DE102020128040A1 - Method for determining a stack core temperature before starting in a fuel cell device and fuel cell device - Google Patents

Method for determining a stack core temperature before starting in a fuel cell device and fuel cell device Download PDF

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Sebastian Disson
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Stapelkerntemperatur vor dem Starten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), der einen Kühlmittelkreislauf (3) mit einem Kühlmittel aufweist umfassend die folgenden Schritte:
a) Messen einer Initialkühlmitteltemperatur (6) des Kühlmittels an einem Ausgang (5) des Brennstoffzellenstapels (2),
b) Aktivieren und Betreiben einer Kühlmittelpumpe (4) mit einer vorgegebenen Drehzahl und dadurch Antreiben des Kühlmittels als einen Kühlmittelvolumenstrom innerhalb des Kühlmittelkreislaufs (3),
c) Messen einer zweiten Kühlmitteltemperatur (7) des Kühlmittels an dem Ausgang (5) des Brennstoffzellenstapels (2),
d) Bestimmen der Stapelkerntemperatur als Funktion der Initialkühlmitteltemperatur (6) und der zweiten Kühlmitteltemperatur (7) und
e) Erteilen einer Startfreigabe. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Figure DE102020128040A1_0000
The invention relates to a method for determining a stack core temperature before starting in a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) which has a coolant circuit (3) with a coolant, comprising the following steps:
a) measuring an initial coolant temperature (6) of the coolant at an outlet (5) of the fuel cell stack (2),
b) activating and operating a coolant pump (4) at a predetermined speed and thereby driving the coolant as a coolant volume flow within the coolant circuit (3),
c) measuring a second coolant temperature (7) of the coolant at the outlet (5) of the fuel cell stack (2),
d) determining the stack core temperature as a function of the initial coolant temperature (6) and the second coolant temperature (7) and
e) Issuing a take-off clearance. The invention also relates to a fuel cell device (1) for carrying out the method.
Figure DE102020128040A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Stapelkerntemperatur vor dem Starten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining a stack core temperature before starting in a fuel cell device. The invention also relates to a fuel cell device for carrying out the method.

Brennstoffzellenvorrichtungen, wie sie beispielsweise zum Betrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind wegen der damit verbundenen Leistungsanforderungen aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufgebaut, die in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Jede einzelne Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) gebildet aus einer protonenleitenden Membran, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist. Den Elektroden werden Reaktantengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft. Bei der elektrochemischen Reaktion reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellenvorrichtung erforderlich ist.Fuel cell devices, such as those used to operate motor vehicles, are constructed from a plurality of fuel cells, which are combined in a fuel cell stack, because of the associated power requirements. Each individual fuel cell comprises a membrane-electrode assembly (MEA) formed from a proton-conducting membrane, on one side of which the anode is formed and on the other side of which the cathode is formed. Reactant gases are fed to the electrodes, namely hydrogen in particular on the anode side and oxygen or an oxygen-containing gas, in particular air, on the cathode side. In the electrochemical reaction, the hydrogen reacts with the oxygen in the air to form water. This water must be removed from the fuel cell and the fuel cell stack until a humidity level that is required for the operation of the fuel cell device is reached.

Problematisch ist dabei, wenn bei einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung Froststartbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen die Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt, und somit das bei der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Produktwasser gefriert. Dies kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktantengase und das Produktwasser durch Eis blockiert sind. Dies kann zu einer Schädigung der Brennstoffzellen führen, wenn keine geeigneten Maßnahmen ergriffen werden wie beispielsweise die Durchführung einer Froststartprozedur.The problem here is when frost start conditions are present when the fuel cell device is started, ie conditions in which the ambient temperature is below the freezing point of water, and the product water formed during the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen thus freezes. This can result in ice blocking the necessary flow channels for the reactant gases and product water. This can damage the fuel cells if appropriate measures are not taken, such as performing a freeze start procedure.

