenten derart betrieben werden, dass eine Reduktion von λLuft erreicht wird. Der Systemwirkungsgrad einer Brennstoffzellenvorrichtung und insbesondere auch einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels ist nämlich abhängig von der Größe des Wertes von λLuft, wobei eine Reduktion zu einer Erhöhung des Systemwirkungsgrades führt. Es ist also die Möglichkeit geschaffen, durch eine abweichende Betriebsweise der Brennstoffzellenvorrichtung unter Ausnutzung der maximalen Kühlleistung die peripheren Systemkomponenten so zu betreiben, dass λLuft reduziert und damit der Systemwirkungsgrad erhöht wird.
  • Der die Brennstoffzellenvorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch zwei stromauf und stromab des Kühlers angeordnete Thermometer, deren Daten einem Brennstoffzellen-Steuergerät zuführbar sind.
  • Der das Kraftfahrzeug betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einer zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahren geeigneten Brennstoffzellenvorrichtung, wobei prädiktiv anhand von Daten aus der Betriebshistorie und/oder des Navigationssystems erwartbare höhere Leistungsanforderungen hinsichtlich der Temperaturerhöhung des Kühlmittels der Brennstoffzelle berücksichtigbar sind.
  • Die vorgeschlagene modifizierte Betriebsweise führt zu einer Erhöhung des Systemwirkungsgrades, schränkt allerdings die Möglichkeit zur kurzfristigen schnelleren Leistungssteigerung ein, da bereits die maximale Kühlleistung ausgeschöpft wird. Dies kann beispielsweise insbesondere beim Auffahren auf eine Autobahn oder zu Beginn einer Passfahrt nachteilig sein, so dass die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordneten Verfahrensschritte wiederum modifiziert, insbesondere reduziert bis zum vollständigen Unterlassen umgesetzt werden, um eine entsprechende Leistungsreserve bereitstellen zu können.
  • Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass fahrzeugspezifische und/oder fahrtspezifische Daten für das Steuergerät verfügbar sind, wobei dafür insbesondere die Fahrzeuggeschwindigkeit oder die Klimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs beispielhaft genannt werden, weil eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit aufgrund des Fahrtwindes eine verbesserte Möglichkeit zur Wärmeabfuhr bietet und auch die Klimatisierung des Innenraums die Wärmeverteilung innerhalb des Gesamtsystems beeinflusst.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine stark schematisierte Darstellung einer einen Kühlmittelkreislauf aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung,
    • 2 eine zeitabhängige Darstellung der Berechnung der maximalen Temperaturdifferenz (gestrichelt dargestellt) im Vergleich zur regulären Temperaturdifferenz nach dem Stand der Technik (gepunktet dargestellt) mit der Möglichkeit zur Reduktion von λLuft, dargestellt in willkürlichen Einheiten (a. u.) und
    • 3 eine Darstellung zur Erhöhung des Systemwirkungsgrad bei reduziertem λLuft (Punkte zum Gesamtsystem, Rauten für den Brennstoffzellenstapel).
  • In der 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen Kühlmittelkreislauf 8 mit einem Kühler 4 zur Temperierung der Brennstoffzelle bzw. der Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefassten Brennstoffzellen umfasst.
  • Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.
  • Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt in einem nicht dargestellten Ladeluftkühler sowie in einem ebenfalls nicht dargestellten Befeuchter.
  • Neben der Brennstoffzelle sind daher periphere Systemkomponenten 7 erforderlich, die auch BOP-Komponenten (Balance-of-Plant-Komponenten) genannt werden.
