DE102021101465A1

DE102021101465A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021101465A1
Application number: DE102021101465.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan LÄNGLE; Steffen Zinner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) mit einer Brennstoffzelle (110) mit einer Anode (112) und einer Kathode (114), die geeignet ist, unter Zuführung von Wasserstoff zur Anode (112) und Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode (114) elektrische Leistung zu erzeugen, um eine zwischen Anode (112) und Kathode (114) geschaltete elektrische Last (118) zu betreiben, mit einem Kühlkreislauf (120) mit einer Pumpe (122), der geeignet ist, von der Brennstoffzelle (110) bei der Leistungserzeugung generierte Wärme abzuführen, um die Temperatur der Brennstoffzelle (110) durch Einstellung einer Pumpendrehzahl auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten und mit einer Steuervorrichtung (130), die geeignet ist, aus einer bei konstanter Leistung zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendigen Änderung der Pumpendrehzahl pro Zeiteinheit eine durch Auskondensation von Wasser in der Brennstoffzelle (110) erzeugte Kondensationswärme pro Zeiteinheit zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme mit denen die Auskondensation von Wasser in Brennstoffzellen aus den Betriebsparametern bestimmt werden kann sowie ein Verfahren zum Betrieb solcher Brennstoffzellensysteme. Die Erfindung betrifft zudem Kraftfahrzeuge mit derartigen Brennstoffzellensystemen.
In Polymerelektrolytbrennstoffzellen ist die Membranfeuchte eine zentrale Größe um die Brennstoffzelle vor einer Schädigung durch Austrocknung zu schützen und gleichzeigt einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Es wird darum üblicher Weise versucht, über die Betriebsparameter zu jedem Betriebspunkt der Brennstoffzelle die entsprechende Membranfeuchte bestmöglich einzustellen. Über eine Regelung der Differenztemperatur über die Zelle, d.h. des Unterschiedes einer Kühlmitteltemperatur vor und hinter der Zelle, kann der Anteil des in der Zelle bzw. des in einem aus einer Mehrzahl von Zellen bestehenden Brennstoffzellenstapels verbleibenden Produktwassers beeinflusst werden.
Hierbei kann es jedoch auch zu einer Auskondensation von Flüssigwasser in der Zelle/ im Stapel kommen. Dies kann zum einen den Gastransport durch die Zelle behindern. Zum anderen kann die dabei frei werdende Kondensationswärme zu einer Wirkungsgradverschlechterung führen.
Bisher ist es nicht möglich im normalen Betrieb der Brennstoffzelle anhand der bekannten Betriebsgrößen wie Spannung, Strom und Wasserstoff-Heizwert eine Wirkungsgradverschlechterung aufgrund von ausfallendem Flüssigwasser in der Zelle zu erkennen und dem entgegenzuwirken. Es sind vielmehr nur Verfahren zum Abschätzen von Feuchte und Wassergehalt in einer Brennstoffzelle bekannt (vgl. z.B. DE 10 2016 109 306 A1 , US 2012/0148927 A1 , US 2013/0149628 A1 ).
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, dieses Problem zu lösen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode aufweisen, die geeignet ist, unter Zuführung von Wasserstoff zur Anode und Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode elektrische Leistung zu erzeugen, um eine zwischen Anode und Kathode geschaltete elektrische Last zu betreiben. Das Brennstoffzellensystem weist zudem einen Kühlkreislauf mit einer Pumpe auf, der geeignet ist, von der Brennstoffzelle bei der Leistungserzeugung generierte Wärme abzuführen, um die Temperatur der Brennstoffzelle durch Einstellung einer Pumpendrehzahl auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem eine Steuervorrichtung auf, die geeignet ist, aus einer bei konstanter Leistung zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendigen Änderung der Pumpendrehzahl pro Zeiteinheit eine durch Auskondensation von Wasser in der Brennstoffzelle erzeugte Kondensationswärme pro Zeiteinheit zu bestimmen.
Das Brennstoffzellensystem weist also eine im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle auf, insbesondere eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Der Ausdruck „Brennstoffzelle“ soll hierbei sowohl eine einzelne aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehende Zelle beschreiben, als auch eine Mehrzahl von derartigen zu einem Stapel/Stack verbundenen Brennstoffzellen.