Somit ist es entscheidend, die Temperatur innerhalb eines Brennstoffzellenstapels genau zu bestimmen, um eine solche Schädigung zu vermeiden. Die Temperatur innerhalb eines Brennstoffzellenstapels zu bestimmen, ist auf direktem Wege nicht möglich, weswegen diese bisher über Umwege, nämlich über die Temperaturmessung eines in einem Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenstapels strömenden Kühlmittels, ermittelt wird. Beträgt die Kühlmitteltemperatur weniger als 0 °C wird eine spezielle Froststartprozedur durchgeführt, die den Brennstoffzellenstapel aufheizt, beispielsweise durch Reduzierung der Sauerstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellenstapels, so dass es bei der Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu hoher Verlustwärme kommt, die zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels genutzt wird. Die Temperatursensoren zur Bestimmung der Kühlmitteltemperatur sind darüber hinaus außerhalb des Brennstoffzellenstapels verbaut. Dies führt dazu, dass auf die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels, also auf die Stapelkerntemperatur, nicht bei einem stehenden oder ruhenden Kühlmittel geschlossen werden kann. In anderen Worten: Vor dem Starten der Brennstoffzellenvorrichtung, wenn das Kühlmittel innerhalb des Kühlmittelkreislaufs noch ruht, ist eine Bestimmung der Stapelkerntemperatur mit den brennstoffzellenstapelausgangsseitig angeordneten Temperatursensoren nicht möglich.Thus, it is critical to accurately determine the temperature within a fuel cell stack to avoid such damage. It is not possible to determine the temperature within a fuel cell stack directly, which is why it has hitherto been determined in a roundabout way, namely by measuring the temperature of a coolant flowing in a coolant circuit of the fuel cell stack. If the coolant temperature is less than 0 °C, a special frost start procedure is carried out that heats up the fuel cell stack, for example by reducing the oxygen concentration within the fuel cell stack, so that the reaction within the fuel cell stack results in a high level of heat loss, which is used to heat up the fuel cell stack. The temperature sensors for determining the coolant temperature are also installed outside of the fuel cell stack. As a result, the temperature within the fuel cell stack, ie the stack core temperature, cannot be inferred when the coolant is stationary or not. In other words: Before the fuel cell device is started, when the coolant is still at rest within the coolant circuit, it is not possible to determine the stack core temperature using the temperature sensors arranged on the fuel cell stack outlet side.

Eine Möglichkeit, eine Schädigung der Brennstoffzellenvorrichtung zu verhindern, wäre, bei jedem Start der Brennstoffzellenvorrichtung eine Froststartprozedur durchzuführen. Dies wirkt sich allerdings, aufgrund des ineffizienten Betriebes, negativ auf den Brennstoffverbrauch aus. Darüber hinaus verlängert sich die Startzeit und damit die Zeit, in der die Brennstoffzellenvorrichtung noch keine Vortriebsleistung abgeben kann. Eine nicht zwingend notwendige Froststartprozedur sollte daher vermieden werden.One way of preventing damage to the fuel cell device would be to carry out a frost start procedure each time the fuel cell device is started. However, due to the inefficient operation, this has a negative effect on fuel consumption. In addition, the starting time and thus the time in which the fuel cell device cannot deliver any propulsion power is lengthened. A non-essential frost start procedure should therefore be avoided.

Alternativ es ist auch möglich, vor dem Starten der Brennstoffzellenvorrichtung die Temperatur des Kühlmittels dann zu messen, wenn das Kühlmittel den Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenstapels mindestens einmal vollständig durchlaufen hat. Dies nimmt ebenfalls viel Zeit in Anspruch, so dass es lange dauert, bis die Brennstoffzellenvorrichtung eine Vortriebsleistung abgeben kann; die Startfreigabe verzögert sich also.Alternatively, it is also possible to measure the temperature of the coolant before starting the fuel cell device when the coolant has completely run through the coolant circuit of the fuel cell stack at least once. This also takes a long time, so it takes a long time before the fuel cell device can output propulsion power; the start release is therefore delayed.

Die US 2008 / 0 280 174 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung, bei der zur Bestimmung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels anodenausgangsseitig in der Anodenabgasleitung ein Temperatursensor vorgesehen ist. Anhand der durch diesen Temperatursensor gemessenen Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird entschieden, ob eine Froststartprozedur durchgeführt werden muss, oder ob die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Normalbetrieb gestartet werden kann.US 2008/0 280 174 A1 describes a fuel cell device in which a temperature sensor is provided on the anode outlet side in the anode exhaust gas line to determine the temperature of the fuel cell stack. Based on the temperature of the fuel cell stack measured by this temperature sensor, a decision is made as to whether a frost start procedure must be carried out or whether the fuel cell device can be started in normal operation.

Die US 2020 / 0 153 007 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung, bei der anhand der Temperatur des Kühlmittels unterschieden wird, ob die Brennstoffzellenvorrichtung beim Starten eine Froststartprozedur durchführen soll. Dabei wird die Kühlmitteltemperatur bei laufender Kühlmittelpumpe bestimmt, d.h. das Kühlmittel muss mindestens einmal den Kühlmittelkreislauf durchlaufen haben.US 2020/0 153 007 A1 discloses a fuel cell device in which a distinction is made based on the temperature of the coolant as to whether the fuel cell device should carry out a frost start procedure when starting. The coolant temperature is determined with the coolant pump running, i.e. the coolant must have run through the coolant circuit at least once.

