DE102020106087A1 - Method for parking a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle assigned to a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem in einem Kühlmittelkreislauf (4) eingebundenen Hauptkühlmittelkühler (3), umfassend die Schritte:a) Prädiktive Bestimmung einer Fahrdauer bis zum Fahrtende (Y),b) Bei Erreichen einer vorgegebenen oder vorgebbaren Rest-Fahrdauer (11) Schließen eines Ventils (8) zum Bereitstellen eines einem Bypass (9) zum Kühlmittelkreislauf (4) zugeordneten Kühlmittelreservoirs, dem ein Zusatzkühlmittelkühler (10) zugeordnet ist,c) Abkühlen des im Kühlmittelreservoirs befindlichen Kühlmittels durch den Zusatzkühlmittelkühler (10) während der Rest-Fahrdauer (11),d) Bei Fahrtende (Y) Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung (1) und Öffnen des Ventils (8) zur Einbringung des Kühlmittels aus dem Kühlmittelreservoir (4) in den Kühlmittelkreislauf zur Kondensation der Feuchte in einer Brennstoffzelle,e) Austragen des Flüssigwassers aus der Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a method for switching off a fuel cell device (1) assigned to a motor vehicle with a main coolant cooler (3) integrated in a coolant circuit (4), comprising the steps: a) Predictive determination of a driving time until the end of the journey (Y), b) When it is reached a predetermined or predeterminable remaining driving time (11) closing a valve (8) to provide a coolant reservoir assigned to a bypass (9) to the coolant circuit (4), to which an additional coolant cooler (10) is assigned, c) cooling the coolant in the coolant reservoir by the additional coolant cooler (10) during the remaining driving time (11), d) At the end of the journey (Y) the fuel cell device (1) is switched off and the valve (8) is opened to introduce the coolant from the coolant reservoir (4) into the coolant circuit for condensation of the Humidity in a fuel cell, e) discharging the liquid water from the fuel cell. The invention also relates to a fuel cell device (1) and a motor vehicle with a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung mit einem in einem Kühlmittelkreislauf eingebundenen Hauptkühlmittelkühler, umfassend die Schritte:

  1. a) Prädiktive Bestimmung einer Fahrdauer bis zum Fahrtende,
  2. b) Bei Erreichen einer vorgegebenen oder vorgebbaren Rest-Fahrdauer Schließen eines Ventils zum Bereitstellen eines einem Bypass zum Kühlmittelkreislauf zugeordneten Kühlmittelreservoirs, dem ein Zusatzkühlmittelkühler zugeordnet ist,
  3. c) Abkühlen des im Kühlmittelreservoirs befindlichen Kühlmittels durch den Zusatzkühlmittelkühler während der Rest-Fahrdauer,
  4. d) Bei Fahrtende Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung und Öffnen des Ventils zur Einbringung des Kühlmittels aus dem Kühlmittelreservoir in den Kühlmittelkreislauf zur Kondensation der Feuchte in einer Brennstoff-zelle,
  5. e) Austragen des Flüssigwassers aus der Brennstoffzelle.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a method for shutting down a fuel cell device assigned to a motor vehicle with a main coolant cooler integrated in a coolant circuit, comprising the steps:
  1. a) Predictive determination of a driving time until the end of the journey,
  2. b) When a predetermined or predeterminable remaining driving time is reached, a valve is closed to provide a coolant reservoir assigned to a bypass to the coolant circuit, to which an additional coolant cooler is assigned,
  3. c) Cooling of the coolant in the coolant reservoir by the additional coolant cooler during the remaining driving time,
  4. d) At the end of the journey, the fuel cell device is switched off and the valve is opened to introduce the coolant from the coolant reservoir into the coolant circuit to condense the moisture in a fuel cell,
  5. e) Discharge of the liquid water from the fuel cell.
The invention further relates to a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellen werden für die Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion eingesetzt, bei der Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Dafür weisen Brennstoffzellen einen komplexen Aufbau auf mit einer Membranelektrodenanordnung, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist, wobei die Elektroden über Bipolarplatten mit den erforderlichen Reaktanten versorgt werden, wozu in dem Plattenkörper der Bipolarplatten Strömungskanäle ausgebildet sind. Um die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme abführen zu können, verfügen die Bipolarplatten weiterhin über Leitungen für ein Kühlmittel, das mittels einer Kühlmittelpumpe durch die Brennstoffzelle und einen Hauptkühlmittelkühler gepumpt wird, insbesondere wenn für einen erhöhten Leistungsbedarf, wie er bei der Verwendung von Brennstoffzellenvorrichtungen in einem Kraftfahrzeug üblich ist, mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammen gefasst sind.Fuel cells are used to generate electrical energy from an electrochemical reaction in which hydrogen reacts with oxygen in a controlled manner. For this purpose, fuel cells have a complex structure with a membrane electrode arrangement, on one side of which the anode is formed and on the other side of which the cathode is formed, the electrodes being supplied with the necessary reactants via bipolar plates, for which purpose flow channels are formed in the plate body of the bipolar plates. In order to be able to dissipate the heat generated in the fuel cell, the bipolar plates also have lines for a coolant, which is pumped through the fuel cell and a main coolant cooler by means of a coolant pump, especially if for an increased power requirement, as is the case when fuel cell devices are used in one Motor vehicle is common, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack.

Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die Membran der Membranelektrodenanordnung zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der Membran erforderlich. Deshalb wird der Brennstoff und/oder das Kathodengas befeuchtet, bevor sie dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, um eine Feuchtigkeitssättigung der Membran herbeizuführen. Problematisch ist es, wenn bei einem Start des Brennstoffzellensystems Frostbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen Wasser gefriert. Dies kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktantengase und das Produktwasser durch Eis blockiert sind. Um diesem Zustand vorzubeugen, ist es bekannt, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems den Brennstoffzellenstapel zu trocknen, also das Flüssigwasser auszutreiben, wozu bei Bedarf durch einen Verdichter länger Kathodengas über die Kathodenzuluftleitung in die Kathodenräume eingebracht wird. Nachteilig ist dabei, dass die Reduktion von Flüssigwasser bzw. relativer Feuchte innerhalb des Brennstoffzellenstapels nur langsam erfolgt und damit die Prozedur zum vollständigen Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung sehr lange dauern kann, insbesondere wenn dampfförmiges Wasser nur verzögert kondensiert.In order to ensure ionic conductivity for hydrogen protons through the membrane of the membrane electrode arrangement, the presence of water molecules in the membrane is necessary. The fuel and / or the cathode gas is therefore humidified before they are fed to the fuel cell stack in order to bring about a moisture saturation of the membrane. It is problematic if, when the fuel cell system is started, there are frost conditions, that is to say conditions in which water freezes. This can result in the necessary flow channels for the reactant gases and product water being blocked by ice. In order to prevent this condition, it is known to dry the fuel cell stack when the fuel cell system is switched off, i.e. to drive out the liquid water, for which purpose cathode gas is introduced into the cathode chambers for a longer period of time by a compressor via the cathode air supply line. The disadvantage here is that the reduction of liquid water or relative humidity within the fuel cell stack takes place only slowly and thus the procedure for completely shutting down the fuel cell device can take a very long time, especially if vaporous water only condenses with a delay.

In der DE 10 2008 063 088 B4 wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem Fahrzeug beschrieben, bei dem ein Steuergerät einen voraussichtlicher Fahrtendzeitpunkt bestimmt und eine Abschaltprozedur zeitlich so weit vor den Fahrtendzeitpunkt beginnt, dass mit dem voraussichtlichen Fahrtende die Abschaltprozedur durchlaufen ist. In the DE 10 2008 063 088 B4 describes a method for operating a fuel cell device in a vehicle, in which a control unit determines an anticipated end of journey time and a shutdown procedure begins so far before the end of the journey that the shutdown procedure is run through at the anticipated end of the journey.

Die DE 10 2012 016 976 A1 beschreibt auch das Problem, dass bei dem Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung bei der Betriebstemperatur dampfförmiges Wasser auskondensiert, und zwar ungerichtet in dem Bereich, der als erstes den Taupunkt unterschreitet. Es wird daher vorgeschlagen, einen Wärmetauscher aktiv durch die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges zu kühlen, um dort die Kondensation zu erzwingen. Die aktive Kühlung soll dabei nach dem Abstellen der Eduktgase, also während und/oder nach dem Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung selbst erfolgen, damit im Bereich des Wärmetauschers Wasserdampf kondensiert und Wasseransammlungen in kritischen Bereichen verhindert wird. Die DE 10 2014 217 780 A1 schlägt zur Reduktion eines Trocknungsbedarfes nach dem Abstellen eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung vor, das Fahrtende zu prognostizieren und den Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle zu verringern; auch die DE 10 2018 209 431 A1 nennt die Möglichkeit, den Feuchtegehalt einer in einem Kraftfahrzeug angeordneten Brennstoffzellenvorrichtung bei Annäherung an das Fahrtziel zu verringern, indem das Kathodengas mittels eines Bypass-Schaltglieds durch einen Bypass um einen Befeuchter herum zu den Kathodenräumen geführt wird.the DE 10 2012 016 976 A1 also describes the problem that when a fuel cell device is switched off, water in vapor form condenses out at the operating temperature, specifically in an undirected manner in the area which first falls below the dew point. It is therefore proposed that a heat exchanger be actively cooled by the air conditioning system of a motor vehicle in order to force condensation there. The active cooling should take place after the reactant gases have been switched off, ie during and / or after the fuel cell device itself has been switched off, so that water vapor condenses in the area of the heat exchanger and water accumulation is prevented in critical areas. the DE 10 2014 217 780 A1 proposes to reduce the need for drying after parking a motor vehicle with a fuel cell device, to predict the end of the journey and to reduce the target moisture content of the fuel cell; also the DE 10 2018 209 431 A1 mentions the possibility of reducing the moisture content of a fuel cell device arranged in a motor vehicle when approaching the destination by feeding the cathode gas by means of a bypass switching element through a bypass around a humidifier to the cathode chambers.

