DE102021207337A1

DE102021207337A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Info

Publication number: DE102021207337A1
Application number: DE102021207337.9A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer; Matthias Rink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-12
Also published as: WO2023285153A1; CN117642895A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der von Kühlkanälen durchzogen ist, die über einen Kühlkreis (3) unter Verwendung einer Kühlmittelpumpe (4) mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden. Erfindungsgemäß wird bei einem Kalt- oder Gefrierstart die Temperatur der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel (2) mittelbar über die Druckdifferenz (Δp) des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) erfasst und die Drehzahl (n) der Kühlmittelpumpe (4) wird in Abhängigkeit von der mittelbar erfassten Temperatur geregelt.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Kalt- oder Gefrierstart. Das Verfahren ist somit insbesondere zum Betreiben von Brennstoffzellensystemen in mobilen Anwendungen geeignet.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle wandelt einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Zur Steigerung der Leistung werden in der Regel eine Vielzahl an Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden und über den Brennstoffzellenstapel durchziehende Versorgungskanäle mit den Reaktionsgasen versorgt. Die bei dem elektrochemischen Prozess in den Brennstoffzellen anfallende Wärme wird mit Hilfe eines Kühlkreises abgeführt und über einen Kühler - in mobilen Anwendungen in der Regel der Fahrzeugkühler - an die Umgebung abgeführt. Das Kühlmittel des Kühlkreises wird mit Hilfe einer in den Kühlkreis integrierten Kühlmittelpumpe durch den Brennstoffzellenstapel durchziehende Kühlmittelversorgungskanäle hindurchgepumpt. Zur Umgehung des Kühlers kann in den Kühlkreis ein Wegeventil integriert sein. Eine Umgehung des Kühlers kann beispielsweise im Startfall von Vorteil sein. Denn im Startfall, insbesondere bei Umgebungstemperaturen unter 0°C, soll der Brennstoffzellenstapel so schnell wie möglich aufgeheizt werden, um Wasser- und/oder Eisansammlungen zu vermeiden, die den Start verzögern oder sogar verhindern könnten. Die Vereisungsgefahr ist allerdings erst gebannt, wenn das Kühlmittel vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel sicher über 0°C aufgewärmt worden ist.
Zum Aufwärmen des Kühlmittels bei einem Gefrierstart kann die in Verbindung mit der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen anfallende Wärme genutzt werden. Alternativ kann das Kühlmittel extern erwärmt werden. In beiden Fällen wird jedoch der Startprozess in die Länge gezogen. Zudem müssen - aufgrund der ständigen Abkühlung der Brennstoffzellen unter 0°C - Maßnahmen zur Erhöhung der Eistoleranz der Brennstoffzellen getroffen werden, beispielsweise durch Eispuffer in den Brennstoffzellen und/oder Heizer im Brennstoffzellensystem.
Während eines Gefrierstarts muss der Kühlmittelvolumenstrom hoch genug sein, um lokale Temperaturspitzen, sogenannte „Hot Spots“, sowie eine zu große Temperaturdifferenz zwischen der Eintritts- und der Austrittstemperatur des Kühlmittels zu vermeiden. Zugleich muss der Kühlmittelvolumenstrom niedrig genug sein, um eine zu hohe Temperaturabsenkung und damit Vereisung bei Eintritt in den Brennstoffzellenstapel zu verhindern. Die Regelung des Kühlmittelvolumenstroms erfolgt über die Pumpendrehzahl der Kühlmittelpumpe. Diese wird üblicherweise in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Eingang und am Ausgang des Brennstoffzellenstapels geregelt. Die Änderung der Kühlmitteltemperatur weist jedoch bei einem Gefrierstart aufgrund der hohen Viskosität des Kühlmittels einen großen zeitlichen Versatz gegenüber der Temperaturänderung in den Brennstoffzellen auf.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, bei dem im Fall eines Kalt- oder Gefrierstarts die Temperatur im Brennstoffzellenstapel möglichst schnell und zuverlässig erfassbar ist, um in Abhängigkeit von der Temperatur die Drehzahl einer Kühlmittelpumpe und damit den Kühlmittelvolumenstrom durch den Brennstoffzellenstapel einstellen zu können.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel umfasst, der von Kühlkanälen durchzogen ist. Bei dem Verfahren werden die Kühlkanäle über einen Kühlkreis unter Verwendung einer Kühlmittelpumpe mit einem Kühlmittel beaufschlagt. Erfindungsgemäß wird bei einem Kalt- oder Gefrierstart die Temperatur der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel mittelbar über die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel erfasst. In Abhängigkeit von der mittelbar erfassten Temperatur wird die Drehzahl der Kühlmittelpumpe geregelt.