Auch bei der WO 2004 / 036 675 A2 wird zwischen der Durchführung einer Froststartprozedur oder dem Normalbetrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung unterschieden, in Abhängigkeit einer am Kühlmittelausgang eines Brennstoffzellenstapels bei laufender Kühlmittelpumpe bestimmten Kühlmitteltemperatur.WO 2004/036 675 A2 also makes a distinction between carrying out a frost start procedure or normal operation of a fuel cell device, depending on an am Coolant outlet of a fuel cell stack with running coolant pump coolant temperature determined.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, mit denen eine genauere Bestimmung der Stapelkerntemperatur ermöglicht ist.The invention is therefore based on the object of providing a method and a fuel cell device with which a more precise determination of the stack core temperature is made possible.

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

Das Verfahren zum Bestimmen einer Stapelkerntemperatur vor dem Starten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der einen Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittel aufweist, zeichnet sich dabei insbesondere durch die folgenden Schritte aus:

  1. a) Messen einer Initialkühlmitteltemperatur des Kühlmittels an einem Ausgang des Brennstoffzellenstapels,
  2. b) Aktivieren und Betreiben einer Kühlmittelpumpe mit einer vorgegebenen Drehzahl und dadurch Antreiben des Kühlmittels in Form eines Kühlmittelvolumenstroms innerhalb des Kühlmittelkreislaufs,
  3. c) Messen einer zweiten Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels an dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels,
  4. d) Bestimmen der Stapelkerntemperatur als Funktion der Initialkühlmitteltemperatur und der zweiten Kühlmitteltemperatur, und
  5. e) Erteilen einer Startfreigabe, insbesondere wenn sich bei der Bestimmung der Stapelkerntemperatur kein für den Start kritischer Wert ergeben hat.
The method for determining a stack core temperature before starting in a fuel cell device with a fuel cell stack, which has a coolant circuit with a coolant, is characterized in particular by the following steps:
  1. a) measuring an initial coolant temperature of the coolant at an outlet of the fuel cell stack,
  2. b) activating and operating a coolant pump at a predetermined speed and thereby driving the coolant in the form of a coolant volume flow within the coolant circuit,
  3. c) measuring a second coolant temperature of the coolant at the exit of the fuel cell stack,
  4. d) determining the stack core temperature as a function of the initial coolant temperature and the second coolant temperature, and
  5. e) Issuing a start release, in particular if the determination of the stack core temperature does not result in a critical value for the start.

Anhand des Messens von zwei Kühlmitteltemperaturen, nämlich einmal des ruhenden Kühlmittels und einmal des durch die Kühlmittelpumpe bewegten Kühlmittels, ist eine genauere Bestimmung der Stapelkerntemperatur möglich.A more precise determination of the stack core temperature is possible by measuring two coolant temperatures, namely the stationary coolant and the coolant moved by the coolant pump.

Um eine besonders schnelle Bestimmung der Stapelkerntemperatur zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Messung der zweiten Kühlmitteltemperatur zu einem vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitpunkt erfolgt, bevor das Kühlmittel den Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenstapels einmal vollständig durchlaufen hat. Durch das Zusammenspiel der zwei Kühlmitteltemperaturmessungen ist es möglich, auf die Stapelkerntemperatur rückzuschließen, bevor das Kühlmittel den Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenstapels vollständig durchlaufen hat. Dies ermöglicht eine schnellere Entscheidung darüber, ob die Startfreigabe erteilt und die Brennstoffzellenvorrichtung im Normalbetrieb betrieben werden kann, oder ob eine Froststartprozedur durchgeführt werden muss. Beim Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung werden dem Brennstoffzellenstapel die Reaktanten, d.h. der Brennstoff und der Sauerstoff in regulärem Ausmaß zugeführt. Im Froststartbetrieb wird beispielsweise eine Einzelzellspannung von weniger als 0,4 Volt je Zelle erzeugt, so dass eine große Menge an Verlustleistung in Form von Wärme vorliegt. Hierbei kann ein sauerstoffverarmter Betrieb vorliegen.In order to enable the stack core temperature to be determined particularly quickly, it is advantageous if the second coolant temperature is measured at a predetermined or specifiable point in time before the coolant has completely run through the coolant circuit of the fuel cell stack. The interaction of the two coolant temperature measurements makes it possible to draw conclusions about the stack core temperature before the coolant has completely passed through the coolant circuit of the fuel cell stack. This enables a faster decision to be made as to whether the start release is issued and the fuel cell device can be operated in normal operation, or whether a frost start procedure must be carried out. During normal operation of the fuel cell device, the reactants, i.e., fuel and oxygen, are supplied to the fuel cell stack at a regular rate. In frost start operation, for example, an individual cell voltage of less than 0.4 volts per cell is generated, so that there is a large amount of power loss in the form of heat. In this case, an oxygen-depleted operation may be present.

