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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches mindestens eine Brennstoffzelle aufweist, die in einen einen Kühler umfassenden Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, in welchem eine Kühlmittelpumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels vorliegt, und welchem eine Bypassleitung zugeordnet ist, in die mittels eines Bypassventils zumindest ein Anteil des Kühlmittelstromes einleitbar ist, womit der durch den Kühler strömende Anteil des Kühlmittelstromes um den in die Bypassleitung strömenden Teil reduziert wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem .
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Brennstoffzellensysteme 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, sodass die entstehende Wärme mittels des Kühlmittelkreislaufes durch den Kühler abgeführt wird. Flüssiggekühlte Aggregate werden typischerweise über Luft-Wasser-Wärmetauscher gekühlt, wobei das Kühlmittel nicht über den Kühler geleitet wird, wenn die Brennstoffzelle oder ein mehrere Brennstoffzellen umfassender Brennstoffzellenstapel noch nicht die Betriebstemperatur erreicht hat. In einem solchen Fall wird das Kühlmittel über einen Bypass geführt. Das einzige Entscheidungskriterium, ob das Kühlmittel durch die Bypassleitung geführt wird oder nicht, ist bei bekannten System die Temperatur des Kühlmittels bzw. der Brennstoffzelle. Als Bypassventile wurden daher zumeist Thermostatventile verwendet, die eine selbsttätige Öffnung oder Schließung und damit Umleitung des Kühlmittels in die Bypassleitung des Kühlmittels ermöglichten. Bei der Regelung der Brennstoffzelle ist es Ziel, dass die Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur am Eintritt der Brennstoffzelle und einer Temperatur am Austritt der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels möglichst gering ist, also die Temperatur möglichst konstant ist für gleiche Reaktionsbedingungen, sodass der Volumenstrom des Kühlmittels sehr hoch ist und beispielsweise 200 Liter pro Minute (l/min) beträgt. Dies führt dazu, dass das Kühlmittel einem sehr großen Druck von bis zu fünf bar unterliegen kann, wie es beispielsweise bei Verbrennungsmotoren der Fall ist.
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Bei derartigen Drücken kann die Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellenstapel undicht werden, da dieser weniger stabil ist als beispielsweise ein Verbrennungsmotor.
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In der
US 2017/0 352 896 A1 ist ein Brennstoffzellensystem gezeigt, bei dem ein Thermostatventil eingesetzt wird, um den Kühlmittelstrom über eine Bypassleitung zu führen. In der
US 2004/0 001 985 A1 ist dem Brennstoffzellenstapel ein Druckregelventil vorgeschaltet, um zu verhindern, dass in den Brennstoffzellenstapel einströmendes Kühlmittel mit einem zu hohen Druck eingebracht wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, bei der die Regelungsstrategie zur Kühlung der Brennstoffzelle Beschädigungen sinnvoll vermeidet. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
- - Erfassen eines Druckes des Kühlmittels vor einem Eintritt mindestens eines der in den Kühlmittelkreislauf eingebundenen Bauteile, und
- - Steuern oder Regeln des Bypassventils in Abhängigkeit des am Eintritt erfassten Drucks derart, dass der Druck am Eintritt unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzdrucks gehalten wird.
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Damit wird also der Druck als Eingangsgröße zur Steuerung oder Regelung des Bypassventils und damit zur Leitung eines Anteils des Kühlmittelstroms über die Bypassleitung berücksichtigt. Aufgrund der Umlenkungen oder Verzweigungen der Kühlmittelführungen innerhalb des Kühlers ist hier der größte Druckabfall des Kühlmittels zu verzeichnen. Diese Erkenntnis wird daher dazu genutzt, um in Abhängigkeit des Eingangsdrucks am Eintritt des betreffenden Bauteils durch Erhöhung den durch den Kühler strömenden Anteil des Kühlmittels herabzusetzen. Durch eine solche druckgeführte Regelung kann das Auftreten von Drücken oberhalb eines maximal zulässigen Betriebsdrucks der jeweiligen Komponente verhindert werden.