Als Größe zur Erfassung der Temperatur in den Brennstoffzellen dient damit nicht mehr die Temperatur des Kühlmittels am Ein- und Ausgang des Brennstoffzellenstapels, sondern der Druck des Kühlmittels bzw. die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel. Da sich mit der Temperatur im Brennstoffzellenstapel die Viskosität des die Kühlkanäle des Brennstoffzellenstapels durchströmenden Kühlmittels ändert, kann von der Druckdifferenz zwischen dem Druck des Kühlmittels am Eingang des Brennstoffzellenstapels und dem Druck des Kühlmittels am Ausgang des Brennstoffzellenstapels auf die Temperatur im Brennstoffzellenstapel geschlossen werden.
Die Verwendung der Druckdifferenz als Größe zur mittelbaren Erfassung der Temperatur in den Brennstoffzellen besitzt den Vorteil, dass die Druckdifferenz im Wesentlichen gegengleich zum Temperaturanstieg in den Brennstoffzellen verläuft, das heißt abnimmt, und zwar ohne zeitliche Verzögerung. Die Temperatur kann somit schneller und zuverlässiger erfasst werden.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht auf diese Weise eine verbesserte Einstellung der Drehzahl der Kühlmittelpumpe während eines Kalt- oder Gefrierstarts. Beispielsweise kann die Gefahr einer Vereisung aufgrund eines zu hohen Kühlmittelvolumenstroms verringert werden. Durch die verringerte Vereisungsgefahr können wiederum die Maßnahmen zur Erhöhung der Eistoleranz der Brennstoffzellen herabgesetzt werden, so dass die Kosten sinken. Darüber hinaus kann ein schneller Gefrierstart realisiert werden, da der Kühlmittelvolumenstrom nicht reduziert werden muss, um zu hohe Temperaturdifferenzen zu vermeiden. Ferner können durch Temperaturdifferenzen bedingte Leckagen eliminiert werden, so dass sich in der Folge die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems erhöht.
Das Heranziehen der Druckdifferenz als Größe zur mittelbaren Erfassung der Temperaturänderung im Brennstoffzellenstapel weist ferner den Vorteil auf, dass die Druckdifferenz mit Hilfe einfacher Drucksensoren vergleichsweise einfach und kostengünstig erfasst werden kann.
Bevorzugt wird daher zur Erfassung der Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel der Druck des Kühlmittels am Eingang und am Ausgang des Brennstoffzellenstapels mit Hilfe mit Hilfe mehrerer Drucksensoren oder mit Hilfe eines Differenzdrucksensors gemessen. Drucksensoren bzw. Differenzdrucksensoren sind in der Anschaffung deutlich günstiger als beispielsweise Volumenstromsensoren. Ein erster Drucksensor kann am Eingang, ein zweiter Drucksensor am Ausgang des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Die Drucksensoren können auch mit einem Temperatursensor kombiniert werden, so dass Druck- und Temperatursensoren zum Einsatz gelangen. Da Temperatursensoren in der Regel bereits vorhanden sind, kann auf diese Weise die Anzahl der Sensoren geringgehalten werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass während des Kalt- oder Gefrierstarts die Drehzahl der Kühlmittelpumpe kontinuierlich oder schrittweise gesteigert wird, um die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen konstant oder in einem vorgegebenen Bereich zu halten. Die Steigerung der Drehzahl der Kühlmittelpumpe führt zu einer schnellen Aufheizung des Kühlmittels und damit der Brennstoffzellen. Die Pumpendrehzahl kann dabei kontinuierlich oder schritt- bzw. stufenweise gesteigert werden. Die schrittweise Steigerung weist den Vorteil auf, dass die Pumpendrehzahl während des Kalt- oder Gefrierstarts weniger stark ansteigt und eine zu hohe Pumpendrehzahl vermieden wird. Hierzu wird in einem ersten Schritt