Die Brennstoffzelle erzeugt bei der Umwandlung von Wasserstoff und sauerstoffhaltigem Kathodengas zu Wasser eine Spannung zwischen Anode und Kathode, die bei Anlegen einer Last zu einem Stromfluss durch die Last und einer entsprechenden von der Last nutzbaren Leistung führt. Hierbei wird auch Wärme frei, die durch den Kühlkreislauf abgeführt wird, um ein Überhitzen der Brennstoffzelle zu verhindern.
Im Kühlkreislauf wird hierzu in an sich bekannter Weise ein Kühlmittel von der Brennstoffzelle zu einem Wärmetauscher, etwa einem Radiator oder Ventilator, gepumpt. Die Kühlleistung des Kühlkreislaufes hängt hierbei unter anderem von dem verwendeten Kühlmittel, der Austauschleistung am Wärmetauscher und dem Massen- bzw. Volumenstrom des Kühlmittels ab. Um bei konstanter Austauschleistung am Wärmetauscher eine Veränderung der Kühlleistung zu bewirken, kann in an sich bekannter Weise die Pumpendrehzahl verändert werden. Dadurch lässt sich eine Temperatur der Brennstoffzelle über Einstellung der Pumpendrehzahl in an sich bekannter Weise auf eine bestimmte, vorgegebene Temperatur einstellen.
Ist die von der Brennstoffzelle gelieferte Leistung konstant, ist ohne weitere Effekte bei konstanter Pumpendrehzahl mit einer (bis auf marginale Schwankungen) gleichbleibenden Temperatur der Brennstoffzelle zu rechnen. Ändert sich die Temperatur der Brennstoffzelle bei gleichbleibender Leistung der Brennstoffzelle, so kann dies über eine Änderung der Pumpendrehzahl kompensiert werden, da dies zu einer Kompensation der Temperaturänderung durch die geänderte Kühlleistung führt.
Das Brennstoffzellensystem weist deshalb eine Steuervorrichtung auf, die neben der Steuerung von Brennstoffzelle und Kühlkreislauf in der Lage ist, die Änderungen der Pumpendrehzahl pro Zeiteinheit bei konstanter Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zu erfassen und aus dieser Änderung eine pro Zeiteinheit anfallende Kondensationswärme zu bestimmen, die durch die Kondensation von Wasser erzeugt wird und die ohne Anpassung der Pumpendrehzahl zu einer Temperaturänderung in der Brennstoffzelle führen würde.
Dies ermöglicht es, bei laufendem Betrieb allein aus üblicherweise aufgezeichneten Betriebsparametern auf das Auskondensieren von Wasser zu schließen. Dadurch können rechtzeitig Gegenmaßnahmen zur Reduktion (oder Erhöhung) der Wassermenge ergriffen werden, bevor es zu einer Beeinträchtigung im Betrieb der Brennstoffzelle kommt.
Die Steuervorrichtung kann hierbei geeignet sein, aus der bestimmten Kondensationswärme pro Zeiteinheit eine pro Zeiteinheit auskondensierte Menge an Wasser zu berechnen. Bei bekannten Umgebungsbedingungen lässt sich aus der Kondensationswärme die dadurch erzeugte Wassermenge berechnen. Durch Integration über die Zeit kann daraus die Gesamtwassermenge bestimmt werden. Dies erlaubt es, Maßnahmen zur Wasserreduktion oder Wasserversorgung basierend auf quantitativen Aussagen über die tatsächlich in der Brennstoffzelle vorhandenen Wassermenge zu treffen. Da quantitative Angaben zur Wassermenge verfügbar sind, verbessert sich die Wirksamkeit dieser Maßnahmen, was wiederum den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert.
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die vorgegebene Temperatur in Abhängigkeit von der bestimmten Kondensationswärme pro Zeiteinheit zu verändern, um eine Menge an auskondensiertem Wasser in der Brennstoffzelle zu verändern. Ebenso kann die Anpassung der vorgegebene Temperatur anhand der (pro Zeiteinheit oder total) auskondensierten Wassermenge erfolgen. Dadurch lässt sich der Feuchtegehalt der Brennstoffzelle optimal anpassen, was zu verbessertem Wirkungsgrad und Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems führt.