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In diesem Zusammenhang hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn beim Erreichen oder Überschreiten des Grenzdrucks das Bypassventil den durch den Kühler strömenden Anteil des Kühlmittelstroms erhöht, wodurch der Druck am Eintritt sinkt. Durch eine derartige Ausgestaltung ist es möglich, dass die Drehzahl der Kühlmittelpumpe im Kühlmittelkreislauf nicht herabgesetzt werden muss, um einen niedrigeren Druck am Eintritt des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Die Druckminderung wird allein durch den größeren Anteil, der durch den Kühler geführt wird, erzielt.
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Wenn das Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Erreichen des Grenzdrucks prädiktiv und/oder leistungsmodellbezogen erfolgt, und wenn beim erwarteten Erreichen des Grenzdrucks das Bypassventil den durch den Kühler strömenden Anteil des Kühlmittelstroms erhöht, wodurch der Druck am Eintritt sinkt. Dabei lassen sich beispielsweise die Einstellungen des Bypassventils anhand von Daten aus einer Betriebshistorie des Brennstoffzellensystems oder insbesondere anhand von Prognosedaten hinsichtlich zu erwartender Temperaturen oder hinsichtlich einer zu erwartenden Verkehrslage ziehen. Zudem ist es möglich, anhand von in ein Navigationssystem des Kraftfahrzeugs eingegebenen Routendaten auf ein zu erwartendes Erreichen des Grenzdrucks zu schließen, beispielsweise da eine Bergfahrt oder Fahrten unter Volllast zu erwarten sind.
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Um Beschädigungen am Brennstoffzellensystem oder der Brennstoffzelle selbst vorzubeugen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Drehzahl der Kühlmittelpumpe dann reduziert wird, wenn der Druck am Eintritt nicht unter den Grenzdruck gesunken ist, auch wenn der Kühlmittelstrom vollständig durch den Kühler geleitet wird.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Druck am Eintritt der Brennstoffzelle erfasst wird. Die Brennstoffzelle oder der Stapel aus Brennstoffzellen (Brennstoffzellenstapel) ist als besonders kritisches Bauteil zu erachten, da durch ihn Wasserstoff fließt, der Gegenstand einer Knallgasreaktion werden könnte, sodass zu gewährleisten ist, dass die Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellenstapel hinreichend dicht ist und der Druck am Eintritt der Brennstoffzelle nicht den Grenzdruck überschreitet.
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Für eine zuverlässige und kontinuierliche oder getaktete Verstellung des Bypassventils hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Bypassventil als ein mittels eines Servermotors betätigbares Drehschieberventil gebildet ist. Durch diese Ausgestaltung lassen sich sehr definierte Schaltstellungen für das Bypassventil realisieren, sodass eine feine Dosierung der Anteile des Kühlmittelstromes durch die Bypassleitung und durch den Kühler erfolgt. Der Servermotor kann dabei beispielsweise mittels eines Steuergeräts ansteuerbar sein.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Druckverlust des durch den Kühler strömenden Anteils des Kühlmittels größer ist als der Druckverlust des durch die Brennstoffzelle strömenden Anteils des Kühlmittels. Somit lässt sich nämlich zuverlässig der Druck am Eintritt der Brennstoffzelle durch geeignete Stellungen des Bypassventils und damit geeignete Anteile des über die Bypassleitung strömenden Kühlmittels und des über den Kühler strömenden Kühlmittels realisieren.
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In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Gradient des Druckes des Kühlmittelstroms über einen den Kühler umgehenden Primärkreislauf des Kühlmittelkreislaufs geringer ist als der Gradient des Druckes des Kühlmittelstroms über einen den Kühler einschließenden Sekundärkreislauf des Kühlmittelkreislaufs. Somit kann also beim anteiligen Führen des Kühlmittels über den Kühler der Druck deutlich gesenkt werden, sodass am Eintritt der Brennstoffzelle ebenfalls ein reduzierter Druck vorliegt.
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Die Vorteile des Verfahrens realisieren sich insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle oder mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Die Brennstoffzelle ist in einen einen Kühler umfassenden Kühlmittelkreislauf eingebunden, in welchem eine erste Kühlmittelpumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels vorliegt. Im Kühlmittelkreislauf ist zudem eine Bypassleitung vorhanden, in die mittels eines Bypassventils zumindest ein Anteil des Kühlmittelstromes einleitbar ist, womit der durch den Kühler strömende Anteil des Kühlmittelstromes um den in die Bypassleitung strömenden Anteil reduziert ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst zudem ein Steuergerät. Es zeichnet sich insbesondere durch einen Drucksensor am Eintritt eines Bauteils des Brennstoffzellensystems zur Erfassung eines Drucks des Kühlmittels aus, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, das Bypassventil derart in Abhängigkeit des am Eintritt erfassten Drucks zu steuern oder zu regeln, dass der Druck am Eintritt unterhalb eines Grenzdrucks gehalten ist.