In der DE 10 2015 211 476 A1 wird bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung zur Verringerung der Leitfähigkeit einer Kühlflüssigkeit vorgeschlagen, einen Bypass zu einem Wärmetauscher während einer Phase zu durchströmen, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist und/oder zum Abstellen vorbereitet wird, wobei in dem Bypass ein Ionentauscher angeordnet ist.In the DE 10 2015 211 476 A1 is used in a motor vehicle with a fuel cell device to reduce the conductivity of a Cooling liquid proposed to flow through a bypass to a heat exchanger during a phase in which the motor vehicle is parked and / or is being prepared for being parked, an ion exchanger being arranged in the bypass.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Trocknen einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung nach deren Abschalten verkürzt werden kann. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a method with which the drying of a fuel cell of the fuel cell device can be shortened after it has been switched off. A further object is to provide an improved fuel cell device and an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1, by a fuel cell device with the features of claim 9 and by a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs geschilderte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während des Normalbetriebes der Brennstoffzellenvorrichtung der Kühlmittelkreislauf vollständig durchströmt wird, einschließlich des Bypasses, der über das geöffnete Ventil in die Durchströmung einbezogen ist. Ist nun erkennbar, dass durch Annäherung an das Fahrziel die restliche Fahrtdauer begrenzt ist und insbesondere eine Rest-Fahrdauer unterschreitet, wird das Ventil geschlossen und dadurch das im Bypass befindliche Kühlmittel als Kühlmittelreservoir von der Strömung in dem Kühlmittelkreislauf getrennt. Diese Kühlmittel wird dann durch den Zusatzkühlmittelkühler gekühlt, so dass nach dem Fahrtende und dem Öffnen des Ventils die Temperatur in dem Kühlmittelkreislauf schlagartig gesenkt werden kann und die Kondensation einsetzt, so dass das Flüssigwasser aus der Brennstoffzelle ausgetragen werden kann. Es liegen damit definierte Bedingungen für einen Neustart der Brennstoffzellenvorrichtung vor, die insbesondere bei einem Froststart die Probleme mit Verblockungen der Strömungskanäle vermeidet.The method described at the beginning is characterized in that, during normal operation of the fuel cell device, the coolant circuit is completely flowed through, including the bypass, which is included in the flow via the open valve. If it can now be seen that the remaining journey time is limited by approaching the destination and in particular falls short of a remaining journey time, the valve is closed and the coolant in the bypass is thereby separated as a coolant reservoir from the flow in the coolant circuit. This coolant is then cooled by the additional coolant cooler, so that after the end of the journey and the opening of the valve, the temperature in the coolant circuit can be suddenly reduced and condensation begins so that the liquid water can be discharged from the fuel cell. There are thus defined conditions for a restart of the fuel cell device, which avoid the problems with blockages of the flow channels, in particular in the case of a frost start.

Die Vorteile des Verfahrens zeigen sich damit insbesondere bei einem drohenden Froststart, so dass auch die Möglichkeit besteht, dass vor dem Schritt a), also vor der prädiktiven Bestimmung der Fahrdauer bis zum Fahrtende, eine prädiktive Bestimmung erfolgt, dass bei einem nachfolgenden Neustart die Möglichkeit eines Froststartes gegeben ist. Damit kann die Durchführung des Verfahrens und der damit verbundene Aufwand und Energieeinsatz eingespart werden, wenn kein Froststart droht. Die prädiktive Bestimmung kann dabei durch die Auswertung der Jahreszeit, einer Wettervorhersage, einer Höhen- oder Ortsangabe oder aktiv durch eine Nutzereingabe erfolgen.The advantages of the method are particularly evident in the event of an impending start of frost, so that there is also the possibility that before step a), i.e. before the predictive determination of the driving time until the end of the journey, a predictive determination is made that the possibility of a subsequent restart is made a frost start is given. In this way, the implementation of the method and the associated effort and energy use can be saved if there is no threat of a frost start. The predictive determination can take place by evaluating the season, a weather forecast, an altitude or location information or actively by a user input.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn im Schritt d), also beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung und beim Öffnen des Ventils des Bypasses, mit dem Öffnen des Ventils eine dem Kühlmittelkreislauf zugeordnete Kühlmittelpumpe mit einer erhöhten Leistung betrieben wird. Das Öffnen des Ventils bewirkt die erneute Einbindung des im Kühlmittelreservoirs zurück gehaltenen Kühlmittels in den Kühlmittelkreislauf, der dann insgesamt mit einem erhöhten Volumen betrieben wird. Um das abgekühlte Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir des Bypasses schnell in die Brennstoffzelle fördern zu können und die Kondensation zu initiieren, wird die Kühlmittelpumpe mit der erhöhten Leistung betrieben, wobei die dafür vorgesehenen Zeitdauer kurz bemessen sein kann aus einem Intervall zwischen 3 und 12 Sekunden.It is also advantageous if in step d), that is, when the fuel cell device is switched off and the valve of the bypass is opened, a coolant pump assigned to the coolant circuit is operated with increased power when the valve is opened. Opening the valve causes the coolant retained in the coolant reservoir to be reintegrated into the coolant circuit, which is then operated overall with an increased volume. In order to be able to deliver the cooled coolant from the coolant reservoir of the bypass quickly into the fuel cell and to initiate the condensation, the coolant pump is operated with the increased power, whereby the time provided for this can be short from an interval between 3 and 12 seconds.