die Pumpendrehzahl solange erhöht, bis eine vorgegebene maximale Druckdifferenz von beispielsweise 10 mbar messbar ist. Danach bleibt sie eine Weile konstant, so dass wegen der Aufwärmung des Kühlmittels die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel wieder abnimmt. Erreicht sie eine vorgegebene Mindest-Druckdifferenz von beispielsweise 5 mbar, wird in einem zweiten Schritt die Pumpendrehzahl wieder angehoben, bis die Druckdifferenz erneut den vorgegebenen maximalen Wert erreicht hat. Dies kann solange wiederholt werden, bis die Kühlmitteltemperatur ihre Ziel-Temperatur erreicht hat und der Kalt- oder Gefrierstart abgeschlossen ist. Bei einer schrittweisen Steigerung der Pumpendrehzahl weist vorzugsweise die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel einen sägezahnähnlichen Verlauf innerhalb des vorgegebenen Bereichs auf.
Weist dagegen die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel einen ansteigenden Verlauf auf und/oder übersteigt einen vorgegebenen maximalen Wert, muss die Drehzahl der Kühlmittelpumpe gesenkt werden. Denn ein entsprechender Verlauf der Druckdifferenz ist ein Zeichen für einen zu hohen Volumenstrom, so dass die Gefahr einer Vereisung besteht. Denn bei einem zu hohen Volumenstrom werden die Brennstoffzellen durch das Kühlmittel eher abgekühlt statt erwärmt.
Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass während des Kalt- oder Gefrierstarts die Drehzahl der Kühlmittelpumpe reduziert wird, wenn die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel einen ansteigenden Verlauf zeigt und/oder über einen vorgegebenen maximalen Wert steigt. Auf diese Weise kann eine durch den Kühlmittelvolumenstrom verursachte Vereisung sicher vermieden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Betriebsstrategie wird die Drehzahl der Kühlmittelpumpe während des Kalt- oder Gefrierstarts konstant gehalten, um die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel zu senken. Dieser Verlauf entspricht einer normalen Erwärmung der Brennstoffzellen. Damit verringert sich zugleich die Gefahr der Vereisung aufgrund eines zu hohen Kühlmittelvolumenstroms. Sollte die Druckdifferenz ansteigen, kann auch hier durch Reduzieren der Drehzahl der Kühlmittelpumpe gegengesteuert werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein erster Schwellwert festgelegt wird, der eine anfängliche Mindestdruckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel definiert, und in Vorbereitung eines Kalt- oder Gefrierstarts die Drehzahl der Kühlmittelpumpe solange erhöht wird, bis der Schwellwert erreicht ist. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass ein verwertbarer Messbereich während des Kalt- oder Gefrierstarts zur Verfügung steht. Denn während eines Kalt- oder Gefrierstarts steigt die Temperatur der Brennstoffzellen schnell an, so dass der Temperaturverlauf und damit der Verlauf der Druckdifferenz jeweils sehr steil sind. Die anfängliche Druckdifferenz muss daher ausreichend hoch gewählt werden. Die Drehzahl der Kühlmittelpumpe wird daher bis zum Erreichen des Schwellwerts gesteigert. Damit der aus der hohen Pumpendrehzahl resultierende hohe Volumenstrom nicht für eine Vereisung im Eintrittsbereich der Brennstoffzellen sorgt, sollte die Drehzahl aber auch nicht zu hoch gewählt werden. Der Schwellwert sollte demnach in Vorbereitung des Kalt- oder Gefrierstarts erreicht, aber nicht deutlich überschritten werden. Auf diese Weise wird einerseits einer Vereisung entgegengewirkt, andererseits ein ausreichend hoher Kühlmittelvolumenstrom erzielt, der die Ausbildung von „Hot Spots“ verhindert.
