DE102021208291A1

DE102021208291A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, um einen bestimmten Temperaturgradienten über eine Membran einzustellen

Info

Publication number: DE102021208291A1
Application number: DE102021208291.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit mindestens einem Stack (101), insbesondere in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems (100), vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart und/oder Kaltstart, des Brennstoffzellensystems (100),aufweisend folgende Schritte:- Temperieren eines Anodenfluids (H2),- Rezirkulieren des Anodenfluids (H2), um einen bestimmten Temperaturgradienten zwischen einem Anodenpfad (A) und einem Kathodenpfad (K) des Stacks (101) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Stack, insbesondere in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart und/oder Kaltstart, des Brennstoffzellensystems, nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen, sog. Brennstoffzellenfahrzeugen, bei denen die Antriebsenergie u.a. durch ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Brennstoff Wasserstoff benutzt, um in der Brennstoffzelle zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Herausfordernd ist bei den mobilen Brennstoffzellensystemen der Start des Systems bei allen weltweit relevanten Bedingungen und bei unterschiedlich langen Stillstandszeiten der Fahrzeuge:

- funktional zu realisieren und
- dabei die Lebenszeitanforderungen an das System zu erreichen.

Bei Gefrierstart bzw. Kaltstarts, ist u.a. das Ziel im Fokus, den Stack möglichst schnell aus der Gefrierzone (Temperatur > 0°C) zu bringen, damit entstehendes Wasser an kritischen Stellen im Stack nicht einfriert. Bei einem fehlerhaften Gefrierstart können sowohl der Stack massiv irreversible Schäden nehmen als auch das System nicht startfähig sein, d. h. das Fahrzeug müsste bei fehlgeschlagenem Gefrierstart in eine „warme“ Umgebung gebracht bzw. abgeschleppt werden. Wichtig ist es zumeist, wie viel Wasser der Stack vor dem Start bzw. beim Beginn des Starts enthält. Dieses Maß an Wasser soll vorteilhafterweise innerhalb eines Toleranzbandes liegen, damit der Stack einerseits das beim Start anfallende Wasser noch in seine speicherfähigen Komponenten (wie z. B. Membran, Gasdiffusionslage, etc.) einlagern kann, ohne Blockaden durch gefrierendes Wasser zu bekommen. Andererseits soll der Stack auch nicht komplett getrocknet werden, sodass keine Protonenleitfähigkeit der Membran möglich ist und die Membran durch zu trockene Zustände geschädigt wird. Somit sind den Starts vorgelagerte Zustände und Betriebsarten essentiell wichtig, um bereits vorbereitende Maßnahmen für den Wiederstart sicherzustellen, wie z. B.:

- Trocknungsverfahren des Stacks beim Abstellen des Systems, und/oder
- Purge-Vorgang im Stillstand des Systems.

Die Trocknung des Kathodenpfades kann bspw. mittels eines Luftverdichtungssystems (zum „Ausblasen“ des Stacks) für eine definierte Zeit durchgeführt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Stack, insbesondere in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart und/oder Kaltstart, des Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Stack, insbesondere in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart und/oder Kaltstart, des Brennstoffzellensystems.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Temperieren, insbesondere Aufwärmen bzw. Heizen, eines Anodenfluids, bspw. Wasserstoffs,
- Rezirkulieren des Anodenfluids,

Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgen. Auf die vorteilhaften Durchführungsmöglichkeiten des Verfahrens wird im Nachfolgenden im Detail Bezug genommen.
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, insbesondere brennstoffangetriebenen Fahrzeugen, verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann als Hauptenergielieferant für ein Fahrzeug dienen. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung ein Nebenantrieb und/oder Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, sein kann. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann zudem für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann dabei einen oder mehrere Stacks mit jeweils mehreren gestapelten Brennstoffzellen und den dazugehörigen Funktionssystemen aufweisen, umfassend: Mediensysteme (Luft- bzw. Kathodensystem, Brennstoff- bzw. Anodensystem, Kühlsystem) sowie ein elektrisches System. Vorzugsweise kann das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung mehrere Module in Form von einzelnen Stacks mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen umfassen.
Die Erfindung erkennt, dass einfrierendes Wasser auf der Anodenseite sehr kritisch sein kann, weil dies bei Gefrierstart zu einer Wasserstoffarmut an der Anode führen kann, welches zu hoher Degradation bzw. Schädigung des Stacks bis hin zu einem kompletten Ausfall als Folge haben kann. Außerdem ist der Wassergehalt der Membran, bspw. PEM-Membran, aber auch die Wasserverteilung in/an der (PEM-)Membran funktionswichtig. Zugleich erkennt die Erfindung, dass das Einfrieren von Wasser auf der Kathodenseite unproblematisch oder viel unkritischer ist als auf der Anodenseite.
Die Verfahren im Sinne der Erfindung verbessert die Wasserverteilung in/an der (PEM-)Membran, zumindest im Vorfeld des Gefrierstarts, und verbessert somit die Gefrierstartfähigkeit und/oder vermeidet/vermindert das Risiko einer Schädigung und/oder Degradation des Stacks bei einem Gefrierstart.
Die Erfindungsidee liegt dabei darin, dass während des Abkühlens des Stacks nahe des Bereiches um null Grad Celsius das Anodenfluid bzw. der Anodenkreis beheizt und rezirkuliert wird, um einen, insbesondere moderaten, bspw. von wenigen Grad Celsius, z. B. 2 bis 10 Grad Celsius, Temperaturgradienten über die Membran einzustellen. Auf diese Weise kann das Wasser, wenn vorhanden, von der wärmeren Anodenseite auf die kältere Kathodenseite der Membran verschoben bzw. gedrängt werden (aufgrund Partialdruckunterschiede von Wasserdampf, Diffusion und ggf. thermo-osmotischen Effektes).
Das Wasser kann dann auf der Kathodenseite einfrieren anstatt auf der Anodenseite. Davor und während des Verfahrens kann auch die Temperatur des Stacks bzw. die Temperatur der Membran gemessen und/oder modellbasiert berechnet werden. Das Verfahren kann mittels einer Wake-Up-Funktion (onboard oder Cloud-Trigger) initiiert bzw. getriggert werden. Das Verfahren kann bspw. in der Stillstandsphase des Fahrzeuges ausgeführt werden. Das Verfahren kann jedoch auch als eine Predrive-Funktion und/oder Postdrive-Funktion bei entsprechenden Temperaturen verwendet werden.
Die Funktion kann auch mit einem (Parking-)Purge-Vorgang, bspw. durch Ansteuerung eines Purge- und/oder Drain-Ventils oder eines kombinierten Purge/Drain-Ventils, kombiniert werden, ggf. mit einer Anodenfluid-Zudosierung in den Anodenkreis. Eine weitere Option kann eine zusätzliche Umwälzung eines Kühlmittels bereitstellen.
Die Erfindung bringt wesentliche Vorteile mit sich, wie:

- Einstellung einer gewünschten Wasserverteilung in der Membran,
- Sicherstellung der Funktionalität des Stacks, insbesondere bei einem Gefrierstart,
- Vermeidung signifikanter Degradation und/oder Beschädigung des Stacks, insbesondere bei einem Gefrierstart.

Das Verfahren kommt vorteilhafterweise ohne Ansteuerung eines Luftverdichters und/oder einer Kühlmittelpumpe aus. Dies kann aus Gründen der Energieeffizienz vorteilhaft sein und zu einer Reduktion von unerwünschten Schwingungen, sog. NVH, beitragen.
Ferner kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

- Überwachen, vorzugsweise direktes Erfassen und/oder Auswerten, einer Temperatur des Stacks, insbesondere einer Temperatur einer Membran des Stacks, bspw. mithilfe eines, z. B. im Stack integrierten, Temperatursensors,
- Überwachen, vorzugsweise direktes Erfassen und/oder Auswerten, einer Umgebungstemperatur des Stacks, und/oder
- Modellieren, vorzugsweise indirektes Erfassen und/oder Umrechnen, einer Temperatur des Stacks, insbesondere einer Temperatur einer Membran des Stacks, bspw. mithilfe eines Temperatursensors eines Anodensystems des Brennstoffzellensystems, z. B. am Ausgang des Anodenpfades aus dem Stack.

