DE102020115672A1 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die einen in einen Kühlmittelkreislauf (5) eingebundenen Brennstoffzellenstapel (2) mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, umfassend die Schritte:
a) Erfassen des Kühlmittelstands mittels mindestens einem Levelsensor (9),
b) Bewerten, ob der Kühlmittelstand ausreichend ist,
c) für den Fall, dass der Kühlmittelstand unzureichend ist, Entnahme von Wasser aus einem Wasserabscheider (11) und Auffüllen des Kühlmittelkreislaufs (5), und
d) Erfassen von Eigenschaften des Kühlmittels, wobei daraus abgeleitet wird, wieviel Wasser aus dem Wasserabscheider (11) bis zum Überschreitung einer unzulässigen Verdünnung eines Frostschutzmittels zugeführt werden darf.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Figure DE102020115672A1_0000
The invention relates to a method for operating a fuel cell device (1) which has a fuel cell stack (2) which is integrated into a coolant circuit (5) and has at least one fuel cell, comprising the steps of:
a) Detecting the coolant level by means of at least one level sensor (9),
b) Assess whether the coolant level is sufficient,
c) in the event that the coolant level is insufficient, removing water from a water separator (11) and filling the coolant circuit (5), and
d) Detecting properties of the coolant, from which it is derived how much water may be fed from the water separator (11) until an inadmissible dilution of an antifreeze agent is exceeded.
The invention also relates to a fuel cell device (1) and a fuel cell vehicle.
Figure DE102020115672A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen in einen Kühlmittelkreislauf eingebundenen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, umfassend die Schritte:

  1. a) Erfassen des Kühlmittelstands mittels mindestens einem Levelsensor,
  2. b) Bewerten, ob der Kühlmittelstand ausreichend ist,
  3. c) für den Fall, dass der Kühlmittelstand unzureichend ist, Entnahme von Wasser aus einem Wasserabscheider und Auffüllen des Kühlmittelkreislaufs, und
  4. d) Erfassen von Eigenschaften des Kühlmittels, wobei daraus abgeleitet wird, wieviel Wasser aus dem Wasserabscheider bis zum Überschreitung einer unzulässigen Verdünnung eines Frostschutzmittels zugeführt werden darf.
The invention relates to a method for operating a fuel cell device which has a fuel cell stack that is integrated into a coolant circuit and has at least one fuel cell, comprising the steps:
  1. a) Detecting the coolant level by means of at least one level sensor,
  2. b) Assess whether the coolant level is sufficient,
  3. c) in the event that the coolant level is insufficient, drawing water from a water separator and topping up the coolant circuit, and
  4. d) Detecting the properties of the coolant, from which it is derived how much water may be supplied from the water separator until an inadmissible dilution of an antifreeze agent is exceeded.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.The invention also relates to a fuel cell device and a fuel cell vehicle.

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 Membranelektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. 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 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. Wasser fällt auch anodenseitig an, das in einem Wasserabscheider gesammelt und bedarfsweise an einen kathodenseitigen Befeuchter oder durch einen Purge abgegeben werden kann.Fuel cell devices are used to chemically convert a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode unit as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The H + protons are transported from the anode compartment into the cathode compartment via the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water. Water also accumulates on the anode side, which is collected in a water separator and, if necessary, can be given off to a humidifier on the cathode side or by means of a purge.