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Durch die druckabhängige Regelung des über den Kühler strömenden Anteils und des dazu komplementären über die Bypassleitung strömenden Anteils des Kühlmittelstromes lässt sich der Druck am Eintritt anpassen und gegebenenfalls reduzieren, wenn der über den Kühler strömende Anteil vergrößert wird. Im Kühler sind Umlenkungen der Führungen des Kühlmittels vorhanden, sodass hier ein Druckabfall zu verzeichnen ist. Vorzugsweise wird daher der Druck am Eintritt der Brennstoffzelle mittels eines ersten Drucksensors erfasst, um den dort erfassten Druck unterhalb des Grenzdrucks zu halten.
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Das Brennstoffzellensystem ist damit also besonders betriebssicher gestaltet, wobei eine Drehzahlregelung der Kühlmittelpumpe nicht mehr zwingend notwendig, aber dennoch möglich ist. In diesem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft herausgestellt, dass lediglich eine einzige Kühlmittelpumpe in den Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, die dadurch die Komplexität des Gesamtsystems reduziert.
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Um feindosiert die Anteile durch die Bypassleitung und durch den Kühler des Kühlmittelstroms einzustellen, hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Bypassventil als ein mittels eines Servomotors betätigbares Drehschieberventil gebildet ist. Dieser Servomotor wird ebenfalls von dem Steuergerät in Abhängigkeit des vom Drucksensor erfassten Drucks gesteuert oder geregelt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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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 eines einen Kühlmittelkreislauf umfassenden Brennstoffzellensystems, und
- 2 eine positionsabhängige Darstellung des über den Kühlkreislauf verteilten Druckes (p in bar), der zwischen einem Minimaldruck (pmin) und einem Maximaldruck (pmax) liegt.
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In 1 ist von einem Brennstoffzellensystem 100 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei das Brennstoffzellensystem 100 einen Kühlmittelkreislauf 102 umfasst, in welchen ein Kühler 104 eingebunden ist und welcher eine erste Kühlmittelpumpe 108 zur Zirkulation eines Kühlmittels aufweist. Dem Kühlmittelkreislauf 102 ist eine Bypassleitung 110 zugeordnet, in welche mittels eine Bypassventils 128 ein Anteil des Kühlmittelstromes einleitbar ist. Im Kühlmittelkreislauf 102 ist zudem eine Brennstoffzelle 106, insbesondere eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 106 zusammengefasst zu einem Brennstoffzellenstapel, eingebunden.
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Jede der Brennstoffzellen 106 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 sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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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 106 dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel 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 Katode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Um die 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.
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Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen 106 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 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 gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler sowie in einem Befeuchter.
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In der 1 ist rein exemplarisch eine einzelne Brennstoffzelle 106 gezeigt, welcher Reaktanten zugeführt wird, damit in der Brennstoffzelle 106 kontrolliert die elektrochemische Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie ablaufen kann. Zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle 106, und insbesondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme, ist der Brennstoffzelle 106 der Kühlmittelkreislauf 102 mit dem Kühler 104 zugeordnet, so dass durch den Kühler 104 sichergestellt werden kann, dass die Kühlmitteltemperatur am Eintritt 204 der Brennstoffzelle 106 den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren der Brennstoffzelle 106 oder des Brennstoffzellenstapels erwärmt, so dass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt. Stromab der Brennstoffzelle 106 zweigt beim Kühlmittelkreislauf 102 die Bypassleitung 110 ab, die stromab des Kühlers 104, stromauf einer Kühlmittelpumpe 108 und somit stromauf der Brennstoffzelle 106 in den Kühlmittelkreislaus 102 wieder einmündet. Somit sind zwei Teilkreise für den Kühlmittelstrom gebildet, nämlich ein kleiner, den Kühler 104 umgehenden Primärkreislauf 112 und ein großer, den Kühler 104 einschließenden Sekundärkreislauf 114. Durch diese Teilkreise ergibt sich eine Aufteilung des Kühlmittelstroms in zwei zueinander komplementäre Anteile, bei der der durch die Bypassleitung 110 geförderte Teil des Kühlmittels mit anderen Worten an dem Kühler 104 vorbeigeführt wird (Bypass). Durch die Umgehung des Kühlers 104 erfolgt keine oder nur eine deutlich reduzierte Kühlung des Kühlmittels.