In dem Kühlkreislauf kann ein Kühlmittel zirkulieren, das durch die Brennstoffzelle geführt wird. Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung, eine zwischen der Anode und der Kathode anliegende elektrische Spannung, und eine Temperaturdifferenz der Kühlmitteltemperaturen vor und hinter der Brennstoffzelle zu messen. Die Steuervorrichtung kann des Weiteren geeignet sein, basierend auf den gemessenen Parametern und der Kenntnis der physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels einen Volumenstrom durch den Kühlkreislauf zu berechnen, bei dem die vorgegebene Temperatur ohne Auskondensation von Wasser erreicht wird, und die Pumpendrehzahl derart einzustellen, dass der berechnete Volumenstrom erreicht wird, und aus einer nach Einstellung der Pumpendrehzahl auftretenden Abweichung der Temperatur der Brennstoffzelle von der vorgegebenen Temperatur auf die pro Zeiteinheit erzeugte Kondensationswärme zu schließen.
Die Steuervorrichtung berechnet also zunächst die ohne Kondensationswärme notwendige Kühlleistung basierend auf den Betriebsparametern der Brennstoffzelle und passt die Pumpendrehzahl derart an, dass die notwendige Kühlleistung erreicht wird. In diesem Fall bleibt die Temperatur der Brennstoffzelle, bzw. die Temperaturdifferenz über die Brennstoffzelle, ohne zusätzliche Einwirkungen bei der vorgegebenen Temperatur. Dennoch auftretende Temperaturänderungen können über die Anpassung der Pumpendrehzahl kompensiert werden. Aus der Aufzeichnung dieser Anpassungen berechnet die Steuereinheit die zusätzlich notwendige Kühlleistung, die wiederum ein Maß für die frei gewordene Kondensationswärme ist. Dies erlaubt eine dauerhafte Überwachung der Kondensationswärme, ohne den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu beeinträchtigen.
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die Pumpendrehzahl zunächst in einem Vorsteuerschritt auf den berechneten Volumenstrom einzustellen und hierauf die Pumpendrehzahl auf das Erreichen der vorgegebenen Temperatur zu regeln. Aus während der Regelung auftretenden Änderungen der Pumpendrehzahl kann die Steuervorrichtung dann auf die pro Zeiteinheit erzeugte Kondensationswärme schließen. Die Pumpendrehzahl wird also zuerst auf den als für die Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur ausreichend erachteten Wert gesetzt. Hierauf wird die Temperatur in einem Regelkreis durch Regelung der Pumpendrehzahl auf der vorgegeben Temperatur gehalten. Dies erlaubt es, die pro Zeiteinheit erzeugte Kondensationswärme inkrementell und dauerhaft über die einzelnen Regelschritte zu bestimmen.
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, den Volumenstrom V̇ gemäß der Formel $\dot{V} = P \frac{U_{H}^{D} \times n - U}{U (ρ \times c_{p} \times Δ T)}$
zu bestimmen. Hier ist P die derzeit erzeugte elektrischen Leistung der Brennstoffzelle, U die entsprechende elektrischen Spannung, ΔT die Temperaturdifferenz über die Brennstoffzelle, die zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendig ist, ρ die Dichte des Kühlmittels, c_p die spezifischen Wärme des Kühlmittels, U^D _H des Standardpotentials von Wasserstoff für dampfförmiges Wasser, das 1,25 V beträgt, und n die Anzahl von Zellen in der Brennstoffzelle, wenn diese aus einem Stapel mehrerer Zellen besteht. Im Vorsteuerschritt kann die Pumpendrehzahl also unter Rückgriff auf die Pumpenkennlinie/das Pumpenkennfeld aus dem Volumenstrom bestimmt werden, der sich wiederum in einfacher Weise aus Standardmessgrößen ergibt.
Die Steuervorrichtung bestimmt dann die Kondensationswärme Q̇_Kond pro Zeiteinheit dt gemäß der Formel $\frac{{\dot{Q}}_{K o n d}}{d t} = ρ \times c_{p} \times Δ T \times \frac{\dot{V}}{d t}$
Hier ist $\frac{\dot{V}}{d t}$
die zur Beibehaltung der Temperaturdifferenz ΔT notwendigen Änderung des Volumenstroms, die sich wiederum unter Verwendung der Pumpenkennlinie/des Pumpenkennfeldes aus der Änderung der Pumpendrehzahl ergibt. Die Kondensationswärme pro Zeiteinheit kann also ebenfalls aus üblichen Messgrößen bestimmt werden. Die Menge an auskondensiertem Wasser kann dann in bekannter Weise bestimmt werden. Hier ist zu beachten, dass die Temperaturdifferenz ΔT aufgrund der Regelung auf die vorgegebene Temperatur in erster Näherung konstant ist, d.h. die vorgegebene Temperatur und die Temperaturdifferenz ΔT bedingen sich gegenseitig.