Für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzellen ist neben der relativen Feuchte der den Protonentransport bewirkenden Membranen auch deren Temperatur bedeutsam, so dass Brennstoffzellen unter zu niedrigen oder unter zu hohen Temperaturen Leistungseinbußen aufzeigen. Aus diesem Grund ist es bekannt, den Brennstoffzellenstapel in einen Kühlmittelkreislauf einzubinden, womit die bei der Brennstoffzellenreaktion entstehende Abwärme abtransportiert und an andere Konstituenten der Brennstoffzellenvorrichtung oder an die Umgebung abgegeben wird. Beim Einsatz der Brennstoffzellenvorrichtung in Kraftfahrzeugen (PKW/LKW) nimmt die Temperaturregelung eine wesentlich bedeutendere Rolle ein als dies für konventionelle mit einem Verbrennungsmotor ausgestattete Fahrzeuge der Fall ist. Die Temperaturregelung bei solchen Brennstoffzellenfahrzeugen hat direkte Auswirkung auf die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung und auf den Verbrauch von Brennstoff. Dabei ist zu beachten, dass zur Stromerzeugung genutzte Brennstoffzellenstapel hohen elektrischen Spannungen ausgesetzt sind und daher eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels nicht überschritten werden darf. Da aber während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Ionen in das Kühlmittel eingetragen werden, sind die Wartungsintervalle für den Kühlmittelkreislauf und dort insbesondere für das Kühlmittel relativ kurz, so dass relativ häufig ein Werkstattaufenthalt erforderlich ist im Vergleich zu Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren oder zu anderen Konstituenten von Brennstoffzellenfahrzeugen.For efficient operation of the fuel cells, in addition to the relative humidity of the membranes causing the proton transport, their temperature is also important, so that fuel cells show performance losses at temperatures that are too low or too high. For this reason, it is known to integrate the fuel cell stack into a coolant circuit, with which the waste heat generated during the fuel cell reaction is transported away and given off to other constituents of the fuel cell device or to the environment. When the fuel cell device is used in motor vehicles (cars / trucks), temperature control plays a much more important role than is the case for conventional vehicles equipped with an internal combustion engine. The temperature control in such fuel cell vehicles has a direct effect on the service life of the fuel cell device and on the consumption of fuel. It should be noted that fuel cell stacks used to generate electricity are exposed to high electrical voltages and therefore a certain electrical conductivity of the coolant must not be exceeded. However, since ions are introduced into the coolant during operation of the fuel cell stack, the maintenance intervals for the coolant circuit and there in particular for the coolant are relatively short, so that a visit to the workshop is required relatively often compared to vehicles with conventional internal combustion engines or other constituents of fuel cell vehicles .

In der DE 10 2016 203 466 A1 wird beschrieben, wie bei einer Brennstoffzellenvorrichtung eine Sensierung eines Kühlmittelfüllstandes in einem Ausgleichsbehälter mittels eines elektrischen Leitfähigkeitswertes erfolgt.In the DE 10 2016 203 466 A1 describes how, in a fuel cell device, a coolant fill level is sensed in an expansion tank by means of an electrical conductivity value.