Insbesondere ist es sinnvoll, wenn anhand der Initialkühlmitteltemperatur und der zu einem vorgegebenen zweiten Zeitpunkt gemessenen Kühlmitteltemperatur ein Temperaturgradient bestimmt wird. Anhand des Temperaturgradienten kann eine schnellere und genauere Bestimmung der Stapelkerntemperatur erfolgen.In particular, it makes sense if a temperature gradient is determined on the basis of the initial coolant temperature and the coolant temperature measured at a predetermined second point in time. The temperature gradient can be used to determine the stack core temperature more quickly and accurately.

In diesem Zusammenhang ist es in Bezug auf eine genaue Bestimmung der Stapelkerntemperatur von Vorteil, wenn die Stapelkerntemperatur bestimmt wird als Funktion des Temperaturgradienten eines innerhalb des Kühlmittelkreislaufs vorhandenen Kühlmittelvolumens und des Kühlmittelvolumenstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe.In this context, it is advantageous with regard to an accurate determination of the stack core temperature if the stack core temperature is determined as a function of the temperature gradient of a coolant volume present within the coolant circuit and the coolant volume flow as a function of the speed of the coolant pump.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine Froststartprozedur durchführt, wenn der bestimmte Temperaturgradient kleiner oder gleich einem in einem Speicher hinterlegten Referenztemperaturgradienten ist. Dies verhindert eine Schädigung des Brennstoffzellenstapels.In particular, it is advantageous if the fuel cell device carries out a frost start procedure when the determined temperature gradient is less than or equal to a reference temperature gradient stored in a memory. This prevents damage to the fuel cell stack.

Weiterhin ist es sinnvoll, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in einen Normalbetrieb übergeht, wenn der bestimmte Temperaturgradient größer als ein in einem Speicher hinterlegter Referenztemperaturgradient ist. Auf die Durchführung von nicht notwendigen Froststartprozeduren kann somit verzichtet werden, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung schnell einsatzbereit ist und schnell die geforderte Leistung bereitstellen kann.Furthermore, it makes sense if the fuel cell device switches to normal operation when the determined temperature gradient is greater than a reference temperature gradient stored in a memory. The implementation of unnecessary frost start procedures can thus be dispensed with, so that the fuel cell device is quickly ready for use and can quickly provide the required power.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Stapelkerntemperatur zu einem zweiten Zeitpunkt abgeschätzt wird, indem der Temperaturgradient extrapoliert wird. Die Brennstoffzellenvorrichtung führt dann eine Froststartprozedur durch, wenn die abgeschätzte Stapelkerntemperatur kleiner oder gleich einer in einem Speicher hinterlegten Referenztemperatur ist. Dagegen geht die Brennstoffzellenvorrichtung in einen Normalbetrieb über, wenn die abgeschätzte Stapelkerntemperatur größer als eine in einem Speicher hinterlegte Referenztemperatur ist. Eine Abschätzung der Stapelkerntemperatur durch Extrapolation des Temperaturgradienten führt zu einer schnelleren Entscheidung darüber, ob die Startfreigabe erteilt werden kann und die Brennstoffzellenvorrichtung in den Normalbetrieb wechselt, oder ob zuerst eine Froststartprozedur durchgeführt werden muss. Die Referenztemperatur liegt vorzugsweise bei 0 °C.Alternatively or additionally, it is possible for the stack core temperature to be estimated at a second point in time by extrapolating the temperature gradient. The fuel cell device then carries out a frost start procedure if the estimated stack core temperature is less than or equal to a reference temperature stored in a memory. On the other hand, the fuel cell device transitions to normal operation when the estimated stack core temperature is greater than one reference temperature stored in a memory. Estimating the stack core temperature by extrapolating the temperature gradient leads to a quicker decision as to whether the start enable can be granted and the fuel cell device switches to normal operation, or whether a freeze start procedure must be carried out first. The reference temperature is preferably 0 °C.

Zur Verhinderung einer Schädigung des Brennstoffzellenstapels ist es alternativ oder zusätzlich vorteilhaft, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine Froststartprozedur durchführt, wenn die bestimmte Stapelkerntemperatur kleiner oder gleich einer in einem Speicher hinterlegten Referenztemperatur ist.To prevent damage to the fuel cell stack, it is alternatively or additionally advantageous if the fuel cell device carries out a frost start procedure when the determined stack core temperature is less than or equal to a reference temperature stored in a memory.