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, aus den Betriebsparametern der Brennstoffzelle und der Pumpendrehzahl einen Anteil an Flüssigwasser am in der Brennstoffzelle produzierten Wasser zu bestimmen. Bei bekannten Betriebsparametern der Brennstoffzelle kann nämlich bestimmt werden, welche Größe die Kondensationswärme maximal haben könnte, falls sämtliches Wasser auskondensiert. Da die Pumpendrehzahl den Wärmeabtransport steuert, der die durch die Betriebsparameter der Brennstoffzelle bestimmte Abwärme der Brennstoffzelle und die Kondensationswärme abführen muss, kann von den derzeit anliegenden Betriebsparametern und der Pumpendrehzahl darauf geschlossen werden, welcher Anteil des in der Brennstoffzelle erzeugten Wassers auskondensiert ist und dadurch Kondensationswärme erzeugt hat. Die Steuervorrichtung erlaubt also, den Anteil von Flüssigwasser in der Brennstoffzelle quantitativ zu bestimmen. Ebenso kann über die Veränderung der Pumpendrehzahl der Anteil von Flüssigwasser in der Brennstoffzelle eingestellt werden. Dadurch kann die Brennstoffzelle effizienter betrieben werden.
Ein Kraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem aufweisen wie es oben beschrieben wurde, vorzugsweise zum Antreiben eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs. Dies erlaubt es, ein im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugen effizienteres Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen. Neben einem Kraftfahrzeug kann das Brennstoffzellensystem mit ähnlichen Vorteilen auch in beliebigen anderen Fahrzeugen, wie Flugzeugen, Schiffen oder U-Booten, oder auch in stationären Stromerzeugungsanlagen verwendet werden.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wie es oben beschrieben wurde kann aufweisen: Erzeugen einer elektrischen Leistung in der Brennstoffzelle; Einstellen einer Pumpendrehzahl der Pumpe des Kühlkreislaufes, um durch Abführen der bei der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle generierte Wärme, die Temperatur der Brennstoffzelle auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten; und Bestimmen einer durch Auskondensation von Wasser in der Brennstoffzelle erzeugten Kondensationswärme pro Zeiteinheit aus einer bei konstanter Leistung zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendigen Änderung der Pumpendrehzahl pro Zeiteinheit. Damit lassen sich die oben erläuterten Vorteile auch beim Betrieb eines üblichen Brennstoffzellensystem erzielen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems;
2 eine schematisch Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem; und
3 ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100. Die Anordnung sämtlicher Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 ist hier rein symbolisch und soll insbesondere die räumliche Lage der einzelnen Komponenten nicht einschränken, außer dies ist explizit erwähnt.
Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 weist eine Brennstoffzelle 110 auf. Die Brennstoffzelle 110 weist einen typischen, dem Fachmann bekannten Aufbau aus einer Anode 112, einer Kathode 114 und einem dazwischenliegenden Elektrolyten 116 auf. Durch Zuführung von Wasserstoff auf die Anode 112 und sauerstoffhaltigem Kathodengas, wie etwa Luft, auf die Kathode 114 kann die Brennstoffzelle 110 eine Spannung und einen entsprechenden Laststrom erzeugen, der durch eine Last 118 fließt. Die erzeugte Spannung und der Laststrom definieren eine von der Brennstoffzelle 110 erzeugte elektrische Leistung, die zum Betrieb der Last 118 verwendet werden kann.
Die gezeigte Einzelzelle kann hierbei auch zu einem Stapel/Stack von Einzelzellen erweitert werden, wobei die Steuerung aller Einzelzellen der im Folgenden beschriebenen Steuerung der gezeigten Brennstoffzelle 110 entspricht. Da der Aufbau und die Funktion derartiger Brennstoffzellen 110 einem Fachmann bekannt ist, kann auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden.