Die KR 101567237 B1 beschreibt die Detektion eines Kühlmittelmangels unter Nutzung eines ersten, zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Hauptwasserkühler angeordneten Drucksensors, eines Füllstandsensors sowie eines zweiten Drucksensors für den Kühlmitteldruck. In der DE 10 2012 216 237 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen des Kühlmittelstandes in einem Wärmemanagementsystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs offenbart, welche einen Kühlmittelmangel durch einen Drucksensor erfassen können, wobei ein Behälter zum Auffüllen des Kühlmittels mit einem oberen Ende eines Kühlers verbunden ist. Der Drucksensor misst den Fließdruck des Kühlmittels in Echtzeit und eine Steuerung wertet aufgrund einer Änderung des Steigungswertes und einer Änderung der Amplitude des Fließdrucks aus, ob das Kühlmittel unzureichend ist.the KR 101567237 B1 describes the detection of a lack of coolant using a first pressure sensor arranged between the fuel cell stack and the main water cooler, a level sensor and a second pressure sensor for the coolant pressure. In the DE 10 2012 216 237 A1 A device and a method for detecting the coolant level in a thermal management system of a fuel cell vehicle are disclosed, which can detect a coolant shortage by means of a pressure sensor, wherein a container for filling up the coolant is connected to an upper end of a radiator. The pressure sensor measures the flow pressure of the coolant in real time and a control system evaluates whether the coolant is insufficient on the basis of a change in the gradient value and a change in the amplitude of the flow pressure.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem die Nutzerfreundlichkeit von Brennstoffzellenvorrichtungen, insbesondere von Brennstoffzellenfahrzeugen gesteigert werden kann. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Brennstoffzellenfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a method with which the user-friendliness of fuel cell devices, in particular of fuel cell vehicles can be increased. A further object is to provide an improved fuel cell device and an improved fuel cell vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 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 6 and by a fuel cell vehicle with the features of claim 9. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ausgenutzt wird, dass im Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung Wasser anfällt, das bereits routinemäßig gesammelt und für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt wird. Durch das Verfahren wird eine weitere Nutzungsmöglichkeit aufgezeigt, bei der das gesammelte Wasser dem Kühlmittelkreislauf als Ersatz für verloren gegangenes Kühlmittel zugeführt wird, so dass die Wartungsintervalle diesbezüglich verlängert sind. Zu beachten ist auch, dass das anfallende Wasser nicht oder nur geringfügig mit Ionen kontaminiert ist und sich so eine besondere Eignung für die Nutzung in dem Kühlmittelkreislauf ergibt. Außerdem werden dabei Eigenschaften des Kühlmittels erfasst werden und es wird daraus abgeleitet, wieviel Wasser aus dem Wasserabscheider bis zum Überschreitung einer unzulässigen Verdünnung eines Frostschutzmittels zugeführt werden darf. Brennstoffzellenvorrichtungen können, insbesondere wenn sie in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt werden, variierenden Umweltbedingungen ausgesetzt sein, die auch Temperaturen einschließen, bei denen Wasser gefriert, so dass dem Kühlmittel ein Frostschutzmittel in geeigneter Konzentration zugesetzt ist, insbesondere Glykol oder Ethylen-Glykol. Bei dem Verfahren wird also darauf geachtet, dass die Frostschutzeignung erhalten bleibt. Dafür wird ausgenutzt, dass dich Kühlmitteldaten in Abhängigkeit des Anteils des Frostschutzmittels, insbesondere des Glykols ändern. Es kann also eine kontinuierliche Bewertung vorgenommen werden, ob innerhalb des Kühlmittelkreislaufs alles in Ordnung ist.The method mentioned at the outset is characterized in that it takes advantage of the fact that water accumulates during operation of a fuel cell device, which water is already routinely collected and used for operating the fuel cell device. The method shows another possible use in which the collected water is fed to the coolant circuit as a replacement for lost coolant, so that the maintenance intervals are extended in this regard. It should also be noted that the water produced is not or only slightly contaminated with ions, which makes it particularly suitable for use in the coolant circuit. In addition, the properties of the coolant are recorded and it is derived from this how much water may be fed from the water separator until an inadmissible dilution of an antifreeze agent is exceeded. Fuel cell devices, especially when used in fuel cell vehicles, can be exposed to varying environmental conditions, including temperatures at which water freezes, so that an antifreeze agent in a suitable concentration is added to the coolant, in particular glycol or ethylene glycol. In the process, care is therefore taken to ensure that the frost protection is retained. This takes advantage of the fact that coolant data change depending on the proportion of antifreeze, in particular the glycol. A continuous assessment can therefore be made as to whether everything is in order within the coolant circuit.

Vorgesehen ist weiterhin, dass die Temperatur des Kühlmittels stromauf und stromab des Brennstoffzellenstapels gemessen und aus der Temperaturdifferenz die Wärmekapazität des Kühlmittels bestimmt wird zur Angabe einer Kühlm ittelkonzentration.It is also provided that the temperature of the coolant is measured upstream and downstream of the fuel cell stack and the heat capacity of the coolant is determined from the temperature difference in order to specify a coolant concentration.

Alternativ oder auch ergänzend besteht auch die Möglichkeit, dass der Druck in dem Kühlmittel an mindestens zwei Positionen des Kühlmittelkreislauf gemessen und/oder die Leistungsaufnahme einer Kühlmittelpumpe erfasst und daraus die Viskosität des Kühlmittels bestimmt wird zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration.Alternatively or additionally, there is also the possibility that the pressure in the coolant is measured at at least two positions in the coolant circuit and / or the power consumption of a coolant pump is recorded and the viscosity of the coolant is determined from this to indicate a coolant concentration.