Der erste Schwellwert kann beispielsweise bei 50 mbar liegen. Das Kühlmittel wird in diesem Fall so umgewälzt, dass die entstehende Wärme in den Brennstoffzellen gut verteilt wird. Zugleich ist der Kühlmittelstrom so klein, dass eine Vereisung im Eintrittsbereich der Brennstoffzellen vermieden wird.
Ferner bevorzugt werden zwei weitere Schwellwerte festgelegt, die einen Bereich für eine während des Kalt- oder Gefrierstarts zu erreichende Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel definieren. Das heißt, dass am Ende des Kalt- oder Gefrierstarts eine Druckdifferenz erreicht werden sollte, die in einem zuvor festgelegten Bereich liegt, der nach unten durch einen zweiten Schwellwert und nach oben durch einen dritten Schwellwert begrenzt wird. Der zweite Schwellwert, der beispielsweise bei 5 mbar liegen kann, stellt sicher, dass der Kühlmittelvolumenstrom ausreichend hoch ist, um das Kühlmittel umzuwälzen. Der dritte Schwellwert, der darüber liegt und beispielsweise 15 mbar betragen kann, stellt eine Bezugsgröße dar, die - wie nachfolgend beschrieben - eine Adaption des ersten Schwellwerts ermöglicht. Gleiches gilt auch für den zweiten Schwellwert.
Denn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der erste Schwellwert angehoben oder gesenkt, wenn am Ende des Kalt- oder Gefrierstarts die Druckdifferenz des Kühlmittels über dem Brennstoffzellenstapel außerhalb des Bereichs der zu erreichenden Druckdifferenz liegt. Das heißt, dass der erste Schwellwert bei einer Unterschreitung des zweiten Schwellwerts angehoben und bei einer Überschreitung des dritten Schwellwerts gesenkt wird, um in den vorgegebenen Bereich zu gelangen. Das heißt, dass der erste Schwellwert entsprechend adaptiert wird. Die Adaption ermöglicht eine optimale Einstellung der anfänglichen Drehzahl der Kühlmittelpumpe und damit des Kühlmittelvolumenstroms durch den Brennstoffzellenstapel in Abhängigkeit von der Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel am Ende des Kalt- oder Gefrierstarts und damit in Abhängigkeit von der Temperatur.
Aufgrund der stark temperaturabhängigen Viskosität des Kühlmittels bzw. des dadurch bedingten großen Variationsbereichs der Druckdifferenz kann der erste Schwellwert für jede Anfangstemperatur anders ausfallen. Vorzugsweise wird daher für jede Anfangstemperatur ein erster Schwellwert definiert. Dieser kann dann in einem Steuergerät abgelegt werden. Darüber hinaus können bei der Festlegung des ersten Schwellwerts weitere Abhängigkeiten berücksichtigt werden, beispielsweise die Abstelldauer, von der abhängt, ob die Brennstoffzellen vollständig oder unvollständig durchtemperiert werden müssen.
Bevorzugt wird der Verlauf der Druckdifferenz während des Kalt- oder Gefrierstarts oder nach dem Kalt- oder Gefrierstart ausgewertet und im Fall eines zeitweilig stagnierenden Verlaufs wird der dritte Schwellwert gesenkt, so dass dieser näher an den zweiten Schwellwert rückt. Ein stagnierender Verlauf ist in der graphischen Darstellung des Druckverlaufs als Plateau erkennbar. Dieses weist auf eine Vereisung sowie einen Abtauvorgang hin. Dies kann als Zeichen dafür gesehen werden, dass die Anfangsdrehzahl der Kühlmittelpumpe zu hoch war. Durch Senken des dritten Schwellwerts erfolgt eine Adaption des ersten Schwellwerts und damit eine Absenkung der Anfangsdrehzahl der Kühlmittelpumpe, so dass die Gefahr einer Vereisung bei einem nachfolgenden Kalt- oder Gefrierstart minimiert ist.