Bei der Leistungserzeugung wird in der Brennstoffzelle 110 auch Wärme frei. Um ein Aufheizen der Brennstoffzelle 110 durch die freigewordene Wärme zu vermeiden, wird diese durch einen schematisch dargestellten Kühlkreislauf 120 abgeführt. Der Kühlkreislauf 120 weist hier insbesondere eine Pumpe 122 auf, durch die Kühlmittel entlang der Pfeilrichtung durch den Kühlkreislauf 120 und damit insbesondere durch die Brennstoffzelle 110 geführt wird. Zudem weist der Kühlkreislauf 120 einen Wärmetauscher 124 auf, wie z.B. einen Ventilator und/oder Radiator oder dergleichen, um die an der Brennstoffzelle 110 aufgenommene Wärme abgeben zu können. Der Kühlkreislauf 120 ist hierbei einem Fachmann an sich bekannt und braucht hier nicht näher erläutert werden. Der Kühlkreislauf 120 kann insbesondere noch weitere, einem Fachmann bekannte Komponenten aufweisen, wie z.B. verschiedene Ventile, Umgehungs- oder Bypassleistungen, Messelemente für Druck, Durchfluss, Temperatur und dergleichen.
Die Kühlleistung des Kühlkreislaufes 120 wird von einer Steuereinheit 130 bestimmt, etwa einem Computer, einer CPU, einem Prozessor, einem darauf ausgeführtes Programm oder dergleichen. So kann die Steuereinheit 130 z.B. die Pumpendrehzahl der Pumpe 122 anpassen, um die Durchflussmenge, d.h. den Massen- oder äquivalent den Volumenstrom, des Kühlmittels zu verändern. Eine höhere Pumpendrehzahl führt zu einem schnelleren Abtransport des aufgeheizten Kühlmittels und damit zu einer stärkeren Kühlung.
Die Pumpendrehzahl der Pumpe 122 wird von der Steuervorrichtung 130 hierbei derart eingestellt, dass die Temperatur in der Brennstoffzelle 110 sich auf eine vorgegebene Temperatur einpendelt. Hierzu kann die Temperatur des Kühlmittels mittels entsprechenden Temperatursensoren 142, 144 im Kühlkreislauf 120 vor und nach der Brennstoffzelle 110 gemessen und daraus die Temperatur in der Brennstoffzelle 110 bestimmt werden. Es kann aber auch die Eingangs- und/oder die Ausgangstemperatur auf einen bestimmten Wert gesetzt werden, da der Wärmeeintrag in der Brennstoffzelle 110 bei bekannter Leistung bekannt ist bzw. berechnet oder abgeschätzt werden kann.
Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung 130 eine Temperaturdifferenz ΔT vorgeben, die zwischen den Temperatursensoren 142, 144 bestehen soll, um (bei bekanntem Eingangs- oder Ausgangstemperaturwert) eine vorgegebene Temperatur in der Brennstoffzelle zu erreichen. Die Steuervorrichtung 130 kann die von der Brennstoffzelle 110 erzeugte Spannung U sowie die Leistung P abfragen, die der Last 118 zur Verfügung gestellt wird. Bei bekannter Dichte ρ und spezifischer Wärmekapazität c_P des Kühlmittels ergibt sich ein von der Pumpe 122 zu erzeugender Volumenstrom V̇ durch die Brennstoffzelle 110, mit dem die Temperaturdifferenz ΔT erreicht werden kann, zu $\dot{V} = P \frac{U_{H}^{D} \times n - U}{U (ρ \times c_{p} \times Δ T)} .$
Die Größe U^D _H ist hier das Standardpotential von Wasserstoff für dampfförmiges Wasser und beträgt U^D _H = 1,25 V, während n die Zahl der Zellen im Brennstoffzellenstapel 110 angibt.
Der Volumenstrom V̇ kann von der Steuervorrichtung 130 über den für jede Pumpe 122 prinzipiell bekannten Zusammenhang zwischen Pumpendrehzahl und Volumenstrom in eine Pumpendrehzahl umgesetzt werden, z.B. mittels einer Kennlinie oder eines Kennfeldes.
Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung 130 im Idealfall die Pumpendrehzahl festlegen, um eine bestimmte Temperaturdifferenz ΔT über der Brennstoffzelle 110 und damit eine vorgegebene Temperatur in der Brennstoffzelle 110 festzulegen.
Dieser Idealfall ist aber oft nicht realisiert. Insbesondere kann er durch das Auskondensieren von in der Brennstoffzelle 110 erzeugtem Wasser(dampf) gestört werden. Dieser Wassereintrag in die Brennstoffzelle 110 kann zum einen zur Befeuchtung von Anode 112, Kathode 114 und Elektrolyt 116 von Vorteil sein. Ein Übermaß an Wasser in der Brennstoffzelle 110 kann aber die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 110 mindern, z.B. indem Gasströmungen durch die Brennstoffzelle 110 behindert werden.