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Vorliegend sind den Bauteilen Drucksensoren vor bzw. nachgeschaltet, wobei ein erster Drucksensor 116 am Eintritt 204 der Brennstoffzelle 106 in den Kühlmittelkreislauf 102 integriert ist. Zudem ist stromab der Brennstoffzelle 106 ein zweiter Drucksensor 118 am Austritt 206 der Brennstoffzelle 106 in den Kühlmittelkreislauf 102 eingebunden. Vorzugsweise ist ferner am Eintritt 208 des Kühlers 104 ein dritter Drucksensor 120 in den Kühlmittelkreislauf 102, insbesondere in den Sekundärkreislauf 114 eingebunden. Stromab des Kühlers 104 weist der Sekundärkreislauf 114, mithin am Austritt 210 des Kühlers 104 einen vierten Drucksensor 122 auf. Zudem ist der Kühlmittelpumpe 108 ein fünfter Drucksensor 124 vorgeschaltet, welcher insbesondere am Eintritt 200 der Kühlmittelpumpe 108 positioniert ist. Stromab der Kühlmittelpumpe 108, mithin an ihrem Austritt 202 ist ein sechster Drucksensor 126 in den Kühlmittelkreislauf 102 integriert. Die von den Drucksensoren 116, 118, 120, 122, 124, 126 erfassten Druckwerte des Kühlmittels lassen sich in einem nicht näher dargestellten Steuergerät des Brennstoffzellensystems 100 auswerten. Dieses Steuergerät ist ausgestaltet, das Bypassventil 128 derart in Abhängigkeit des an einem der Eintritte erfassten Drucks zu steuern oder zu regeln, dass der am betreffenden Eintritt vorhandene Druck unterhalb eines Grenzdrucks gehalten ist, welcher vorzugsweise höchstens fünf bar beträgt. Ein anderer Grenzdruck ist in Abhängigkeit der Auslegung der einzelnen Bauteile des Brennstoffzellensystems 100 ebenfalls wählbar.
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Um das Bypassventil 128 durch Ansteuerung des Steuergeräts betätigen zu können, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Bypassventil 128 als ein mittels eines Servermotors betätigbares Drehschieberventil gebildet ist.
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Nachfolgend sei beispielhaft erläutert, wie das Bypassventil 128 gesteuert oder geregelt wird, um den am Eintritt 204 der Brennstoffzelle 106 erfassten Druck unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzdrucks zu halten. Hierzu wird auf 2 verwiesen, die die Druckverhältnisse innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 102 an den einzelnen in 1 dargestellten Positionen grafisch darstellt. Am Eintritt 200 der Kühlmittelpumpe 108 liegt in der Regel der niedrigste Druck (pmin) des Kühlmittelkreislaufs 102 vor. Die Kühlmittelpumpe 108 baut dabei einen Förderdruck auf, sodass stromab der Kühlmittelpumpe 108, mithin an ihrem Austritt 202 der höchste Druck (pmax) des Kühlmittelkreislaufes 102 vorliegt. Der höchste Druck (pmax) ist dabei in Abhängigkeit des niedrigsten Druckes (pmin) eingestellt, denn der von der Kühlmittelpumpe 108 ausgeübte Förderdruck ist (zumeist) konstant. Mit anderen Worten: Liegt ein sehr niedriger Druck am Eintritt 200 vor, so liegt auch ein niedrigerer Druck am Austritt 202 vor. Ist der Druck am Eintritt 200 höher, so erhöht sich auch der Druck am Austritt 202 in gleichem Maße. Der höchste Druck (pmax) ist also als Relativdruck bezüglich dem niedrigsten Druck (pmin) zu verstehen.