Des Weiteren bevorzugt wird bzw. werden mindestens ein Schwellwert, vorzugsweise alle Schwellwerte, in einem Steuergerät abgelegt, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen. Das Verfahren kann somit weitgehend automatisiert werden.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere können mit Hilfe des Steuergeräts die zuvor beschriebenen verschiedenen Betriebsstrategie umgesetzt werden. Hierzu kann im Steuergerät mindestens ein Schwellwert abgelegt sein. Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts der Verlauf der Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel ausgewertet werden. Das Steuergerät erhält die erforderlichen Messwerte von den Drucksensoren bzw. dem Differenzdrucksensor. Abhängig von dem Ergebnis der Auswertung kann mit Hilfe des Steuergeräts die Kühlmittelpumpe angesteuert werden, um die Drehzahl der Kühlmittelpumpe anzuheben, zu senken oder konstant zu halten.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines mobilen Brennstoffzellensystems, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,
2 eine schematische Darstellung der Medienversorgung eines Brennstoffzellenstapels für ein Brennstoffzellensystem,
3 ein Diagramm zur Darstellung der Verläufe der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel, der Kühlmitteltemperatur am Eingang T_Ein und am Ausgang T_AUS des Brennstoffzellenstapels, des Kühlmittelvolumenstroms Q, der Drehzahl n der Kühlmittelpumpe und des Stroms I über der Zeit t,
4 ein Blockschaltbild, das den Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt,
5 ein Blockschaltbild, das den Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt,
6 ein Diagramm zur Darstellung eines bevorzugten Verlaufs der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel während eines Kalt- oder Gefrierstarts,
7-9 jeweils ein Blockschaltbild, das den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt,
10 ein Diagramm zur Darstellung eines weiteren bevorzugten Verlaufs der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel einschließlich der Pumpendrehzahl während eines Kalt- oder Gefrierstarts, und
11 ein Diagramm zur Darstellung temperaturabhängiger Schwellwerte der Druckdifferenz.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 dient der Erzeugung elektrischer Antriebsenergie. Hierzu umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anode 10 und eines Kathode 23. Im Betrieb des Systems wird der Anode 10 über einen Anodenpfad 11 ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und der Kathode 23 über einen Kathodenpfad 24 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt.
Der Brennstoff wird in einem Tank 12 bevorratet, der über ein Absperrventil 13 absperrbar ist. Stromabwärts des Absperrventils 13 sind ein Wärmetauscher 14 zur Temperierung des Brennstoffs und ein Druckregler 15 zur Druckregelung im Anodenpfad 11 angeordnet. Ferner sind eine Strahlpumpe 16 sowie ein in einem Rezirkulationspfad 17 angeordnetes Gebläse 18 vorgesehen, mit deren Hilfe aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretender Brennstoff rezirkuliert werden kann. Das der austretende Brennstoff Flüssigwasser enthalten kann, wird er vor der Rezirkulation einem Wasserabscheider 19 zugeführt, der das Flüssigwasser aus dem Gas abscheidet und in einem Behälter 20 sammelt. Bei vollem Behälter 20 wird ein Drainventil 21 geöffnet und der Behälter 20 geleert. Das sich im Laufe der Zeit der Brennstoff mit Stickstoff anreichert, der von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert, wird von Zeit zu Zeit der Anodenbereich gespült. Hierzu wird ein Purgeventil22 geöffnet. Der über das Purgeventil abgelassene Menge wird durch frischen Brennstoff aus dem Tank 12 ersetzt.
Die Luft wird der Umgebung entnommen und über einen im Kathodenpfad 24 angeordneten Luftfilter 25 einem Luftverdichter 26 zum Verdichten zugeführt. Da sich dabei die Luft erwärmt, ist ferner ein Wärmetauscher 27 vorgesehen, der die Luft abkühlt. Durch Absperrventile 28 auf der Eintritts- und Austrittseite kann im Abstellfall der Lufteintritt in den Brennstoffzellenstapel 2 unterbunden werden. Die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 29 wieder an die Umgebung abgeführt. Darüber hinaus ist ein Bypasspfad 30 mit einem hierin angeordneten Bypassventil 31 zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 2 vorgesehen.