Zudem wird durch die beim Auskondensieren frei werdende Kondensationswärme die bezüglich des Idealfalls eingestellte Pumpendrehzahl nicht mehr ausreichen, um die Temperatur auf dem vorgegebenen Wert zu halten. Dadurch kann es ohne Gegenmaßnahmen zur Überhitzung der Brennstoffzelle 110 kommen, woraus ebenfalls Leistungseinbußen resultieren können.
Um den Wassereintrag in der Brennstoffzelle 110 abschätzen oder sogar quantitativ bestimmen zu können, macht sich das Brennstoffzellensystem 100 bzw. die Steuervorrichtung 130 gerade diese Abweichung der Temperatur zu Nutze. Die Steuervorrichtung 130 ist nämlich in der Lage die Kondensationswärme des auskondensierenden Wassers aus der Änderung der Pumpendrehzahl zu bestimmen, die notwendig ist, um die vorgegebene Temperatur (bzw. die Temperaturdifferenz) zu halten. Aus dieser Kondensationswärme kann dann aufgrund der bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten die Menge an auskondensiertem Wasser berechnet werden. Falls notwendig, kann die Steuervorrichtung 130 daraufhin die vorgegebene Temperatur oder die Temperaturdifferenz ΔT anpassen, (z.B. durch Anpassen der zulässigen Ausgangstemperatur am Temperatursensor 144).
Auf diese Weise lässt sich die Kondensationswärme bzw. die Menge an auskondensiertem Wasser für einen bestimmten Zeitraum aus üblicher Weise gemessenen Parametern berechnen und gegebenenfalls durch Änderungen der Betriebsparameter anpassen. Dadurch kann die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 ohne die Notwendigkeit erhöht werden, zusätzliche Komponenten einzusetzen.
Die Bestimmung der Kondensationswärme kann hierbei z.B. bei einer Regelung auf die vorgegebene Temperatur in der Brennstoffzelle 110 bzw. auf eine vorgegebene Temperaturdifferenz ΔT durch Vorgabe von Eingangs- und/oder Ausgangstemperatur an den Temperatursensoren 142, 144 erfolgen.
Es kann dann in einem Vorsteuerschritt von der Steuervorrichtung 130 zunächst der Volumenstrom bzw. die Pumpendrehzahl gemäß der Gl. 1 eingestellt werden. Hierauf wird über Änderungen der Pumpendrehzahl auf die vorgegebene Temperatur geregelt. Aus in diesem Prozess notwendige Änderungen der Pumpendrehzahl bzw. des Volumenstroms pro Zeiteinheit kann die pro Zeiteinheit durch Kondensation von Wasser erzeugte Kondensationswärme errechnet werden, solange von einer gleichbleibenden Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle ausgegangen werden kann.
Insbesondere ergibt sich die Kondensationswärme Q̇_Kond pro Zeiteinheit dt gemäß der Formel $\frac{{\dot{Q}}_{K o n d}}{d t} = ρ \times c_{p} \times Δ T \times \frac{\dot{V}}{d t},$
wobei $\frac{\dot{V}}{d t}$
die für die Regelung ΔT notwendige Änderung des Volumenstroms ist.
Auf diese Weise kann im normalen Betrieb der Brennstoffzelle anhand von bekannten Betriebsgrößen eine Wirkungsgradverschlechterung aufgrund von ausfallendem Flüssigwasser in der Brennstoffzelle frühzeitig erkannt werden. Durch Anpassen der Temperaturdifferenz ΔT und hierbei insbesondere der Ausgangstemperatur am Temperatursensor 144 kann dann die Menge an auskondensiertem Wasser beeinflusst werden. Dies erhöht die Effizienz des Brennstoffzellensystems.