Das Austragen des Kondensats wird begünstigt und die dafür erforderliche Zeitdauer verkürzt, wenn für den Schritt e), also dem Austragen des Flüssigwassers, ein einer Kathodenzuluftleitung zugeordneter Verdichter genutzt wird.The discharge of the condensate is promoted and the time required for this is shortened if a compressor assigned to a cathode air supply line is used for step e), that is to say the discharge of the liquid water.

Vorteilhaft ist auch, wenn ein stromab der Brennstoffzelle dem Kühlmittelkreislauf zugeordneter Temperatursensor genutzt wird, um das Durchströmen des dem Kühlmittelreservoir entstammenden Kühlmittels zu detektieren. Der Temperatursensor liefert damit nützliche Informationen, wann das Kühlmittel aus dem Bypass die Brennstoffzelle erreicht und durchströmt hat, wobei diese Information für das Schalten der Kühlmittelpumpe und des Verdichters genutzt werden kann.It is also advantageous if a temperature sensor assigned to the coolant circuit downstream of the fuel cell is used in order to detect the flow of the coolant originating from the coolant reservoir. The temperature sensor thus provides useful information as to when the coolant from the bypass has reached the fuel cell and has flowed through it, whereby this information can be used to switch the coolant pump and the compressor.

Bevorzugt ist es, wenn die Rest-Fahrdauer so bestimmt ist, dass die Temperatur in dem Kühlmittelreservoir bis auf die Umgebungstemperatur abgesenkt werden kann, also zumindest die Option besteht, dass ohne unvorhergesehene Einflüsse auf die Fahrtdauer die Umgebungstemperatur erreicht wird durch das Durchströmen des Zusatzkühlmittelkühlers mit dem Fahrtwind. Es wird also keine Energie für eine aktive Kühlung benötigt.It is preferred if the remaining driving time is determined in such a way that the temperature in the coolant reservoir can be reduced to the ambient temperature, i.e. at least the option exists that the ambient temperature is reached without unforeseen influences on the driving time by flowing through the additional coolant cooler the wind. So no energy is required for active cooling.

Die Genauigkeit bei der Bestimmung der Rest-Fahrdauer steigt, wenn die Daten eines Navigationssystems genutzt werden, um die Fahrtdauer bis zum Fahrtende sowie die zu erwartende Geschwindigkeit und/oder die zu erwartende Leistungsanforderung zu bestimmen und daraus die Rest-Fahrdauer abzuleiten. Die Leistungsanforderung beeinflusst dabei die Erwärmung des Kühlmittels, während die Geschwindigkeit über den Fahrtwind das Kühlungspotential beeinflusst.The accuracy in determining the remaining driving time increases if the data from a navigation system is used to determine the driving time to the end of the journey as well as the expected speed and / or the expected power requirement and to derive the remaining driving time from this. The power requirement influences the heating of the coolant, while the speed via the airstream influences the cooling potential.