Der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 erzeugt neben elektrischer Energie auch Wärme. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist daher an einen Kühlkreis 3 mit integrierter Kühlmittelpumpe 4 angebunden. Das zirkulierende Kühlmittel gibt die aufgenommene Wärme an einen Kühler 6 ab, wobei es sich insbesondere um den Hauptkühler des Fahrzeugs handeln kann. Zur Umgehung des Kühlers 6 ist ein Kühler-Bypass 7 vorgesehen, der über ein Wegeventil 8 geöffnet wird. Im Bereich eines Eingangs 2.1 in den Brennstoffzellenstapel 2 sowie im Bereich eines Ausgang 2.2 aus dem Brennstoffzellenstapel 2 ist in den Kühlkreis 3 jeweils ein Drucksensor 5 integriert. Diese messen den Druck des Kühlmittels im Bereich des Eingangs 2.1 und des Ausgangs 2.2, so dass anhand dieser Messwerte die Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2 erfassbar ist (siehe auch 2). Alternativ zu den beiden Drucksensoren 5 kann auch ein Differenzdrucksensor (nicht dargestellt) verwendet werden.
Wie beispielhaft in der 3 dargestellt nimmt bei einem Kalt- oder Gefrierstart die Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2 bei konstanter Drehzahl n der Kühlmittelpumpe 4 ab. Der Verlauf ist gegenläufig zur Temperatur des Kühlmittels, da mit steigender Temperatur die Viskosität des Kühlmittels abnimmt. In der 3 sind die Verläufe der Kühlmitteltemperatur T_Ein im Bereich des Eingangs 2.1 sowie T_Aus im Bereich des Ausgangs 2.2 angegeben. Zugleich steigt der Kühlmittelvolumenstrom Q an. Die Änderung der Temperatur ist demnach mittelbar am Volumenstrom Q bzw. an der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels ablesbar. Diesen Zusammenhang macht sich die vorliegende Erfindung zu nutze. Da die Druckdifferenz Δp mit Hilfe einfacher Drucksensoren (siehe Drucksensoren 5 in den 1 und 2) erfassbar ist, die im Vergleich zu Volumenstromsensoren zudem deutlich günstiger sind, stellt die Erfindung auf die Druckdifferenz Δp zur mittelbaren Erfassung der Temperaturänderung im Brennstoffzellenstapel 2 ab.
Eine erste mögliche Betriebsstrategie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in der 4 dargestellt. Zu Beginn eines Kalt- oder Gefrierstarts (Schritt 100) wird zunächst die Kühlmittelpumpe 4 eingeschaltet (Schritt 110). Anschließend wird geprüft (Schritt 120), ob die Kühlmitteleintrittstemperatur T_Ein über 0°C liegt. Ist dies der Fall („ja“), kann das Verfahren bereits beendet werden (Schritt 130). Sofern dies nicht der Fall ist („nein“), wird die Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2 ermittelt (Schritt 140) und geprüft, ob die Druckdifferenz Δp abnimmt, das heißt sich die Brennstoffzellen erwärmen. Ist dies der Fall („ja“) wird erneut die Eintrittstemperatur T_Ein gemessen, das heißt, dass der Schritt 120 sowie der Schritt 130 oder der Schritt 140 wiederholt werden. Ist dies nicht der Fall („nein“), wird vor der Wiederholung dieser Schritte die Pumpendrehzahl n reduziert (Schritt 150).
Eine abgewandelte Betriebsstrategie ist in der 5 dargestellt. Die Schritte 200 bis 230 entsprechen dabei den Schritten 100 bis 130. In Schritt 240 wird ebenfalls die Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2 ermittelt und einer Auswertung unterzogen. Geprüft wird jedoch, ob die Druckdifferenz Δp konstant ist. ist dies der Fall („ja“), werden - abhängig von der gemessenen Temperatur T_Ein - der Schritt 220 sowie der Schritt 230 oder der Schritt 240 wiederholt. Ist dies nicht der Fall („nein“) wird in Schritt 250 geprüft, ob die Druckdifferenz Δp abnimmt. Ist dies der Fall („ja“) wird die Pumpendrehzahl n erhöht (Schritt 260). Ist dies nicht der Fall („nein“), wird die Pumpendrehzahl n reduziert (Schritt 270). Anschließend werden die Schritte 220 und 230 oder - abhängig von der gemessenen Temperatur T_Ein - die Schritte 220, 240 und 250 wiederholt.