Wiederum alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, dass die Leitfähigkeit des Kühlmittels bestimmt wird zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration. Insbesondere durch die Kombination dieser drei Möglichkeiten lässt sich der Anteil des Frostschutzmittels in der Kühlflüssigkeit mit hoher Genauigkeit bestimmen, wobei die vorstehend genannten Messungen nicht nur nach der Einspeisung von Wasser durchgeführt werden können, sondern auch kontinuierlich oder getaktet während des laufenden Betriebs.Again, as an alternative or in addition, there is the possibility that the conductivity of the coolant is determined in order to specify a coolant concentration. In particular, by combining these three options, the proportion of antifreeze in the coolant can be determined with high accuracy, with the aforementioned measurements not only being able to be carried out after water has been fed in, but also continuously or in a timed manner during operation.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn anhand von GPS-Daten der Ort und die Jahreszeit bestimmt wird, und dass für den Sommer eine höhere Verdünnung des Frostschutzmittels zugelassen wird und/oder für den Winter aus einem Vorratsbehälter das Frostschutzmittel nachdosiert wird. Dies bietet wiederum der Vorteil erhöhter Wartungsintervalle, wobei anhand der Messdaten auch eine Abschätzung des Wechselintervalls für das Kühlmittel angegeben werden kann.It is also advantageous if the location and the season are determined on the basis of GPS data, and that a higher dilution of the antifreeze is permitted for the summer and / or the antifreeze is replenished from a storage container for the winter. This in turn offers the advantage of increased maintenance intervals, with the measurement data also being able to provide an estimate of the change interval for the coolant.

Bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem in einen Kühlmittelkreislauf eingebundenen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Brennstoffzelle, mit einem Levelsensor zur Erfassung des Füllstandes von Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf und mit einer ein Ventil aufweisenden Strömungsverbindung zwischen dem Kühlmittelkreislauf und einem dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Wasserabscheider besteht die Möglichkeit, das in dem Wasserabscheider gesammelte Wasser zur Verlängerung des auf das Kühlmittel bezogene Wartungsintervall zu nutzen.In a fuel cell device with a fuel cell stack integrated into a coolant circuit with at least one fuel cell, with a level sensor for detecting the level of coolant in a coolant circuit and with a flow connection having a valve between the coolant circuit and a water separator assigned to the fuel cell stack, there is the possibility of using the Water separator to use collected water to extend the maintenance interval related to the coolant.

Wenn dem Kühlmittelkreislauf mindestens zwei Drucksensoren und/oder mindestens zwei Temperatursensoren zugeordnet sind, die mit einem Steuergerät zur Datenauswertung und Bestimmung von mindestens einer Eigenschaft des Kühlmittels verbunden sind, dann kann die Qualität des Kühlmittels und dessen Eignung für einen fortgesetzten Betrieb in einfacher Weise überwacht werden.If the coolant circuit is assigned at least two pressure sensors and / or at least two temperature sensors that are connected to a control unit for data evaluation and determination of at least one property of the coolant, then the quality of the coolant and its suitability for continued operation can be monitored in a simple manner .

Dazu sind ein Navigationsgerät und ein Vorratsbehälter für ein Frostschutzmittel vorgesehen. Die Bereitstellung eines Vorratsbehälters für das Frostschutzmittel eröffnet auch die Möglichkeit, gealtertes Kühlmittel gezielt und gegebenenfalls vollständig abzulassen und neues Kühlmittel einzufüllen.A navigation device and a storage tank for an antifreeze are provided for this purpose. The provision of a storage container for the antifreeze also opens up the possibility of draining aged coolant in a targeted manner and, if necessary, completely and filling in new coolant.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung, die zur Ausführung der vorstehend genannten Verfahren geeignet ist.The above-mentioned advantages and effects also apply mutatis mutandis to a fuel cell vehicle with such a fuel cell device which is suitable for carrying out the above-mentioned method.

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 on their own in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, 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 des zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung mit Kennzeichnung des Abgreifens von Kühlmitteldaten,
  • 2 eine temperaturabhängige Darstellung der Dichte des Kühlmittels für unterschiedliche Glykolanteile,
  • 3 eine temperaturabhängige Darstellung der Wärmekapazität des Kühlmittels für unterschiedliche Glykolanteile, und
  • 4 eine Darstellung der gemeinsamen Betrachtung von Kühlmitteldaten zur Bestimmung des Glykolanteils.
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 the part of a fuel cell device required to explain the invention with identification of the tapping of coolant data,
  • 2 a temperature-dependent representation of the density of the coolant for different glycol proportions,
  • 3 a temperature-dependent representation of the heat capacity of the coolant for different glycol proportions, and
  • 4th a representation of the joint consideration of coolant data to determine the glycol content.