Des Weiteren ist es in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 möglich, den Anteil φ_w von flüssigem Wasser an der insgesamt in der Brennstoffzelle 110 erzeugten Wassermenge abzuschätzen bzw. einzustellen. Kondensiert Wasser aus, ändert sich die oben dargestellte Gleichung (1) um die Kondensationswärme Q̇_Kond: $\dot{V} = P \frac{U_{H}^{D} \times n - U}{U (ρ \times c_{p} \times Δ T)} + \frac{{\dot{Q}}_{K o n d}}{ρ \times c_{p} \times Δ T} .$
Das Anteil von Flüssigwasser φ_w ist gleich 1, wenn sämtliches produziertes Wasser auskondensiert, d.h. wenn die Kondensationswärme Q̇_Kond maximal ist. Der Anteil von Flüssigwasser φ_w entspricht also dem Verhältnis der Kondensationswärme Q̇_Kond zur maximal möglichen Kondensationswärme Q̇_Kond,max: $φ_{W} = \frac{{\dot{Q}}_{K o n d}}{{\dot{Q}}_{K o n d, m a x}} .$
Q̇_Kond,max ist dabei von der verwendeten Brennstoffzelle 110 und deren Betriebszustand abhängig, kann aber prinzipiell bestimmt werden, z.B. durch Kalibration. Auch ist eine theoretische Bestimmung möglich, die z.B. für einen aus n Zellen bestehenden Brennstoffzellenstapel ergibt: ${\dot{Q}}_{K o n d, m a x} = \frac{P \times n}{U} \times (U_{H}^{W} - U_{H}^{D}),$
wobei U^W _H das Standardpotential für flüssiges Wasser ist und 1,482 V beträgt.
Aus diesen Zusammenhängen ergibt sich die Abhängigkeit des Volumenstroms vom Flüssigwasseranteil φ_W zu $\dot{V} = P \frac{U_{H}^{D} \times n - U + φ_{W} \times n \times (U_{H}^{W} - U_{H}^{D})}{U (ρ \times c_{p} \times Δ T)} .$
Aus Gleichung 6 lässt sich damit der Flüssiganteil φ_w aus dem Volumenstrom V̇ und der Temperaturdifferenz ΔT bestimmen. Ebenso können die Temperaturdifferenz ΔT und der Flüssigwasseranteil φ_w als Sollgrößen vorgegeben werden, die dann über die obige Formel einem Sollwert für V̇ entsprechen. Das Verhältnis des tatsächlich gemessenen Volumenstrom, bzw. der diesem Volumenstrom entsprechenden Pumpendrehzahl zum Sollwert für den Volumenstrom/die Pumpendrehzahl gibt dann Aufschluss über die Abweichung des Flüssiganteils φ_w vom angestrebten Wert. Auf diese Weise lässt sich im Brennstoffzellensystem 100 die Feuchte in der Brennstoffzelle 110 verlässlich abschätzen bzw. einstellen, wodurch die Brennstoffzelle effizienter betrieben werden kann.
Die 2 zeigt in schematischer Weise ein Kraftfahrzeug 200 mit einem Brennstoffzellensystem 100, wie es oben beschrieben wurde. Das Kraftfahrzeug 200 weist hierbei einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200 auf, der z.B. die Last 118 darstellten kann. Hierdurch werden die oben genannten Vorteile für den Betrieb von Kraftfahrzeugen 200 zugänglich. Insbesondere erhöht sich durch die verbesserte Effizienz des Brennstoffzellensystems die Reichweite des Kraftfahrzeugs bei gleicher Betankung.
Die 3 stellt in schematischer Weise die Hauptschritte des oben beschriebenen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nochmals dar.
Bei S101 wird eine elektrischen Leistung in der Brennstoffzelle 110 erzeugt.
Bei S102 wird eine Pumpendrehzahl der Pumpe 122 des Kühlkreislaufes 120 eingestellt, um durch Abführen der bei der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 110 generierte Wärme, die Temperatur der Brennstoffzelle 110 auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.
Bei S103 wird eine durch Auskondensation von Wasser in der Brennstoffzelle 110 erzeugte Kondensationswärme pro Zeiteinheit aus einer bei konstanter Leistung zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendigen Änderung der Pumpendrehzahl pro Zeiteinheit bestimmt.