Demgegenüber ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung in einen Normalbetrieb übergeht, wenn die bestimmte Stapelkerntemperatur größer oder gleich einer in einem Speicher hinterlegten Referenztemperatur ist. Auf die Durchführung von nicht notwendigen Froststartprozeduren kann verzichtet werden, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung schnell einsatzbereit ist und schnell die geforderte Leistung bereitstellen kann.In contrast, provision is made for the fuel cell device to switch to normal operation when the determined stack core temperature is greater than or equal to a reference temperature stored in a memory. The implementation of unnecessary frost start procedures can be dispensed with, so that the fuel cell device is quickly ready for use and can quickly provide the required power.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn im Anschluss an die Durchführung einer Froststartprozedur das Verfahren entweder nochmal durchlaufen wird, d.h. die Stapelkerntemperatur nochmals nach der Durchführung der Froststartprozedur ermittelt wird, oder dass direkt die Startfreigabe erteilt wird.In particular, it is advantageous if, after a frost start procedure has been carried out, the method is either run through again, i.e. the stack core temperature is determined again after the frost start procedure has been carried out, or that the start release is issued directly.

Die Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennstoffzellenstapel brennstoffzellenstapelausgangsseitig mindestens einen Temperatursensor aufweist. Dies ermöglicht eine schnelle und genaue Bestimmung der Stapelkerntemperatur vor dem Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung, anhand welcher rasch entschieden werden kann, ob die Durchführung einer Froststartprozedur notwendig ist, oder die Brennstoffzellenvorrichtung in den Normalbetrieb übergehen kann.The fuel cell device for carrying out the method is characterized in that the fuel cell stack has at least one temperature sensor on the fuel cell stack outlet side. This enables the stack core temperature to be determined quickly and accurately before a fuel cell device is started, which can be used to quickly decide whether a frost start procedure is necessary or whether the fuel cell device can switch to normal operation.

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 stark vereinfachten Brennstoffzellenvorrichtung, und
  • 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Bestimmung der Stapelkerntemperatur.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and based on the drawings, which show:
  • 1 a schematic representation of a greatly simplified fuel cell device, and
  • 2 a schematic representation of the method for determining the stack core temperature.

Brennstoffzellen dienen der Energieerzeugung und können insbesondere zur Energieerzeugung für den Antrieb von Kraftfahrzeugen angewendet werden. Dabei werden bevorzugt eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel 5 zusammengefasst.Fuel cells are used to generate energy and can be used in particular to generate energy for driving motor vehicles. In this case, a plurality of fuel cells are preferably combined in a fuel cell stack 5 .

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Polymer-Membran. Die Polymer-Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Polymer-Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells includes an anode, a cathode, and a proton-conductive polymer membrane separating the anode from the cathode. The polymer membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the polymer membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can also be added to the anodes and/or the cathodes, with the membrane preferably being coated on its first side and/or on its second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zu-geführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die PEM lässt die Protonen hin-durch, 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.The anode can be supplied with fuel (eg hydrogen) via an anode space. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. At the anode, for example, the reaction takes place: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device 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).The cathode gas (eg oxygen or air containing oxygen) can be supplied to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 +4H + +4e- → 2H 2 O (reduction/electron acceptance).

Um eine lonenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.In order to ensure ion conductivity for hydrogen protons through the PEM, the presence of water molecules in the PEM is required. Therefore, the cathode gas in particular is humidified before it is supplied to the fuel cell in order to bring about moisture saturation of the PEM.

Die 1 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 wobei der Brennstoffzellenstapel 2 in einem Kühlmittelkreislauf 3 strömungsmechanisch eingebunden ist. Das Kühlmittel kann mittels einer Kühlmittelpumpe 4 innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 3 zirkuliert werden, so dass ein Kühlmittelstrom entsteht. Am Ausgang 5 des Brennstoffzellenstapels 2 ist mindestens ein Temperatursensor 8 zur Messung der Temperatur des Kühlmittels angeordnet.the 1 shows a highly simplified representation of a fuel cell device 1 with a fuel cell stack 2 , the fuel cell stack 2 being fluidically integrated in a coolant circuit 3 . The coolant can be circulated within the coolant circuit 3 by means of a coolant pump 4, so that a coolant flow is created. At least one temperature sensor 8 for measuring the temperature of the coolant is arranged at the outlet 5 of the fuel cell stack 2 .

Das Verfahren zur Bestimmung einer Stapelkerntemperatur vor dem Starten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 lässt sich anhand von 2 nachvollziehen, welches die folgenden Schritte durchläuft:

  • Zunächst wird vor dem Starten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine initiale Initialkühlmitteltemperatur 6 des Kühlmittels an dem Ausgang 5 des Brennstoffzellenstapels 2 gemessen. Es wird folglich die Initialkühlmitteltemperatur des noch ruhenden Kühlmittels bestimmt. Im Anschluss wird die Kühlmittelpumpe 4 aktiviert und mit einer vorgegebenen Drehzahl betrieben. Dadurch wird ein Kühlmittelvolumenstrom innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 3 erzeugt und von der Pumpe vorangetrieben. Zu einem vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Zeitpunkt 9 wird eine zweite Kühlmitteltemperatur 7 des Kühlmittels an dem Ausgang 5 des Brennstoffzellenstapels 2 gemessen. Dieser zweite Zeitpunkt 9 erfolgt, bevor das Kühlmittel den Kühlmittelkreislauf 3 des Brennstoffzellenstapels 2 einmal vollständig durchlaufen hat. Dadurch wird eine besonders schnelle Bestimmung der Stapelkerntemperatur möglich. Im Anschluss wird die Stapelkerntemperatur als Funktion der Initialkühlmitteltemperatur 6 und der zweiten Kühlmitteltemperatur 7 bestimmt.
The method for determining a stack core temperature before starting the fuel cell device 1 can be based on 2 understand which goes through the following steps:
  • First, before the fuel cell device 1 is started, an initial coolant temperature 6 of the coolant at the outlet 5 of the fuel cell stack 2 is measured. Consequently, the initial coolant temperature of the coolant that is still at rest is determined. The coolant pump 4 is then activated and operated at a predetermined speed. As a result, a coolant volume flow is generated within the coolant circuit 3 and driven by the pump. A second coolant temperature 7 of the coolant at the outlet 5 of the fuel cell stack 2 is measured at a predetermined or specifiable second point in time 9 . This second point in time 9 occurs before the coolant has completely run through the coolant circuit 3 of the fuel cell stack 2 once. This enables the stack core temperature to be determined particularly quickly. The stack core temperature is then determined as a function of the initial coolant temperature 6 and the second coolant temperature 7 .

Dies kann zunächst dadurch erfolgen, dass ein Temperaturgradient aus der Initialkühlmitteltemperatur 6 und der zu dem zweiten Zeitpunkt 9 gemessenen Kühlmitteltemperatur 7 ermittelt oder bestimmt wird. Die Stapelkerntemperatur wird dann als Funktion des Temperaturgradienten eines innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 3 vorhandenen Kühlmittelvolumens und des Kühlmittelvolumenstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 4 bestimmt.This can first be done by ascertaining or determining a temperature gradient from the initial coolant temperature 6 and the coolant temperature 7 measured at the second point in time 9 . The stack core temperature is then determined as a function of the temperature gradient of a coolant volume present within the coolant circuit 3 and the coolant volume flow as a function of the speed of the coolant pump 4 .