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In den Kühlmittelleitungen unterliegt das Kühlmittel einer Reibung an den Leitungswänden, wobei diverse Umlenkungen ebenfalls zu Druckverlusten führen können, die in den einzelnen Bauteilen des Brennstoffzellensystems 100 auftreten. Zwischen dem Austritt 202 der Kühlmittelpumpe 108 und dem Eintritt 204 der Brennstoffzelle 106 liegt nur ein geringer Druckverlust vor, wie sich aus 2 ergibt. Da das Kühlmittel in der Regel durch Kanäle in Bipolarplatten der Brennstoffzelle 106 geführt wird und häufig Umlenkungen unterliegt, ist hier ein starker Druckabfall des Kühlmittel zu verzeichnen, sodass der Druck am Austritt 206 der Brennstoffzelle 106 deutlich abgesenkt ist. Wird dabei der Kühlmittelstrom vollständig über den Kühler 104 geführt, so ist zu erkennen, dass zwischen dem Austritt 206 der Brennstoffzelle 106 und dem Eintritt 208 des Kühlers 104 aufgrund der Wandreibung ein geringer Druckverlust vorliegt. Da das Kühlmittel innerhalb des Kühlers 104 in der Regel mäanderförmig geführt ist und vielen Umlenkungen unterliegt, ist auch hier ein sehr starker Druckverlust zwischen dem Eintritt 208 und dem Austritt 210 des Kühlers 104 zu verzeichnen. Anhand der Grafik ist zu erkennen, dass der Druckverlust des durch den Kühler 104 strömenden Kühlmittels größer ist als der Druckverlust des durch die Brennstoffzelle 106 strömenden Kühlmittels. Dies führt dazu, dass ein Gradient des Druckes des Kühlmittelstroms über den den Kühler 104 umgehenden Primärkreislauf 112 des Kühlmittelkreislaufs 102 geringer ist als der Gradient des Druckes des Kühlmittelstroms über den den Kühler 104 einschließenden Sekundärkreislauf 114 des Kühlmittelkreislaufs 102. Diese Erkenntnis macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze und schließt diese mit ein, sodass der Druck am Eintritt 204 der Brennstoffzelle 106, dadurch gemindert werden kann, dass ein größerer Anteil des Kühlmittelstroms über den Sekundärkreislauf 114, d.h. durch den Kühler 104 geleitet wird. Durch eine geeignete Steuerung oder Regelung kann damit also der Druck am Eintritt 204 der Brennstoffzelle 106 unterhalb des Grenzdrucks gehalten werden. Sollte allerdings der Kühlmittelstrom vollständig über den Kühler 104 geleitet sein und der Druck am Eintritt 204 der Brennstoffzelle 106 noch immer auf dem oder oberhalb dem Grenzdruck liegen, so kann zusätzlich die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 108 gesenkt werden, um den Maximaldruck (pmax), mithin aufgrund des geringeren Förderdrucks abzusenken, um Bauteilschädigungen zu vermeiden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 zeichnen sich durch einen vereinfachten Aufbau aus, wobei zuverlässig Undichtigkeiten oder Beschädigungen der Bauteile vermieden werden. Insgesamt ist das Brennstoffzellensystem 100 mit einer geringeren Komplexität gestaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellensystem
- 102
- Kühlmittelkreislauf
- 104
- Kühler (Hauptwasserkühler)
- 106
- Brennstoffzelle
- 108
- Kühlmittelpumpe
- 110
- Bypassleitung
- 112
- Primärkreislauf (kleiner Kreislauf)
- 114
- Sekundärkreislauf (großer Kreislauf)
- 116
- erster Drucksensor
- 118
- zweiter Drucksensor
- 120
- dritter Drucksensor
- 122
- vierter Drucksensor
- 124
- fünfter Drucksensor
- 126
- sechster Drucksensor
- 128
- Bypassventil
- 200
- Position (Druck) vor Kühlmittelpumpe
- 202
- Position (Druck) nach Kühlmittelpumpe
- 204
- Position (Druck) am Eintritt der Brennstoffzelle
- 206
- Position (Druck) am Austritt der Brennstoffzelle
- 208
- Position (Druck) am Eintritt des Kühlers
- 210
- Position (Druck) am Austritt des Kühlers
- 212
- Position (Druck) vor Kühlmittelpumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0352896 A1 [0004]
- US 2004/0001985 A1 [0004]