Somit kann das Brennstoffzellensystem hinsichtlich der Stack-Temperatur und/oder der Membrantemperatur (ineinander umgerechnet) überwacht werden. Die Überwachung kann zeitweise, bspw. mit adaptierbaren Abständen je nach vorliegenden Randbedingungen und thermischer Masse des Stacks, oder auch kontinuierlich erfolgen. Vorteilhafterweise können dabei verschiedene Möglichkeiten zum Einsatz kommen. Bspw. kann ein im Stack integrierter Temperatursensor verwendet werden. Zudem kann ein Temperatursensor im Anodenkreis, bspw. am Ausgang aus dem Stack verwendet werden. Auf diese Weise kann das Verfahren mit unterschiedlichen Systemtopologien verwendet werden, die über unterschiedliche Sensoren verfügen können. Die Temperaturen können sowohl direkt gemessen als auch modellbasiert berechnet werden. Auf diese Weise kann das Verfahren auf eine flexible Art und Weise durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren bei einer Temperatur des Stacks und/oder einer Membran des Stacks und/oder einer Umgebungstemperatur nahe null Grad Celsius gestartet werden. Auf diese Weise kann das Verfahren zielgerichtet durchgeführt werden, wenn ein Gefrierstart zu erwarten ist.
Insbesondere kann das Verfahren bei einer fallenden Temperatur, insbesondere unter eine bestimmte, d. h. definierte und/oder gezielt berechnete, erste Schwelle (T < Tlim1), bspw. 4° Celsius, 3°Celsius oder 2° Celsius, und/oder einem negativen Temperaturgradienten (dT/dt < 0) gestartet und/oder durchgeführt werden. Somit kann geprüft werden, ob sich die Stacktemperatur und/oder die Membrantemperatur nahe dem Gefrierpunkt für Wasser befinden und/oder ob eine fallende Flanke der Temperatur vorliegt. Eine steigende Flanke kann wiederum bedeuten, dass sich der Stack und/oder die Membran erwärmen. Auf diese Weise kann das Verfahren gezielt durchgeführt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das, insbesondere laufende, Verfahren beendet wird, wenn eine Temperatur eine bestimmte zweite Schwelle, vorzugsweise -4° Celsius, -3° Celsius oder -2° Celsius, unterschreitet und/oder ein negativer Temperaturgradient vorliegt. Dabei kann die bestimmte zweite Schwelle unter null Grad Celsius liegen und/oder kleiner als die bestimmte erste Schwelle gewählt sein. Bei der Temperatur unter der zweiten Schwelle liegt gefrorenes Wasser im System vor. In diesem Fall kann das Verfahren beendet werden.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das, insbesondere laufende, Verfahren bei einer steigenden Temperatur, insbesondere über die bestimmte erste Schwelle oder eine weitere Schwelle, die vorzugsweise über null liegt und/oder größer als die bestimmte erste Schwelle ist, und/oder bei einem positiven Temperaturgradienten beendet wird,
vorzugsweise für eine Wartezeit bzw. nach einer bestimmten Abschlusszeit. Bei der Temperatur über der ersten Schwelle und/oder einem positiven Temperaturgradienten kann davon ausgegangen werden, dass das Verfahren erfolgreich ist und beendet werden kann.
Des Weiteren kann vorteilhaft sein, dass das Verfahren bei einer steigenden Temperatur, insbesondere über die bestimmte zweite Schwelle, und/oder bei einem positiven Temperaturgradienten nicht gestartet bzw. nicht getriggert wird. Bei der Temperatur über der zweiten Schwelle und/oder einem positiven Temperaturgradienten kann davon ausgegangen werden, dass sich das System erwärmt. In diesem Fall braucht das Verfahren nicht gestartet bzw. nicht getriggert werden. Auf diese Weise kann eine flexible Temperaturüberwachung bereitgestellt und eine adaptive Ausführung des Verfahrens sichergestellt werden.
