DE102020114746B4 - Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel (3) zusammengefassten Brennstoffzellen (2), zur Ermöglichung eines Neustartes unter Froststartbedingungen, umfassend die Schritte:- der Initiierung des Abstellvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung (1),- der Reduzierung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels (3) soweit, dass die durch die Mehrzahl der Brennstoffzellen (2) produzierte elektrische Leistung nur den Bedarf von Nebenverbrauchern abdeckt,- und einer Drosselung der Drehzahl einer Kühlmittelpumpe (17) auf ein Maß, dass eine Differenztemperatur zwischen dem Brennstoffzellenstapeleintritt und dem Brennstoffzellenstapelaustritt erhöht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, zur Ermöglichung eines Neustartes unter Froststartbedingungen, umfassend die Schritte:
    • - der Initiierung des Abstellvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung,
    • - der Reduzierung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels soweit, dass die durch die Mehrzahl der Brennstoffzellen produzierte elektrische Leistung nur den Bedarf von Nebenverbrauchern abgedeckt,
    • - und einer Drosselung der Drehzahl einer Kühlmittelpumpe auf ein Maß, dass eine Differenztemperatur zwischen dem Brennstoffzellenstapeleintritt und dem Brennstoffzellenstapelaustritt erhöht wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet.
  • Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen daher ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum Einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss.
  • Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Daher wird ein Befeuchter genutzt, der bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirkt, indem die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft an einer für Wasserdampf durchlässigen Befeuchtermembran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.
  • 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.
  • Problematisch ist weiterhin ein abgebrochener Warmlauf, wenn beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug im Kurzstreckenbetrieb nicht die optimale Betriebstemperatur erreicht wird, da unter diesen Bedingungen Wasser nur schwer aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden kann.
  • Ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung unter Froststartbedingungen offenbart die US 2011/0065012 A1 . Dabei wird trockenes Gas durch den Brennstoffzellenstapel geleitet, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen.
  • Ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung wird in der CN 210 092 225 U beschrieben, wobei für einen schnellen Neustart unter Froststartbedingungen Wärme in einem Phasenwechselspeicher gespeichert und von dort beim Abstellen über ein durch eine Kühlmittelpumpe umgewälztes Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel zurückgeführt wird.
  • Die US 2016/0372768 A1 offenbart ein Verfahren zur Maximierung der Wärmezufuhr durch eine gesteigerte Kühlmittelpumpenleistung, die durch eine Bypassleitung erreicht wird, sodass Wärme schneller zum Brennstoffzellenstapel transportieren kann.
  • Die JP 2009212045 A offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung, bei der die Gastemperatur am Brennstoffzellenstapeleintritt und am Brennstoffzellensaustritt erhöht wird, damit Flüssigwasser ausgetragen werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem verbesserten Wassermanagement bereitzustellen. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäße Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, zur Ermöglichung eines Neustartes unter Froststartbedingungen wird zunächst der Abstellvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung initiiert, woraufhin es zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels kommt, sodass die durch die Mehrzahl der Brennstoffzellen produzierte elektrische Leistung nur den Bedarf von Nebenverbrauchern abdeckt. Dies ist vorteilhaft, da so das Hochvolt-System keiner Belastung und keinem Verschleiß ausgesetzt ist und aufgrund der geringen elektrischen Leistung der Brennstoffverbrauch minimiert wird. Weiterhin wird die Drehzahl einer Kühlmittelpumpe derart gedrosselt, dass eine hohe Differenztemperatur zwischen dem Brennstoffzellenstapeleintritt und dem Brennstoffzellenstapelaustritt erreicht wird. Vorzugsweise wird dabei die Differenztemperatur maximiert. Dadurch werden die Gastemperaturen entlang des Brennstoffzellenstapels angehoben, wodurch Flüssigwasser besser über die Gasphase ausgetragen werden kann.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Nebenverbraucher aus einer Gruppe ausgewählt sind, die die Kühlmittelpumpe, einen Verdichter, einen Befeuchter, einen Wasserabscheider, mindestens ein Druckregelventil und ein Rezirkulationsgebläse umfasst.
  • Vorzugsweise wird der Befeuchter durch eine Befeuchter-Bypassleitung umgangen. So wird verhindert, dass unerwünschte, zusätzliche Feuchte in den Brennstoffzellenstapel eingetragen wird und weiterhin erzielt, dass die Luft eine höhere Feuchteaufnahmekapazität aufweist, wodurch der Brennstoffzellenstapel getrocknet wird.
  • Vorteilhaft ist es weiterhin, dass die Brennstoffzellenvorrichtung trocken konditioniert wird. So wird die Bildung von Eisblockaden in den Strömungskanälen verhindert. Daher muss die Brennstoffzellenvorrichtung vor dem Neustart nicht erst auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt werden, wodurch das Wassermanagement der Brennstoffzellenvorrichtung verbessert, die Fahrfreigabe beschleunigt und die Effizienz gesteigert wird.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine elektrische Entladung des Brennstoffzellenstapel erfolgt. Die elektrische Entladung erfolgt, indem verhindert wird, dass Reaktanten zugeführt werden, so dass eine Erhöhung einer Wasserstoffschutzzeit erfolgt.
  • Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahrens und für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
  • 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,
  • In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst.
  • Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen 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 2 dienen.
  • Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 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 (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
  • Sofern beim Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 Froststartbedingungen vorliegen, besteht die Gefahr, dass in dem durch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 2 gebildeten Brennstoffzellenstapel 3 Strömungskanäle zum Zuführen der Reaktanten durch Eis blockiert werden, wobei das Eis durch eine unzureichende Trocknung des Brennstoffzellenstapels 3 beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 oder durch Einfrieren des Produktwassers beim Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1 gebildet werden kann. Liegt anodenseitig eine Blockade vor, tritt eine Wasserstoffverarmung auf, die zu einer tiefen Umpolung führt, die durch Kohlenstoffkorrosion irreversible Schäden an der Membranelektrodenanordnung hervorruft.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefassten Brennstoffzellen 2 ermöglicht einen Neustart unter Froststartbedingungen, da beim Abstellen in vorteilhafter Weise der Wärmeeintrag in den Brennstoffzellenstapel 3 maximiert wird. Dabei wird zunächst der Abstellvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung 1 initiiert, der Wirkungsgrad derart reduziert, dass die durch die Mehrzahl der Brennstoffzellen 2 produzierte elektrische Leistung nur den Bedarf von Nebenverbrauchern abgedeckt. Weiterhin wird die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 17 gedrosselt, sodass die Differenztemperatur zwischen dem Brennstoffzellenstapeleintritt und dem Brennstoffzellenstapelaustritt erhöht beziehungsweise maximiert wird.
  • Die Nebenverbraucher sind aus einer Gruppe ausgewählt, die die Kühlmittelpumpe 17, einen Verdichter 18, einen Befeuchter 4, einen Wasserabscheider 20, mindestens ein Druckregelventil 8,19 und ein Rezirkulationsgebläse 15 umfasst.
  • Durch eine in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 angeordnete Befeuchter-Bypassleitung 6 mit einem Befeuchter-Bypassventil 7 wird der Befeuchter 4 umgangen. Dadurch wird die Luft nicht erst befeuchtet, um im Anschluss wieder getrocknet zu werden. Diese Bauweise trägt also dazu bei, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 1 trocken konditioniert wird. Durch das Trocknen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird die Bildung von Eisblockaden in den Versorgungskanälen verhindert und die Froststartfähigkeit verbessert.
  • Weiterhin ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel 3 elektrisch zu entladen. Die elektrische Entladung kann beispielsweise bewirkt werden, indem die Zufuhr der Reaktanten gestoppt und der gesamte Sauerstoff in der Brennstoffzelle verbraucht wird, gegebenenfalls indem der sauerstoffhaltige Reaktant rezirkuliert und dabei der Sauerstoff fortschreitend verbraucht wird.
  • Die verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist ein Steuergerät auf, das zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzelle
    3
    Brennstoffzellenstapel
    4
    Befeuchter
    5
    Ladeluftkühler
    6
    Befeuchter-Bypassleitung
    7
    Befeuchter-Bypassventil
    8
    Frischluftdosierventil
    9
    Frischluftleitung
    10
    Kathodenabgasleitung
    11
    Kathodenabgasventil
    12
    Brennstoffleitung
    13
    Brennstofftank
    14
    Rezirkulationsleitung
    15
    Rezirkulationsgebläse
    16
    Wärmetauscher
    17
    Kühlmittelpumpe
    18
    Verdichter
    19
    Brennstoffdosierventil
    20
    Wasserabscheider
    21
    Kühlmittelkreislauf

Claims (8)

  1. Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel (3) zusammengefassten Brennstoffzellen (2), zur Ermöglichung eines Neustartes unter Froststartbedingungen, umfassend die Schritte: - der Initiierung des Abstellvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung (1), - der Reduzierung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels (3) soweit, dass die durch die Mehrzahl der Brennstoffzellen (2) produzierte elektrische Leistung nur den Bedarf von Nebenverbrauchern abdeckt, - und einer Drosselung der Drehzahl einer Kühlmittelpumpe (17) auf ein Maß, dass eine Differenztemperatur zwischen dem Brennstoffzellenstapeleintritt und dem Brennstoffzellenstapelaustritt erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, dass die Differenztemperatur maximiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenverbraucher aus einer Gruppe ausgewählt sind, die die Kühlmittelpumpe (23), einen Verdichter (18), einen Befeuchter (4), einen Wasserabscheider (20), mindestens ein Druckregelventil (8,19) und ein Rezirkulationsgebläse (15) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (4) durch eine Befeuchter-Bypassleitung (6) umgangen wird.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) trocken konditioniert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Entladung des Brennstoffzellenstapels (3) erfolgt.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7.
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