Anschließend kann aus der Kondensationswärme pro Zeiteinheit die Menge an auskondensiertem Wasser pro Zeiteinheit bestimmt werden, um hierauf zu entscheiden, ob eine Anpassung der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 100 notwendig ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016109306 A1 [0004]
US 2012/0148927 A1 [0004]
US 2013/0149628 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (100) aufweisend eine Brennstoffzelle (110) mit einer Anode (112) und einer Kathode (114), die geeignet ist, unter Zuführung von Wasserstoff zur Anode (112) und Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode (114) elektrische Leistung zu erzeugen, um eine zwischen Anode (112) und Kathode (114) geschaltete elektrische Last (118) zu betreiben; einem Kühlkreislauf (120) mit einer Pumpe (122), der geeignet ist, von der Brennstoffzelle (110) bei der Leistungserzeugung generierte Wärme abzuführen, um die Temperatur der Brennstoffzelle (110) durch Einstellung einer Pumpendrehzahl auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten; und einer Steuervorrichtung (130), die geeignet ist, aus einer bei konstanter Leistung zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendigen Änderung der Pumpendrehzahl pro Zeiteinheit eine durch Auskondensation von Wasser in der Brennstoffzelle (110) erzeugte Kondensationswärme pro Zeiteinheit zu bestimmen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, aus der bestimmten Kondensationswärme pro Zeiteinheit eine pro Zeiteinheit auskondensierte Menge an Wasser zu berechnen.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, die vorgegebene Temperatur in Abhängigkeit von der bestimmten Kondensationswärme pro Zeiteinheit zu verändern, um eine Menge an auskondensiertem Wasser in der Brennstoffzelle (110) zu verändern.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in dem Kühlkreislauf (120) ein Kühlmittel zirkuliert, das durch die Brennstoffzelle (110) geführt wird; die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, die von der Brennstoffzelle (110) erzeugte elektrische Leistung, eine zwischen der Anode (112) und der Kathode (114) anliegende elektrische Spannung, und eine Temperaturdifferenz der Kühlmitteltemperaturen vor und hinter der Brennstoffzelle (110) zu messen; die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, basierend auf den gemessenen Parametern und der Kenntnis der physikalischen Eigenschaften des Kühlmittels einen Volumenstrom durch den Kühlkreislauf (120) zu berechnen, bei dem die vorgegebene Temperatur ohne Auskondensation von Wasser erreicht wird, und die Pumpendrehzahl derart einzustellen, dass der berechnete Volumenstrom erreicht wird; und die Steuervorrichtung (130) geeignet ist aus einer nach Einstellung der Pumpendrehzahl auftretenden Abweichung der Temperatur der Brennstoffzelle (110) von der vorgegebenen Temperatur auf die pro Zeiteinheit erzeugte Kondensationswärme zu schließen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, die Pumpendrehzahl zunächst in einem Vorsteuerschritt auf den berechneten Volumenstrom einzustellen und hierauf die Pumpendrehzahl auf das Erreichen der vorgegebenen Temperatur zu regeln; und die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, aus während der Regelung auftretenden Änderungen der Pumpendrehzahl auf die pro Zeiteinheit erzeugte Kondensationswärme zu schließen.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, den Volumenstrom V̇ gemäß der Formel $\dot{V} = P \frac{U_{H}^{D} \times n - U}{U (ρ \times c_{p} \times Δ T)}$
zu bestimmen, mit P der elektrischen Leistung, U der elektrischen Spannung, ΔT der Temperaturdifferenz, die zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendig ist, ρ der Dichte des Kühlmittels, c_p der spezifischen Wärme des Kühlmittels, U^D _H des Standardpotentials von Wasserstoff für dampfförmiges Wasser und n der Anzahl von Zellen in der Brennstoffzelle (110); und die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, die Kondensationswärme Q̇_Kond pro Zeiteinheit dt gemäß der Formel $\frac{{\dot{Q}}_{K o n d}}{d t} = ρ \times c_{p} \times Δ T \times \frac{\dot{V}}{d t}$
zu bestimmen, mit $\frac{\dot{V}}{d t}$
der zur Beibehaltung der Temperaturdifferenz ΔT notwendigen Änderung des Volumenstroms.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (130) geeignet ist, aus den Betriebsparametern der Brennstoffzelle (110) und der Pumpendrehzahl einen Anteil an Flüssigwasser am in der Brennstoffzelle (110) produzierten Wasser zu bestimmen.
Kraftfahrzeug (200) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, vorzugsweise zum Antreiben eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs (200).
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend Erzeugen einer elektrischen Leistung in der Brennstoffzelle (110); Einstellen einer Pumpendrehzahl der Pumpe (122) des Kühlkreislaufes (120), um durch Abführen der bei der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle (110) generierte Wärme, die Temperatur der Brennstoffzelle (110) auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten; und Bestimmen einer durch Auskondensation von Wasser in der Brennstoffzelle (110) erzeugten Kondensationswärme pro Zeiteinheit aus einer bei konstanter Leistung zur Beibehaltung der vorgegebenen Temperatur notwendigen Änderung der Pumpendrehzahl pro Zeiteinheit.