In 1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist Teil eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenfahrzeugs.In 1 is a fuel cell device 1 shown. The fuel cell device 1 includes a fuel cell stack 2 comprising a plurality of fuel cells connected in series. The fuel cell device 1 is part of a fuel cell vehicle not shown in detail.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige, insbesondere 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 and a cathode as well as an ion-conductive, in particular 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 Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (z.B. Wasserstoff) aus einem Gasdruckspeicher über eine Anodenzufuhrleitung 3 zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende 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.Via anode compartments within the fuel cell stack 2 the anode is supplied with fuel (e.g. hydrogen) from a gas pressure accumulator via an anode feed line 3 fed. 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 (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e-). The following 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 Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) über eine Kathodenzufuhrleitung 4 zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Via cathode compartments within the fuel cell stack 2 can supply cathode gas (e.g. oxygen or air containing oxygen) to the cathode via a cathode supply line 4th are supplied so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Kühlmittelkreislauf 5 mit einem Kühler 6 zur Temperierung des Brennstoffzellenstapels 2. Zur Regelung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und dabei insbesondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme wird durch den Kühler 6 sichergestellt, dass die Kühlmitteltemperatur am Zulauf 7 des Brennstoffzellenstapels 2 den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren des Brennstoffzellenstapels 2 erwärmt, so dass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt, welches aufgrund der von einer Kühlmittelpumpe 8 bewirkten Zirkulation des Kühlmittels im Kühler 6 wieder heruntergekühlt wird.The fuel cell device 1 further comprises a coolant circuit 5 with a cooler 6th for temperature control of the fuel cell stack 2 . For regulating the temperature of the fuel cell stack 2 and in particular to dissipate the heat generated during the electrochemical reaction through the cooler 6th ensures that the coolant temperature at the inlet 7th of the fuel cell stack 2 has the desired value. The coolant is when traversing the fuel cell stack 2 heated, so that there is a temperature increase for the coolant, which due to the by a coolant pump 8th caused the coolant to circulate in the radiator 6th is cooled down again.

Da bei der gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem in einen Kühlmittelkreislauf 5 eingebundenen Brennstoffzellenstapel 2 ein Levelsensor 9 zur Erfassung des Füllstandes von Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 5 vorgesehen ist und eine ein Ventil aufweisende Strömungsverbindung 10 vorliegt zwischen dem Kühlmittelkreislauf 5 und einem dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeordneten Wasserabscheider 11, kann das im Wasserabscheider 11 gesammelte Wasser genutzt werden, um fehlendes Kühlmittel zu ersetzen.As in the fuel cell device shown 1 with one in a coolant circuit 5 integrated fuel cell stack 2 a level sensor 9 for detecting the level of coolant in the coolant circuit 5 is provided and a flow connection having a valve 10 exists between the coolant circuit 5 and one of the fuel cell stack 2 assigned water separator 11th , can do that in the water separator 11th Collected water can be used to replace missing coolant.

Dem Kühlmittelkreislauf 5 sind mindestens zwei Drucksensoren 12, 13 und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1 mindestens zwei Temperatursensoren 14, 15 zugeordnet, die mit einem Steuergerät zur Datenauswertung und Bestimmung von mindestens einer Eigenschaft des Kühlmittels verbunden sind. Diese Eigenschaften sind zum einen die Dichte und zum anderen die Wärmekapazität, da anhand dieser Eigenschaften auf den Anteil eines Frostschutzmittels in dem Kühlmittel geschlossen werden kann, wie dies in der 2 für Glykol bezüglich der Dichte und in 3 für Glykol bezüglich der Wärmekapazität für zwei unterschiedliche Glykolanteile gezeigt ist.The coolant circuit 5 are at least two pressure sensors 12th , 13th and in the embodiment shown according to 1 at least two temperature sensors 14th , 15th assigned, which are connected to a control device for data evaluation and determination of at least one property of the coolant. These properties are, on the one hand, the density and, on the other hand, the heat capacity, since these properties can be used to determine the proportion of antifreeze in the coolant, as shown in the 2 for glycol in terms of density and in 3 for glycol is shown with respect to the heat capacity for two different glycol fractions.