  • In der 1 ist der durch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildete Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt, dem die Reaktanten zugeführt werden, damit im Brennstoffzellenstapel 2 kontrolliert die elektrochemische Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie ablaufen kann. Zur Regelung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und dabei insbesondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme ist dem Brennstoffzellenstapel 2 ein Kühlmittelkreislauf 8 mit einem Kühler 4 zugeordnet, sodass durch den Kühler 4 sichergestellt werden kann, dass die Kühlmitteltemperatur am Zulauf 5 der Brennstoffzelle den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren des Brennstoffzellenstapels 2 erwärmt, sodass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt. Unter Berücksichtigung der maximalen Kühlleistung des Kühlers 4 wird die Temperaturerhöhung soweit zugelassen, dass durch Ausnutzung der maximalen Kühlleistung die Kühlmitteltemperatur am Zulauf 5 der Brennstoffzelle eingehalten werden kann, wobei durch ein Brennstoffzellen-Steuergerät 6 die peripheren Systemkomponenten 7 so betrieben werden, dass sich die zulässige Temperaturerhöhung des Kühlmittels in der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel 2 ergibt. Die Kontrolle der maximalen Kühlleistung erfolgt durch Messung der Kühlmitteltemperatur durch Thermometer 10 stromauf und stromab des Kühlers 4 und alternativ oder ergänzend modellbasiert unter Verwendung von Messdaten zu den Umgebungsparametern und/oder zum Status der peripheren Systemkomponenten.
  • 3 verweist darauf, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 1 insgesamt und des Brennstoffzellenstapels 2 von dem stöchiometrischen Verhältnis λLuft abhängt, wobei eine Reduktion von λLuft zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt. Die peripheren Systemkomponenten 7 werden daher derart betrieben, dass eine Reduktion von λLuft erreicht wird. Die Auswirkung einer möglichen höheren Temperaturdifferenz ist, wie in 2 dargestellt, dass sich im Vergleich zum Stand der Technik durch Ausnutzung der maximalen Kühlleistung des Kühlers 4 ein Effizienzgewinn ergibt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Verdichter
    4
    Kühler
    5
    Zulauf
    6
    Steuergerät
    7
    periphere Systemkomponenten
    8
    Kühlmittelkreislauf
    9
    Thermostatventil
    10
    Thermometer
  • 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 102014224380 A1 [0004]
    • DE 102014217780 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die mindestens eine in einen Kühlmittelkreislauf (8) mit einem Kühler (4) eingebundene Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (7) aufweist, umfassend die Schritte (a) Festlegen einer Kühlmitteltemperatur an einem Zulauf (5) der Brennstoffzelle (b) Bestimmen einer maximalen Kühlleistung des Kühlers (4), (c) Regelung einer Temperaturveränderung des Kühlmittels in der Brennstoffzelle derart, dass durch Ausnutzung der maximalen Kühlleistung die Kühlmitteltemperatur am Zulauf (5) der Brennstoffzelle eingehalten werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Brennstoffzellen-Steuergerät (6) die peripheren Systemkomponenten (7) so betrieben werden, dass sich die zulässige Temperaturveränderung des Kühlmittels in der Brennstoffzelle ergibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die peripheren Systemkomponenten (7) ausgewählt sind aus einer Gruppe, die einen Verdichter (3), eine Kühlmittelpumpe (9), ein Thermostatventil (10), ein Rezirkulationsgebläse, eine Strahlpumpe und eine Druckregelklappe umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der maximalen Kühlleistung durch Messung der Kühlmitteltemperatur stromauf und stromab des Kühlers (4) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der maximalen Kühlleistung modellbasiert erfolgt unter Verwendung von Messdaten zu Umgebungsparametern und/oder zu einem Status der peripheren Systemkomponenten.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die peripheren Systemkomponenten (7) derart betrieben werden, dass eine Reduktion von λLuft erreicht wird.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch zwei stromauf und stromab des Kühlers (4) angeordnete Thermometer (10), deren Daten einem Brennstoffzellen-Steuergerät (6) zuführbar sind.
  8. Kraftfahrzeug mit einer zu Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 geeigneten Brennstoffzellenvorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass prädiktiv anhand von Daten aus einer Betriebshistorie und/oder eines Navigationssystems erwartbare höhere Leistungsanforderungen hinsichtlich der Temperaturveränderung des Kühlmittels in der Brennstoffzelle berücksichtigbar sind.
  9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass fahrzeugspezifische und/oder fahrtspezifische Daten für das Steuergerät (6) verfügbar sind.
  10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten eine Fahrzeuggesschwindigkeit und/oder eine Klimatisierung eines Innenraums umfassen.
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