Um auch bei kurzen Fahrstrecken das Verfahren nutzen zu können, also die Rest-Fahrdauer zu begrenzen, besteht die Möglichkeit, dass ein Lüfter zur Abkühlung des Kühlmittels in dem Kühlmittelreservoir genutzt wird.In order to be able to use the method even on short journeys, that is to say to limit the remaining travel time, there is the option of using a fan to cool the coolant in the coolant reservoir.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der in einen Kühlmittelkreislauf mit einem Hauptkühlmittelkühler eingebunden ist, wobei dem Kühlmittelkreislauf durch ein Ventil ein Bypass zu einem Kühlmittelreservoirs zuschaltbar ist, dem ein Zusatzkühlmittelkühler zugeordnet ist, insbesondere wenn einem Kraftfahrzeug die Brennstoffzellenvorrichtung zugeordnet ist, da dann bestimmungsgemäß für die Brennstoffzellenvorrichtung ein häufiger Ortswechsel vorgesehen ist mit der Möglichkeit, dass die Brennstoffzellenvorrichtung in dem Kraftfahrzeug an Orten abgestellt wird, bei denen die Möglichkeit von Froststartbedingungen bei einer erneuten Fahrtaufnahme gegeben sind.The above-mentioned advantages and effects also apply mutatis mutandis to a fuel cell device with a fuel cell stack having at least one fuel cell, which is integrated into a coolant circuit with a main coolant cooler, a bypass to a coolant reservoir being connected to the coolant circuit through a valve, to which an additional coolant cooler is assigned, in particular if the fuel cell device is assigned to a motor vehicle, since then, as intended, a frequent change of location is provided for the fuel cell device with the possibility that the fuel cell device is parked in the motor vehicle in places where there is the possibility of frost start conditions when starting again.

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.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

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 schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zu einem Kühlmittelreservoir führenden Bypass in einem Kühlmittelkreislauf,
  • 2 die zeitabhängige Darstellung des Temperaturverlaufs in dem Bypass nach dessen Füllen, und
  • 3 die zeitabhängige Darstellung des Temperaturverlaufs (unterer Graph) in dem Kühlmittelkreislauf nach dem Brennstoffzellenstapel (dünne Linie) und nach dem Hauptkühlmittelkühler (dicke Linie) sowie die zeitabhängige Darstellung des Volumenstromes (oberer Graph) in dem Kühlmittelkreislauf.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device with a bypass leading to a coolant reservoir in a coolant circuit,
  • 2 the time-dependent representation of the temperature profile in the bypass after it has been filled, and
  • 3 the time-dependent representation of the temperature profile (lower graph) in the coolant circuit after the fuel cell stack (thin line) and after the main coolant cooler (thick line) as well as the time-dependent representation of the volume flow (upper graph) in the coolant circuit.

In der 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 insbesondere eine Einrichtung zur Kühlung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst, nämlich einen Hauptkühlmittelkühler 3.In the 1 is of a fuel cell device 1 the part required to explain the invention is shown, wherein the fuel cell device 1 in particular a device for cooling a plurality of in a fuel cell stack 2 comprises combined fuel cells, namely a main coolant cooler 3 .

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.Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.

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 Membran 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 Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can be supplied with fuel (eg hydrogen) via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

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). 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 ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird.The cathode gas (eg oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake). Because in the fuel cell stack 2 several fuel cells are combined, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that a large cathode gas mass flow is provided by a compressor.

Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die Membran zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der Membran erforderlich. Deshalb wird der Brennstoff und/oder das Kathodengas befeuchtet, bevor sie der Brennstoffzelle zugeführt werden, um eine Feuchtigkeitssättigung der Membran herbeizuführen. Außerdem wird die Brennstoffzelle im Betrieb warm, so dass eine Kühlung der Brennstoffzelle erforderlich ist. Dazu ist ein Kühlmittelkreislauf 4 vorgesehen, in den neben dem Hauptkühlmittelkühler 3 auch eine Kühlmittelpumpe 5 eingebunden ist. Dem Kühlmittelkreislauf 4 kann auch ein Thermostat 6 sowie ein Temperatursensor 7 zugeordnet sein, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel stromab des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet ist.In order to ensure ionic conductivity for hydrogen protons through the membrane, the presence of water molecules in the membrane is necessary. The fuel and / or the cathode gas is therefore humidified before they are fed to the fuel cell in order to bring about a moisture saturation of the membrane. In addition, the fuel cell becomes warm during operation, so that cooling of the fuel cell is necessary. There is also a coolant circuit 4th provided in the next to the main coolant radiator 3 also a coolant pump 5 is involved. The coolant circuit 4th can also be a thermostat 6th as well as a temperature sensor 7th be assigned to the downstream of the fuel cell stack in the embodiment shown 2 is arranged.

Aufgrund des in dem Brennstoffzellenstapels 2 beim Betrieb vorliegenden und anfallenden Wassers entstehen Probleme bei einem Froststart, wenn nämlich durch gefrorenes Wasser Verblockungen von Strömungskanäle vorliegen. Zur Vermeidung dieser Probleme ist es bekannt, den Brennstoffzellenstapel 2 bei einem drohenden Froststart, wenn also prädiktiv durch die Auswertung der Jahreszeit, einer Wettervorhersage, einer Höhen- und/oder Ortsangabe oder aktiv durch eine Nutzereingabe ein Gefrieren des Wassers erwartet werden kann, eine Trocknung durchzuführen, bei der das im Brennstoffzellenstapel 2 vorliegende Wasser ausgeblasen wird. Dieses Ausblasen ist besonders effektiv, wenn kondensiertes Wasser vorliegt, so dass ein Verfahren zum Abstellen einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem in einem Kühlmittelkreislauf 4 eingebundenen Hauptkühlmittelkühler 3 vorgesehen ist, das die nachfolgenden Schritte umfasst:

  • Prädiktive Bestimmung einer Fahrdauer bis zum Fahrtende Y, so dass erkennbar ist, wann eine vorgegebene oder vorgebbare Rest-Fahrdauer 11 erreicht ist (Schnitt a)). Dann erfolgt das Schließen eines Ventils 8 zum Bereitstellen eines einem Bypass 9 zum Kühlmittelkreislauf 4 zugeordneten Kühlmittelreservoirs, dem mindestens ein Zusatzkühlmittelkühler 10 zugeordnet ist. Das im Kühlmittelreservoir befindliche Kühlmittel ist durch das geschlossene Ventil 8 nicht mehr in den Kühlmittelkreislauf 4 einbezogen, durchströmt also nicht mehr den Brennstoffzellenstapel 2 und wird dadurch nicht mehr mit Wärme beladen, so dass dessen Temperatur gegenüber dem restlichen Kühlmittel absinkt. Dies wird noch gefördert und beschleunigt durch den mindestens einen Zusatzkühlmittelkühler 10 in dem Bypass 9, der ein Abkühlen des im Kühlmittelreservoirs befindlichen Kühlmittels durch die Zusatzkühlmittelkühler 10 bewirkt während der Rest-Fahrdauer 11.
Because of that in the fuel cell stack 2 During operation of the water that is present and occurring, problems arise in the event of a frost start, namely when there are blockages of flow channels due to frozen water. To avoid these problems it is known to use the Fuel cell stack 2 in the event of an imminent start of frost, i.e. if the water can be expected to freeze predictively through the evaluation of the season, a weather forecast, an altitude and / or location or actively through a user input, drying can be carried out in the fuel cell stack 2 any water present is blown out. This blowing out is particularly effective when condensed water is present, so that a method for switching off a fuel cell device assigned to a motor vehicle 1 with one in a coolant circuit 4th integrated main coolant cooler 3 is provided, which includes the following steps:
  • Predictive determination of a driving time until the end of the journey Y so that it can be seen when a given or predefinable remaining driving time 11 is reached (section a)). Then a valve closes 8th to provide a bypass 9 to the coolant circuit 4th associated coolant reservoir, the at least one additional coolant cooler 10 assigned. The coolant in the coolant reservoir is through the closed valve 8th no longer in the coolant circuit 4th included, so no longer flows through the fuel cell stack 2 and is no longer loaded with heat, so that its temperature drops compared to the rest of the coolant. This is further promoted and accelerated by the at least one additional coolant cooler 10 in the bypass 9 , the cooling of the coolant located in the coolant reservoir by the additional coolant cooler 10 causes during the remaining driving time 11 .

Die Rest Fahrdauer 11 wird so bestimmt, dass die Temperatur T1 in dem Kühlmittelreservoir bis auf die Umgebungstemperatur T2 abgesenkt werden kann, also keine aktive, energiebedürftige Kühlung erfolgt, die gleichwohl zur Verkürzung der Kühlungsdauer möglich ist, indem ein Lüfter zur Abkühlung des Kühlmittels in dem Kühlmittelreservoir genutzt wird. Diese Zusammenhänge sind in 2 dargestellt mit dem Erreichen der benötigten Rest-Fahrdauer bei X, innerhalb der die Absenkung der Temperatur T1 des Kühlmittels in dem Bypass 9 durch den Zusatzkühlmittelkühler 10 erfolgt in Richtung der Umgebungstemperatur T2, deren Erreichen aber nicht zwingend ist, um die Vorteile des Verfahrens nutzen zu können.The rest of the driving time 11 is determined so that the temperature T1 in the coolant reservoir down to ambient temperature T2 can be lowered, so there is no active, energy-requiring cooling, which is nevertheless possible to shorten the cooling time by using a fan to cool the coolant in the coolant reservoir. These relationships are in 2 shown when the required remaining driving time is reached at X, within which the temperature drops T1 of the coolant in the bypass 9 through the additional coolant cooler 10 takes place in the direction of the ambient temperature T2 , but it is not necessary to achieve this in order to be able to use the advantages of the procedure.