Bei dieser Konfiguration ist die Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 möglich, umfassend die Schritte:

  1. a) Erfassen des Kühlmittelstands mittels mindestens einem Levelsensor 9,
  2. b) Bewerten, ob der Kühlmittelstand ausreichend ist, und
  3. c) für den Fall, dass der Kühlmittelstand unzureichend ist, Entnahme von Wasser aus einem Wasserabscheider 11 und Auffüllen des Kühlmittelkreislaufs 5,
wobei anhand der erfassten Eigenschaften des Kühlmittels abgeleitet wird, wieviel Wasser aus dem Wasserabscheider 11 bis zum Überschreitung einer unzulässigen Verdünnung des Frostschutzmittels zugeführt werden darf.In this configuration, a method of operating a fuel cell device is performed 1 possible, comprising the steps:
  1. a) Detecting the coolant level by means of at least one level sensor 9 ,
  2. b) Assess whether the coolant level is sufficient, and
  3. c) in the event that the coolant level is insufficient, drawing water from a water separator 11th and filling the coolant circuit 5 ,
whereby, based on the recorded properties of the coolant, it is derived how much water is from the water separator 11th may be added until an impermissible dilution of the antifreeze agent is exceeded.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des Kühlmittels stromauf mit dem ersten Temperatursensor 14 und stromab des Brennstoffzellenstapels mit dem zweiten Temperatursensor 15 gemessen und aus der Temperaturdifferenz die Wärmekapazität des Kühlmittels bestimmt zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration. Außerdem wird der Druck in dem Kühlmittel an mindestens zwei Positionen des Kühlmittelkreislaufs mit den Drucksensoren 12, 13 gemessen und/oder die Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe 8 erfasst und daraus die Viskosität des Kühlmittels bestimmt wird zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration. Ergänzend kann auch die Leitfähigkeit des Kühlmittels bestimmt werden zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration, wobei die Kombination dieser Messungen entsprechend 4 zu einer geringeren Messungenauigkeit für die Kühlmittelkonzentration führt.In the embodiment shown, the temperature of the coolant is measured upstream with the first temperature sensor 14th and downstream of the fuel cell stack with the second temperature sensor 15th measured and from the temperature difference the heat capacity of the coolant is determined to indicate a coolant concentration. In addition, the pressure in the coolant is measured at at least two positions in the coolant circuit with the pressure sensors 12th , 13th measured and / or the power consumption of the coolant pump 8th detected and from this the viscosity of the coolant is determined for specifying a coolant concentration. In addition, the conductivity of the coolant can also be determined to indicate a coolant concentration, the combination of these measurements accordingly 4th leads to a lower measurement inaccuracy for the coolant concentration.

Da in der Regel in einem Brennstoffzellenfahrzeug ein Navigationsgerät zur Verfügung steht, kann im Sinne einer Verlängerung des Wartungs- bzw. Wechselintervalls für das Kühlmittel anhand von GPS-Daten der Ort und die Jahreszeit bestimmt werden und für den Sommer eine höhere Verdünnung des Frostschutzmittels zugelassen werden.Since a navigation device is usually available in a fuel cell vehicle, the location and time of year can be determined using GPS data to extend the maintenance or replacement interval for the coolant, and a higher dilution of the antifreeze can be permitted for the summer .

Wenn zusätzlich ein Vorratsbehälter für ein Frostschutzmittel vorgesehen ist, kann für den Winter aus einem Vorratsbehälter das Frostschutzmittel nachdosiert werden.If a storage tank for an antifreeze is also provided, the antifreeze can be replenished from a storage tank for the winter.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
AnodenzufuhrleitungAnode feed line
44th
KathodenzufuhrleitungCathode feed line
55
KühlmittelkreislaufCoolant circuit
66th
Kühlercooler
77th
ZulaufIntake
88th
KühlmittelpumpeCoolant pump
99
LevelsensorLevel sensor
1010
StrömungsverbindungFlow connection
1111th
WasserabscheiderWater separator
1212th
erster Drucksensorfirst pressure sensor
1313th
zweiter Drucksensorsecond pressure sensor
1414th
erster Temperatursensorfirst temperature sensor
1515th
zweiter Temperatursensorsecond temperature sensor
1616
Bestimmung der Wärmekapazität aus der TemperaturdifferenzDetermination of the heat capacity from the temperature difference
1717th
Bestimmung der LeitfähigkeitDetermination of conductivity
1818th
Bestimmung der ViskositätDetermination of viscosity
1919th
Bestimmung der FrostschutzmittelkonzentrationDetermination of the antifreeze concentration

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016203466 A1 [0005]DE 102016203466 A1 [0005]
  • KR 101567237 B1 [0006]KR 101567237 B1 [0006]
  • DE 102012216237 A1 [0006]DE 102012216237 A1 [0006]