6 zeigt einen bevorzugten Verlauf der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2 während eines Kalt- oder Gefrierstarts, wobei der eigentliche Kalt- oder Gefrierstart erst zum Zeitpunkt t₁ beginnt. Davor liegt eine Phase, in welcher der Kalt- oder Gefrierstart vorbereitet wird. In dieser Vorbereitungsphase wird die Druckdifferenz Δp auf einen Anfangswert gebracht, der einem Mindestwert, und zwar einem Schwellwert S1 entspricht. Während des anschließenden Kalt- oder Gefrierstarts wird dann die Druckdifferenz Δp auf einen Zielwert gebracht, der innerhalb eines Bereichs liegt, der durch die Schwellwerte S2 und S3 definiert ist. Durch Festlegung der Schwellwerte S1 bis S3 wird einerseits ein zu hoher Volumenstrom und damit eine Vereisung verhindert. Anderseits bleibt ein Volumenstrom gewährleistet, der für eine ausreichende Umwälzung des Kühlmittels sorgt.
Eine mögliche Betriebsstrategie in der Vorbereitungsphase ist beispielhaft in der 7 dargestellt. Zu Beginn der Vorbereitungsphase (Schritt 300) wird zunächst die Kühlmittelpumpe 4 eingeschaltet (Schritt 310). Anschließend wird in Schritt 320 die Druckdifferenz Δp ermittelt und geprüft, ob diese den Schwellwert S1 erreicht hat. Ist dies der Fall („ja“), kann die Vorbereitungsphase beendet und der Kalt- bzw. Gefrierstart eingeleitet werden (Schritt 330). Ist dies nicht der Fall („nein“), muss die Pumpendrehzahl n erhöht werden (Schritt 340).
8 zeigt eine weitere mögliche Betriebsstrategie, bei der die anfängliche Pumpendrehzahl n temperaturabhängig adaptiert wird. Erfindungsgemäß wird die Temperatur mittelbar über die Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2 erfasst. Mit Einleiten der Adaption (Schritt 400) wird zunächst geprüft, ob bereits ein Kalt- oder Gefrierstart durchgeführt und beendet worden ist (Schritt 410). Denn nur dann liegen die zur Adaption notwendigen Informationen vor. Anschließend wird geprüft, ob die Druckdifferenz Δp am Ende des Kalt- oder Gefrierstarts unterhalb des Schwellwerts S2 lag (Schritt 420). Ist das Ergebnis der Prüfung positiv („ja“), wird in Schritt 430 der Schwellwert S1 erhöht und die Adaption ist beendet (Schritt 440). Ist das Ergebnis der Prüfung negativ („nein), wird geprüft, ob die Druckdifferenz Δp am Ende des Kalt- oder Gefrierstarts oberhalb des Schwellwerts S3 lag (Schritt 450). Ist dies nicht der Fall („nein“) muss keine Adaption vorgenommen werden, so dass mit Schritt 440 das Verfahren beendet werden kann. Ist der Schwellwert S3 jedoch überschritten worden („ja“), muss der Schwellwert S1 herabgesetzt werden (460). Erst dann kann die Adaption beendet werden (Schritt 440).
Eine weitere Möglichkeit der Adaption der anfänglichen Pumpendrehzahl n anhand der Auswertung des Verlaufs der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2 ist in der 9 dargestellt. Dieses Verfahren macht sich zunutze, dass ein zeitweise stagnierender Verlauf auf eine Vereisung hinweist. Der stagnierende Verlauf ist als Plateau in einer ansonsten abfallenden Kurve erkennbar (siehe 3). Das Verfahren sieht vor, dass mit Einleiten der Adaption (Schritt 500) zunächst geprüft wird, ob bereits ein Kalt- oder Gefrierstart durchgeführt und beendet worden ist (Schritt 510). Denn nur dann liegen die zur Adaption notwendigen Informationen vor. Anschließend wird geprüft, ob der Verlauf der Druckdifferenz Δp des Kühlmittels ein Plateau zeigt (Schritt 520). Ist dies nicht der Fall („nein“), ist keine Adaption erforderlich und das Verfahren kann beendet werden (Schritt 530). Ist jedoch das Ergebnis der Prüfung positiv („ja“), wird in Schritt 540 der Schwellwert S3 herabgesetzt und im dann nachfolgenden Schritt 530 die Adaption beendet.