Bei Fahrtende Y erfolgt das Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und das Öffnen des Ventils 8 zur Einbringung des Kühlmittels aus dem Kühlmittelreservoir in den Kühlmittelkreislauf 4. Dadurch erfolgt schlagartig ein Abkühlen des im Kühlmittelkreislauf 4 strömenden Kühlmittels, wie dies in 3 dargestellt ist für den Strömungspfad nach dem Hauptkühlmittelkühler 3 und nach dem Brennstoffzellenstapel 2 zur Kondensation der Feuchte in einer Brennstoffzelle. Das Einbringen des gekühlten Kühlmittels wird beschleunigt, indem mit dem Öffnen des Ventils 8 die dem Kühlmittelkreislauf 4 zugeordnete Kühlmittelpumpe 5 mit einer erhöhten Leistung betrieben wird, also das Kühlmittel aus dem Bypass 9 wieder auf die normale Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt wird. Danach kann die Kühlmittelpumpe 5 wieder mit reduzierter oder sinkender Leistung betrieben werden. Eine Kontrolle ist ermöglicht, wenn der stromab der Brennstoffzelle dem Kühlmittelkreislauf 4 zugeordnete Temperatursensor 7 genutzt wird, um das Durchströmen des dem Kühlmittelreservoir entstammenden Kühlmittels zu detektieren.At the end of the journey Y the fuel cell device is switched off 1 and opening the valve 8th for introducing the coolant from the coolant reservoir into the coolant circuit 4th . As a result, the coolant in the coolant circuit is suddenly cooled 4th flowing coolant, as shown in 3 is shown for the flow path after the main coolant cooler 3 and after the fuel cell stack 2 for condensation of moisture in a fuel cell. The introduction of the cooled coolant is accelerated by opening the valve 8th the coolant circuit 4th assigned coolant pump 5 is operated with increased power, i.e. the coolant from the bypass 9 is accelerated again to the normal flow rate. Then the coolant pump can 5 can be operated again with reduced or decreasing power. A control is made possible when the coolant circuit is connected to the downstream of the fuel cell 4th assigned temperature sensor 7th is used to detect the flow of the coolant originating from the coolant reservoir.

Sobald die Feuchte kondensiert ist, kann diese vereinfacht als Flüssigwasser aus der Brennstoffzelle beziehungsweise dem gesamten Brennstoffzellenstapel 2 ausgetragen werden, insbesondere indem für diesen Verfahrensschritt der der Kathodenzuluftleitung zugeordnete Verdichter genutzt wird, der in der Zeichnung selber nicht dargestellt ist.As soon as the moisture has condensed, it can be simplified as liquid water from the fuel cell or the entire fuel cell stack 2 are discharged, in particular by using the compressor assigned to the cathode supply air line for this method step, which compressor is not shown in the drawing itself.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens nutzt dabei für eine Feinsteuerung vor dem Schritt a) eine prädiktive Bestimmung, ob bei einem nachfolgenden Neustart die Möglichkeit eines Froststartes gegeben ist, also das Verfahren nur bedarfsgerichtet durchgeführt wird. Auch besteht die Möglichkeit, dass die Daten eines Navigationssystems genutzt werden, um die Fahrtdauer bis zum Fahrtende Y sowie die zu erwartende Geschwindigkeit und/oder die zu erwartende Leistungsanforderung zu bestimmen und daraus die Rest-Fahrdauer 11 abzuleiten, so dass der Zeitpunkt X aus 2 mit weniger Unsicherheit bestimmt werden kann.A further refinement of the method uses a predictive determination for fine control before step a) as to whether there is the possibility of a frost start during a subsequent restart, that is to say whether the method is only carried out as required. There is also the possibility that the data from a navigation system can be used to determine the duration of the journey until the end of the journey Y as well as to determine the expected speed and / or the expected power requirement and from this the remaining driving time 11 derive so that the point in time X is off 2 can be determined with less uncertainty.

Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Brennstoffzellenvorrichtung 1 benötigt neben dem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel 2, der in einen Kühlmittelkreislauf 4 mit einem Hauptkühlmittelkühler 3 eingebunden ist, zusätzlich lediglich ein dem Kühlmittelkreislauf 4 zugewiesenes Ventil 8 für die Trennung eines Bypass 9 mit einem Kühlmittelreservoir, dem ein Zusatzkühlmittelkühler 10 zugeordnet ist. Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann daher einfach in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.The fuel cell device suitable for carrying out the method 1 required in addition to the fuel cell stack having at least one fuel cell 2 in a coolant circuit 4th with a main coolant cooler 3 is integrated, in addition, only the coolant circuit 4th assigned valve 8th for the separation of a bypass 9 with a coolant reservoir to which an additional coolant cooler 10 assigned. This fuel cell device 1 can therefore be easily used in an automobile.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
HauptkühlmittelkühlerMain coolant cooler
44th
KühlmittelkreislaufCoolant circuit
55
KühlmittelpumpeCoolant pump
66th
Thermostatthermostat
77th
TemperatursensorTemperature sensor
88th
VentilsValve
99
Bypassbypass
1010
ZusatzkühlmittelkühlerAuxiliary coolant cooler
1111
Rest-FahrdauerRemaining driving time
T1T1
Temperatur Kühlmittel im BypassCoolant temperature in the bypass
T2T2
UmgebungstemperaturAmbient temperature
YY
FahrendeTravelers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • DE 102015211476 A1 [0006]DE 102015211476 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zum Abstellen einer einem Kraftfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem in einem Kühlmittelkreislauf (4) eingebundenen Hauptkühlmittelkühler (3), umfassend die Schritte: a) Prädiktive Bestimmung einer Fahrdauer bis zum Fahrtende (Y), b) Bei Erreichen einer vorgegebenen oder vorgebbaren RestFahrdauer (11) Schließen eines Ventils (8) zum Bereitstellen eines einem Bypass (9) zum Kühlmittelkreislauf (4) zugeordneten Kühlmittelreservoirs, dem ein Zusatzkühlmittelkühler (10) zugeordnet ist, c) Abkühlen des im Kühlmittelreservoirs befindlichen Kühlmittels durch den Zusatzkühlmittelkühler (10) während der Rest-Fahrdauer (11), d) Bei Fahrtende (Y) Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung (1) und Öffnen des Ventils (8) zur Einbringung des Kühlmittels aus dem Kühlmittelreservoir in den Kühlmittelkreislauf (4) zur Kondensation der Feuchte in einer Brennstoffzelle, e) Austragen des Flüssigwassers aus der Brennstoffzelle.A method for shutting down a fuel cell device (1) assigned to a motor vehicle with a main coolant cooler (3) integrated in a coolant circuit (4), comprising the steps of: a) Predictive determination of a journey time to the end of the journey (Y), b) When a predetermined or predeterminable remaining driving time (11) is reached, a valve (8) is closed to provide a coolant reservoir assigned to a bypass (9) to the coolant circuit (4), to which an additional coolant cooler (10) is assigned, c) cooling of the coolant located in the coolant reservoir by the additional coolant cooler (10) during the remaining driving time (11), d) At the end of the journey (Y) the fuel cell device (1) is switched off and the valve (8) is opened to introduce the coolant from the coolant reservoir into the coolant circuit (4) to condense the moisture in a fuel cell, e) Discharge of the liquid water from the fuel cell. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt a) eine prädiktive Bestimmung erfolgt, dass bei einem nachfolgenden Neustart die Möglichkeit eines Froststartes gegeben ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a predictive determination is made before step a) that there is the possibility of a frost start in the event of a subsequent restart. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt d) mit dem Öffnen des Ventils (8) eine dem Kühlmittelkreislauf (4) zugeordnete Kühlmittelpumpe (5) mit einer erhöhten Leistung betrieben wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that in step d) with the opening of the valve (8) a coolant pump (5) assigned to the coolant circuit (4) is operated with increased power. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Schritt e) ein einer Kathodenzuluftleitung zugeordneter Verdichter genutzt wird.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that a compressor assigned to a cathode air supply line is used for step e). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromab der Brennstoffzelle dem Kühlmittelkreislauf (4) zugeordneter Temperatursensor (7) genutzt wird, um das Durchströmen des dem Kühlmittelreservoir entstammenden Kühlmittels zu detektieren.Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that a temperature sensor (7) assigned to the coolant circuit (4) downstream of the fuel cell is used to detect the flow of the coolant from the coolant reservoir. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rest-Fahrdauer (11) so bestimmt ist, dass die Temperatur (T1) in dem Kühlmittelreservoir bis auf die Umgebungstemperatur (T2) abgesenkt werden kann.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the remaining driving time (11) is determined so that the temperature (T1) in the coolant reservoir can be lowered to the ambient temperature (T2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten eines Navigationssystems genutzt werden, um die Fahrtdauer bis zum Fahrtende (Y) sowie die zu erwartende Geschwindigkeit und/oder die zu erwartende Leistungsanforderung zu bestimmen und daraus die Rest-Fahrdauer (11) abzuleiten.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the data of a navigation system are used to determine the duration of the journey to the end of the journey (Y) as well as the expected speed and / or the expected performance requirement and to derive the remaining driving time (11) therefrom. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lüfter zur Abkühlung des Kühlmittels in dem Kühlmittelreservoir genutzt wird.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that a fan is used to cool the coolant in the coolant reservoir. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der in einen Kühlmittelkreislauf (4) mit einem Hauptkühlmittelkühler (3) eingebunden ist, wobei dem Kühlmittelkreislauf (4) durch ein Ventil (8) ein Bypass (9) zu einem Kühlmittelreservoirs zuschaltbar ist, dem ein Zusatzkühlmittelkühler (10) zugeordnet ist.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) which has at least one fuel cell and which is integrated into a coolant circuit (4) with a main coolant cooler (3), the coolant circuit (4) being a bypass (9) to a valve (8) Coolant reservoir can be switched on, to which an additional coolant cooler (10) is assigned. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to Claim 9 .
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