Claims (9)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die einen in einen Kühlmittelkreislauf (5) eingebundenen Brennstoffzellenstapel (2) mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, umfassend die Schritte: a) Erfassen des Kühlmittelstands mittels mindestens einem Levelsensor (9), b) Bewerten, ob der Kühlmittelstand ausreichend ist, c) für den Fall, dass der Kühlmittelstand unzureichend ist, Entnahme von Wasser aus einem Wasserabscheider (11) und Auffüllen des Kühlmittelkreislaufs (5), d) Erfassen von Eigenschaften des Kühlmittels, wobei daraus abgeleitet wird, wieviel Wasser aus dem Wasserabscheider (11) bis zum Überschreitung einer unzulässigen Verdünnung eines Frostschutzmittels zugeführt werden darf.A method for operating a fuel cell device (1) which has a fuel cell stack (2) which is integrated into a coolant circuit (5) and has at least one fuel cell, comprising the steps: a) Detecting the coolant level by means of at least one level sensor (9), b) Assess whether the coolant level is sufficient, c) in the event that the coolant level is insufficient, removing water from a water separator (11) and filling the coolant circuit (5), d) Detecting properties of the coolant, from which it is derived how much water may be fed from the water separator (11) until an inadmissible dilution of an antifreeze agent is exceeded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kühlmittels stromauf und stromab des Brennstoffzellenstapels (2) gemessen und aus der Temperaturdifferenz die Wärmekapazität des Kühlmittels bestimmt wird zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the temperature of the coolant is measured upstream and downstream of the fuel cell stack (2) and the heat capacity of the coolant is determined from the temperature difference to indicate a coolant concentration. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem Kühlmittel an mindestens zwei Positionen des Kühlmittelkreislaufs (5) gemessen und/oder die Leistungsaufnahme einer Kühlmittelpumpe (8) erfasst und daraus die Viskosität des Kühlmittels bestimmt wird zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the pressure in the coolant is measured at at least two positions in the coolant circuit (5) and / or the power consumption of a coolant pump (8) is recorded and the viscosity of the coolant is determined from this to indicate a coolant concentration. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des Kühlmittels bestimmt wird zur Angabe einer Kühlmittelkonzentration .Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the conductivity of the coolant is determined to indicate a coolant concentration. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von GPS-Daten der Ort und die Jahreszeit bestimmt wird, und dass für den Sommer eine höhere Verdünnung des Frostschutzmittels zugelassen wird und/oder für den Winter aus einem Vorratsbehälter das Frostschutzmittel nachdosiert wird.Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the location and the season is determined using GPS data, and that a higher dilution of the antifreeze is permitted for the summer and / or the antifreeze is replenished from a storage container for the winter. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem in einen Kühlmittelkreislauf (5) eingebundenen Brennstoffzellenstapel (2) mit mindestens einer Brennstoffzelle, mit einem Levelsensor (9) zur Erfassung des Füllstandes von Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf (5) und mit einer ein Ventil aufweisenden Strömungsverbindung (10) zwischen dem Kühlmittelkreislauf (5) und einem dem Brennstoffzellenstapel (2) zugeordneten Wasserabscheider (11).Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) integrated in a coolant circuit (5) with at least one fuel cell, with a level sensor (9) for detecting the level of coolant in a coolant circuit (5) and with a flow connection (10) having a valve between the coolant circuit (5) and a water separator (11) assigned to the fuel cell stack (2). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlmittelkreislauf (5) mindestens zwei Drucksensoren (12, 13) und/oder mindestens zwei Temperatursensoren (14, 15) zugeordnet sind, die mit einem Steuergerät zur Datenauswertung und Bestimmung von mindestens einer Eigenschaft des Kühlmittels verbunden sind.Fuel cell device (1) according to Claim 6 , characterized in that the coolant circuit (5) is assigned at least two pressure sensors (12, 13) and / or at least two temperature sensors (14, 15) which are connected to a control device for data evaluation and determination of at least one property of the coolant. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Navigationsgerät und ein Vorratsbehälter für ein Frostschutzmittel vorgesehen sind.Fuel cell device (1) according to Claim 6 or 7th , characterized in that a navigation device and a storage container for an antifreeze are provided. Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.Fuel cell vehicle with a fuel cell device (1) according to one of the Claims 6 until 8th .
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