Als nächstes wird entschieden, ob die Brennstoffzellenvorrichtung 1 im Normalbetrieb betrieben werden und direkt eine Startvorgabe erteilt werden kann, oder ob zunächst eine Froststartprozedur durchgeführt werden muss, um den Brennstoffzellenstapel 2 zu erwärmen. Ist die auf diese Weise bestimmte Stapelkerntemperatur kleiner oder gleich einer in einem Speicher hinterlegten Referenztemperatur 10, so liegt eine Froststartbedingung 11 vor, womit die Brennstoffzellenvorrichtung 1 zunächst die Froststartprozedur durchführt. Eine Froststartprozedur ist dabei eine Prozedur, bei der der Brennstoffzellenstapel 2 erwärmt wird oder ihm Wärme zugeführt wird oder er so betrieben wird, dass er sich selbsttätig erwärmt. Im Anschluss an die erfolgreiche Durchführung einer Frostartprozedur wird entweder die Stapelkerntemperatur nochmal mittels des beschriebenen Verfahrens bestimmt, oder direkt die Startfreigabe erteilt und die Brennstoffzellenvorrichtung 1 durch reguläre Zuführung der Reaktanten in den Normalbetrieb überführt. Ist die bestimmte Stapelkerntemperatur aber größer als eine im Speicher hinterlegte Referenztemperatur 10, so liegt eine Normalbetriebsbedingung 12 vor. Auf die Durchführung einer Froststartprozedur kann dann verzichtet werden und die Startfreigabe wird sogleich erteilt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird in den Normalbetrieb überführt durch reguläres Zuführen der Reaktanten. Die Referenztemperatur 10 ist dabei vorzugsweise auf 0 °C festgelegt.Next, a decision is made as to whether the fuel cell device 1 can be operated in normal operation and a start specification can be issued directly, or whether a frost start procedure must first be carried out in order to heat up the fuel cell stack 2 . If the stack core temperature determined in this way is less than or equal to a reference temperature 10 stored in a memory, then a frost start condition 11 is present, whereby the fuel cell device 1 first carries out the frost start procedure. Here, a freeze start procedure is a procedure in which the fuel cell stack 2 is heated or heat is supplied to it or it is operated in such a way that it heats itself up. Following the successful implementation of a frost type procedure, either the stack core temperature is determined again using the method described, or the start release is issued directly and the fuel cell device 1 is transferred to normal operation by regular supply of the reactants. However, if the determined stack core temperature is greater than a reference temperature 10 stored in the memory, then a normal operating condition 12 is present. A frost start procedure can then be dispensed with and the start release is issued immediately. The fuel cell device 1 is brought into normal operation by regularly supplying the reactants. The reference temperature 10 is preferably fixed at 0°C.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, zu vergleichen, ob der bestimmte Temperaturgradient kleiner oder gleich einem in einem Speicher hinterlegten Referenztemperaturgradienten ist. Ist dies der Fall, so liegt eine Froststartbedingung 12 vor und die Brennstoffzellenvorrichtung 1 führt eine Froststartprozedur durch. Im Anschluss an die erfolgreiche Durchführung der Frostartprozedur wird entweder die Stapelkerntemperatur nochmal mittels des beschriebenen Verfahrens bestimmt, oder die Startfreigabe erteilt und die Brennstoffzellenvorrichtung 1 durch reguläre Zuführung der Reaktanten in den Normalbetrieb überführt. Ist der bestimmte Temperaturgradient dagegen größer als ein in einem Speicher hinterlegter Referenztemperaturgradient, so liegt eine Normalbetriebsbedingung 12 vor, so dass die Startfreigabe direkt erteilt und die Brennstoffzellenvorrichtung 1 sogleich im Normalbetrieb betrieben wird.Alternatively or additionally, it is possible to compare whether the determined temperature gradient is less than or equal to a reference temperature gradient stored in a memory. If this is the case, then a frost start condition 12 is present and the fuel cell device 1 carries out a frost start procedure. Following the successful implementation of the frost type procedure, either the stack core temperature is determined again using the method described, or the start release is issued and the fuel cell device 1 is transferred to normal operation by regular supply of the reactants. If, on the other hand, the determined temperature gradient is greater than a reference temperature gradient stored in a memory, then a normal operating condition 12 is present, so that the start enable is issued directly and the fuel cell device 1 is immediately operated in normal operation.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch vorteilhaft, wenn die Stapelkerntemperatur zu einem zweiten Zeitpunkt abgeschätzt wird. Dies kann erfolgen, indem der Temperaturgradient extrapoliert wird. Schneidet der extrapolierte Temperaturgradient die im Speicher hinterlegte Referenztemperatur 10, so kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 im Normalbetrieb betrieben werden. Ergibt die Schätzung aber, dass der extrapolierte Temperaturgradient zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, nämlich dem Zeitpunkt, bei dem das Kühlmittel den Brennstoffzellenstapel 2 einmal vollständig durchlaufen haben wird, kleiner oder gleich einer im Speicher hinterlegten Referenztemperatur 10 ist, so liegt eine Froststartbedingung 11 vor, was das Durchführen einer Froststartprozedur auslöst. Im Anschluss an die Frostartprozedur wird entweder die Stapelkerntemperatur nochmal mittels des beschriebenen Verfahrens bestimmt, oder die Startfreigabe erteilt, was die Brennstoffzellenvorrichtung 1 in den Normalbetrieb überführt.Alternatively or additionally, it is also advantageous if the stack core temperature is estimated at a second point in time. This can be done by extrapolating the temperature gradient. If the extrapolated temperature gradient intersects the reference temperature 10 stored in the memory, the fuel cell device 1 can be operated in normal operation. However, if the estimate shows that the extrapolated temperature gradient at a specified point in time, namely the point in time at which the coolant will have completely passed through the fuel cell stack 2, is less than or equal to a reference temperature 10 stored in the memory, then a frost start condition 11 is present, which triggers the execution of a frost start procedure. Following the frost type procedure, either the stack core temperature is determined again using the method described, or the start release is issued, which transfers the fuel cell device 1 to normal operation.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellevorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
Kühlmittelkreislaufcoolant circuit
44
Kühlmittelpumpecoolant pump
55
Ausgang des BrennstoffzellenstapelsOutput of the fuel cell stack
66
Initialkühlmitteltemperaturinitial coolant temperature
77
Zweite KühlmitteltemperaturSecond coolant temperature
88th
Temperatursensortemperature sensor
99
Zweiter ZeitpunktSecond point in time
1010
Referenztemperaturreference temperature
1111
FroststartbedingungFrost start condition
1212
Normalbetriebsbedingungnormal operating condition

Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen einer Stapelkerntemperatur vor dem Starten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), der einen Kühlmittelkreislauf (3) mit einem Kühlmittel aufweist umfassend die folgenden Schritte: a) Messen einer Initialkühlmitteltemperatur (6) des Kühlmittels an einem Ausgang (5) des Brennstoffzellenstapels (2), b) Aktivieren und Betreiben einer Kühlmittelpumpe (4) mit einer vorgegebenen Drehzahl und dadurch Antreiben des Kühlmittels als einen Kühlmittelvolumenstrom innerhalb des Kühlmittelkreislaufs (3), c) Messen einer zweiten Kühlmitteltemperatur (7) des Kühlmittels an dem Ausgang (5) des Brennstoffzellenstapels (2), d) Bestimmen der Stapelkerntemperatur als Funktion der Initialkühlmitteltemperatur (6) und der zweiten Kühlmitteltemperatur (7) und e) Erteilen einer Startfreigabe.Method for determining a stack core temperature before starting in a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) having a coolant circuit (3) with a coolant, comprising the following steps: a) measuring an initial coolant temperature (6) of the coolant at an outlet (5) of the fuel cell stack (2), b) activating and operating a coolant pump (4) at a predetermined speed and thereby driving the coolant as a coolant volume flow within the coolant circuit (3), c) measuring a second coolant temperature (7) of the coolant at the outlet (5) of the fuel cell stack (2), d) determining the stack core temperature as a function of the initial coolant temperature (6) and the second coolant temperature (7) and e) Issuing a take-off clearance. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der zweiten Kühlmitteltemperatur (7) zu einem vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitpunkt erfolgt, bevor das Kühlmittel den Kühlmittelkreislauf (3) des Brennstoffzellenstapels (2) einmal vollständig durchlaufen hat.procedure after claim 1 , characterized in that the second coolant temperature (7) is measured at a predetermined or predeterminable time before the coolant has completely passed through the coolant circuit (3) of the fuel cell stack (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Initialkühlmitteltemperatur (6) und der zu einem vorgegebenen zweiten Zeitpunkt (9) gemessenen Kühlmitteltemperatur (7) ein Temperaturgradient bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that a temperature gradient is determined on the basis of the initial coolant temperature (6) and the coolant temperature (7) measured at a predetermined second point in time (9). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelkerntemperatur bestimmt wird als Funktion des Temperaturgradienten, eines innerhalb des Kühlmittelkreislaufs (3) vorhandenen Kühlmittelvolumens und des Kühlmittelvolumenstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kühlmittelpumpe (4).procedure after claim 3 , characterized in that the stack core temperature is determined as a function of the temperature gradient, within the coolant circuit (3) existing coolant volume and the coolant volume flow as a function of the speed of the coolant pump (4). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) eine Froststartprozedur durchführt, wenn der bestimmte Temperaturgradient kleiner oder gleich einem in einem Speicher hinterlegten Referenztemperaturgradienten ist.procedure after claim 3 or 4 , characterized in that the fuel cell device (1) performs a frost start procedure when the determined temperature gradient is less than or equal to a reference temperature gradient stored in a memory. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einen Normalbetrieb übergeht, wenn der bestimmte Temperaturgradient größer als ein in einem Speicher hinterlegter Referenztemperaturgradient ist.Procedure according to one of claims 3 until 5 , characterized in that the fuel cell device (1) switches to normal operation when the specific temperature gradient is greater than a reference temperature gradient stored in a memory. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelkerntemperatur zu einem zweiten Zeitpunkt abgeschätzt wird, indem der Temperaturgradient extrapoliert wird, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) eine Froststartprozedur durchführt, wenn die abgeschätzte Stapelkerntemperatur kleiner oder gleich einer in einem Speicher hinterlegten Referenztemperatur ist, und dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einen Normalbetrieb übergeht, wenn die abgeschätzte Stapelkerntemperatur größer als eine in einem Speicher hinterlegte Referenztemperatur (10) ist.Procedure according to one of claims 3 until 6 , characterized in that the stack core temperature is estimated at a second point in time by extrapolating the temperature gradient, that the fuel cell device (1) performs a frost start procedure if the estimated stack core temperature is less than or equal to a reference temperature stored in a memory, and that the fuel cell device ( 1) transitions to normal operation when the estimated stack core temperature is greater than a reference temperature (10) stored in memory. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) eine Froststartprozedur durchführt, wenn die bestimmte Stapelkerntemperatur kleiner oder gleich einer in einem Speicher hinterlegten Referenztemperatur (10) ist.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the fuel cell device (1) carries out a frost start procedure when the determined stack core temperature is less than or equal to a reference temperature (10) stored in a memory. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einen Normalbetrieb übergeht, wenn die bestimmte Stapelkerntemperatur größer als eine in einem Speicher hinterlegten Referenztemperatur (10) ist.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the fuel cell device (1) switches to normal operation when the specific stack core temperature is greater than a reference temperature (10) stored in a memory. Brennstoffzellenvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Brennstoffzellenstapel (2), der brennstoffzellenstapelausgangsseitig mindestens einen Temperatursensor (8) aufweist.Fuel cell device (1) for carrying out the method according to one of Claims 1 until 9 , With a fuel cell stack (2) having at least one temperature sensor (8) on the fuel cell stack outlet side.
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