Vorzugsweise kann eine Temperatur des Stacks, insbesondere eine Temperatur einer Membran des Stacks, und/oder ein Zustand des Stacks gespeichert werden. Auf diese Weise können die gewonnenen Messergebnisse und/oder Berechnungsergebnisse über die Temperatur und/oder andere Betriebsparameter des Stacks für den nachfolgenden Start des Stacks verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren kontinuierlich für eine bestimmte Durchführungszeit und/oder periodisch, vorzugsweise in bestimmten, insbesondere temperaturabhängigen, Zeitabständen, bevorzugt für eine bestimmte Basiszeit, durchgeführt werden. Somit kann eine flexible und/oder adaptive Ausführung des Verfahrens ermöglicht werden.
Denkbar ist zudem, dass in den Zeitabständen, wenn das Verfahren nicht durchgeführt wird, das Rezirkulieren und/oder das Heizen des Anodenfluids ausgesetzt wird. Somit kann die Energie gespart werden.
Ferner ist es denkbar, dass ein Überwachen einer Temperatur des Stacks, insbesondere einer Temperatur einer Membran des Stacks, synchron oder unabhängig von dem Verfahren, bspw. kontinuierlich oder periodisch, durchgeführt wird. Somit kann das Überwachen einer Temperatur zusammen oder losgelöst von den Maßnahmen im Anodensystem erfolgen kann.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Verfahren eine bestimmte Anzahl an Wiederholungen (sog. Counter) durchgeführt wird, bevor es beendet wird. Mit anderen Worten kann ein sog. Counter zum Durchführen des Verfahrens eingeführt werden. Der Counter kann auch als eine oder als eine zusätzliche Bedingung zum Durchführen des Verfahrens verwendet werden (Tlim2 < T < Tlim1 und Counter < maxNo).
Aus Gründen der Flexibilität kann das Temperieren eines Anodenfluids mithilfe eines oder mehrerer Heizer durchgeführt werden.
Nach einem weiteren Vorteil kann das Verfahren kontinuierlich bis zum Erbringen einer bestimmten Heizleistung und/oder in bestimmten, insbesondere temperaturabhängigen, Zeitabständen für eine bestimmte Basisheizleistung durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Flexibilität beim Durchführen des Verfahrens erhöht werden.
Aus Gründer der Energieeffizienz kann beim Durchführen des Verfahrens ein Kathodensystem des Brennstoffzellensystems ruhen bzw. nicht betrieben werden. Dabei kann der Kathodenpfad durch den Stack abgesperrt bleiben.
Ebenfalls ist es denkbar, dass beim Durchführen des Verfahrens ein Anodensystem und/oder ein Kühlmittelsystem im Leerlauf betrieben werden/wird.
Zugleich ist es aber auch denkbar, dass, wenn ein Kathodensystem des Brennstoffzellensystems einen außen abschließbaren Loop aufweist und/oder inertisiert ist, beim und/oder nach dem Durchführen des Verfahrens das Kathodensystem zum Rezirkulieren eines Kathodengasgemisches betrieben wird. Aus dieser Weise kann das Kathodengasgemisch vergleichmäßigt werden. Um das Verfahren zu verfeinern, kann vorgesehen sein, dass beim Durchführen des Verfahrens eine Temperatur in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems berücksichtigt wird, und/oder dass beim Durchführen des Verfahrens ein Temperaturgradient zwischen dem Anodenpfad und dem Kathodenpfad berücksichtigt wird.
Darüber hinaus kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