Zur Vermeidung einer anfänglich sehr hohen Pumpendrehzahl n kann auch eine Betriebsstrategie gewählt werden, die keine kontinuierliche Steigerung der Pumpendrehzahl n vorsieht, sondern eine schritt- bzw. stufenweise, wie beispielhaft in der 10 dargestellt. Mit jeder schrittweisen Steigerung der Drehzahl n steigt auch die Druckdifferenz Δp. Währender Zeit, in welcher die Drehzahl n konstant gehalten wird, nimmt die Druckdifferenz Δp dann wieder ab. Auf diese Weise kann die Druckdifferenz Δp in einem bestimmten Bereich gehalten werden und weist den in der 10 dargestellten sägezahnähnlichen Verlauf auf. Wie beispielhaft in der 11 dargestellt, kann der Bereich durch einen unteren Wert (Δpu) sowie einen oberen Wert (Δp_A) begrenzt werden, die temperaturabhängig variieren.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der von Kühlkanälen durchzogen ist, die über einen Kühlkreis (3) unter Verwendung einer Kühlmittelpumpe (4) mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kalt- oder Gefrierstart die Temperatur der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel (2) mittelbar über die Druckdifferenz (Δp) des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) erfasst wird und die Drehzahl (n) der Kühlmittelpumpe (4) in Abhängigkeit von der mittelbar erfassten Temperatur geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Druckdifferenz (Δp) des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) der Druck (p1) des Kühlmittels am Eingang (2.1) und am Ausgang (2.2) des Brennstoffzellenstapels (2) mit Hilfe mehrerer Drucksensoren (5) oder mit Hilfe eines Differenzdrucksensors gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kalt- oder Gefrierstarts die Drehzahl (n) der Kühlmittelpumpe (4) kontinuierlich oder schrittweise gesteigert wird, um die Druckdifferenz (Δp) des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) im Wesentlichen konstant oder in einem vorgegebenen Bereich zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kalt- oder Gefrierstarts die Drehzahl (n) der Kühlmittelpumpe (4) konstant gehalten wird, um die Druckdifferenz (Δp) des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) zu senken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kalt- oder Gefrierstarts die Drehzahl (n) der Kühlmittelpumpe (4) reduziert wird, wenn die Druckdifferenz (Δp) des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) einen ansteigenden Verlauf zeigt und/oder über einen vorgegebenen maximalen Wert steigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellwert (S1) festgelegt wird, der eine anfängliche Mindestdruckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) definiert, und in Vorbereitung eines Kalt- oder Gefrierstarts die Drehzahl (n) der Kühlmittelpumpe (4) solange erhöht wird, bis der Schwellwert (S1) erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Schwellwerte (S2, S3) festgelegt werden, die einen Bereich für eine während des Kalt- oder Gefrierstarts zu erreichende Druckdifferenz des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel (2) definieren, wobei vorzugsweise die weiteren Schwellwerte (S2, S3) unter dem ersten Schwellwert (S1) liegen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwellwert (S1) angehoben oder gesenkt wird, wenn am Ende des Kalt- oder Gefrierstarts die Druckdifferenz (Δp) des Kühlmittels über dem Brennstoffzellenstapel (2) außerhalb des Bereichs der zu erreichenden Druckdifferenz (Δp) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Druckdifferenz während des Kalt- oder Gefrierstarts oder nach einem Kalt- oder Gefrierstart ausgewertet wird und im Fall eines zeitweilig stagnierenden Verlaufs der dritte Schwellwert (S3) gesenkt wird, so dass dieser näher an den zweiten Schwellwert (S2) rückt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schwellwert (S1), vorzugsweise alle Schwellwerte (S1, S2, S3), in einem Steuergerät abgelegt wird bzw. werden, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.
Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem (1), das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.