- Durchführen eines Spülvorganges eines Anodensystems des Bren nstoffzel lensystems,

Optional kann vor dem Durchführen des Verfahrens ein Kühlmittelsystem des Brennstoffzellensystems, insbesondere kurzzeitig, bspw. im Bereich von wenigen Sekunden, und/oder gepulst betrieben werden. Hierzu kann eine Kühlmittelumpe des Kühlmittelsystems betrieben werden. Auf diese Weise können die Temperaturunterschiede zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite vor dem Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst werden und/oder eine (alleinige oder zusätzliche) Temperaturmessung durchgeführt werden.
Vorteilhaft kann es des Weiteren sein, dass das Verfahren in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Start des Systems auf eine vorteilhafte Weise vorbereitet werden.
Zudem kann es vorteilhaft sein, dass zum Durchführen des Verfahrens eine Wake-Up-Funktion des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird, insbesondere durch eine interne und/oder externe Steuereinheit. Die Wake-Up Funktion ist sehr vorteilhaft, weil die Temperaturen in der Regel während dem Stillstand den Nulldurchgang machen werden. Die Wake-Up-Funktion kann lokal oder via Cloud adaptiv getriggert werden.
Vereinfacht kann eine Zeitgesteuerte Triggerung erfolgen, deren Zeitintervall verkleinert wird je näher man sich dem Gefrierpunkt nähert (bei einem negativen Temperaturgradienten). Der Trigger kann auch spezifischer durch Prädiktion der relevanten Temperaturen im System und unter prädiktiven Umgebungsdaten (v.a. Umgebungstemperatur) gesteuert werden.
Nach einem weiteren Vorteil kann das Verfahren als eine Vorbereitungsfunktion für den Start des Brennstoffzellensystems und/oder eine Abschlussfunktion bei einem Abstellen des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
Eine entsprechende Steuereinheit stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. In einer Speichereinheit der Steuereinheit kann ein Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit der Steuereinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Die Steuereinheit kann mit Temperatursensoren im Stack und/oder am Stack-Ausgang des Anodensystems und/oder des Kathodensystems in einer Kommunikationsverbindung stehen, um bspw. die entsprechenden Temperaturen abzufragen und/oder zu erhalten. Die Steuereinheit kann die Aktoren in den Funktionssystemen des Brennstoffzellensystems entsprechenden ansteuern, um das Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen.
Außerdem kann die Steuereinheit mit einer externen Recheneinheit in einer Kommunikationsverbindung stehen, um einige Verfahrensschritte und/oder Berechnungen ganz oder tlw. an die externe Recheneinheit auszulagern.
Gemäß eines weiteren Aspekts stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer, wie z. B. die Recheneinheit der Steuereinheit, den Computer veranlassen, das Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Steuereinheit beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung,
2 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Temperatur des Stacks und/oder einer Membran des Stacks, und
3 einen beispielhaften Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
Die 1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack 101 zusammengefügt werden. Durch den Stack werden ein Kathodenpfad K, ein Anodenpfad A und ein Kühlmittelpfad KM geführt. Das Brennstoffzellensystem 100 kann weiterhin mehrere Stacks 101 aufweisen.
Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 zumindest vier Funktionssysteme 10, 20, 30, 40, darunter: ein Kathodensystem 10, um einen Kathodenraum bzw. einen Kathodenpfad K des Stacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem 20, um einen Anodenraum bzw. einen Anodenpfad A des Stacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch bzw. einem Anodenfluid H2 zu versorgen, ein Kühlsystem 30, um den Stack 101 zu temperieren, und ein lediglich beispielhaft angedeutetes elektrisches System 40, um die erzeugte elektrische Leistung vom Stack 101 abzuführen.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst somit ein Kathodensystem 10 mit einer Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und einer Abluftleitung 12 vom Stack 101. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern.
Die Gasfördermaschine V im Kathodensystem 10 kann in Form eines Verdichters ausgeführt sein, um die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer Zuluft an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft aus dem System 100 wieder an die Umgebung U abgelassen.
Wie es die 1 andeutet, kann stromabwärts nach dem Verdichter mindestens ein Zuluftkühler IC und ggf. ein nicht dargestellter Befeuchter vorgesehen sein.
Vor und nach dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 können Absperrventile SV1, SV2 vorgesehen sein. Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein Ventil CVexh als Druckregler vorgesehen sein.
In der Zuluftleitung 11 und/oder in der Abluftleitung 12 können auch mehrere Sensoren vorgesehen sein, wie z. B. Feuchtigkeitssensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Massen- und/oder Volumensensoren usw. Alle Sensoren sind in der 1 lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt.
Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein. Die Bypassleitung 13 kann bspw. zur Massenstromsteuerung im Kathodensystem 10 und/oder zur Verdünnung der, ggf. wasserstoffhaltigen, Abluft von dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 genutzt werden.
Das Anodensystem 20 weist mehrere Komponenten auf. Zu den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, gehören ein Brennstofftank 21 und mindestens ein Dosierventil HGI. Das Dosierventil HGI kann außerdem über eine Absperrfunktion verfügen. Wenn das Dosierventil HGI über keine Absperrfunktion verfügt, kann ein separates Absperrventil am Eingang in den Anodenraum bzw. Anodenpfad A vorgesehen sein.
Weitere Komponenten im Anodensystem 20 sind eine Strahlpumpe 22 und eine Rezirkulationspumpe HRB. Zudem können im Anodensystem 20 ein Purgeventil PV und/oder ein Drainventil DV und/oder ein kombiniertes Purge/Drain-Ventil PDV vorgesehen sein.
Mithilfe der 2 und 3 wird ein Verfahren im Sinne der Erfindung beschrieben, welches zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Stack dienen kann, insbesondere in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart und/oder Kaltstart, des Brennstoffzellensystems.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf, wie dies die 3 im Block B1 zeigt:

1 Temperieren, insbesondere Aufwärmen oder Heizen, eines Anodenfluids H2, bspw. mithilfe eines oder mehrerer Heizers H,
2 Rezirkulieren des Anodenfluids H2, bspw. mithilfe einer Rezirkulationspumpe HRB,

Die Verfahren ermöglicht eine verbesserte Wasserverteilung in/an der (PEM-) Membran, zumindest im Vorfeld eines Gefrierstarts des Systems 100 sowie verbesserte Gefrierstartfähigkeit und/oder vermeidet/vermindert das Risiko einer Schädigung und/oder Degradation des Stacks 101 bei einem Gefrierstart.
Bei einem Abkühlen des Stacks 101 nahe null Grad Celsius wird das Anodenfluid H2 im Schritt 1 beheizt und im Schritt 2 rezirkuliert (siehe Block B1 in der 3). Die Schritte 1 und 2 können dabei zugleich und/oder überlappend und/oder nacheinander erfolgen.
Auf diese Weise kann ein, insbesondere moderater, bspw. von wenigen Grad Celsius, z. B. 2 bis 10 Grad Celsius, Temperaturgradient über die Membran eingestellt werden. Durch den Temperaturgradienten kann das eventuell vorhandene Wasser von der wärmeren Anodenseite auf die kältere Kathodenseite der Membran verschoben bzw. gedrängt werden, bedingt bspw. durch Partialdruckunterschiede von Wasserdampf, Diffusion und ggf. einen thermo-osmotischen Effekt. Das Wasser kann vorteilhafterweise auf der Kathodenseite einfrieren anstatt auf der Anodenseite.
Wie es die 3 zeigt, kann vor, nach und während der Schritte 1 und 2, die im Block B1 gezeigt sind, die Temperatur T des Stacks 101 bzw. der Membran gemessen und/oder modellbasiert berechnet werden (siehe Schritt 3 in der 3).
Wie es die 3 zeigt, kann der Schritt 2 einmal ein optionaler Schritt in Vorbereitung des Verfahrens und später ein zwingender Schritt zur Aufwärmung der Membran auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 101 sein.
Das Verfahren kann mittels einer Wake-Up-Funktion (onboard oder Cloud-Trigger) gestartet bzw. getriggert werden. Das Verfahren kann bspw. in der Stillstandsphase des Systems 100 ausgeführt werden. Das Verfahren kann jedoch auch als eine Predrive-Funktion und/oder Postdrive-Funktion bei entsprechenden Temperaturen T verwendet werden.
Das Verfahren kann optional mit einem (Parking-)Purge-Vorgang, bspw. durch Ansteuerung eines Purge-Ventils PV und/oder eines Drainventils DV oder eines kombinierten Purge/Drain-Ventils PDV, kombiniert werden, wobei zusätzlich ggf. ein Zudosierung des Anodenfluids H2 in den Anodenkreis erfolgen kann.
Das Verfahren kann ferner mit einer Umwälzung eines Kühlmittels kombiniert werden.
Das Verfahren ermöglicht erhebliche Vorteile, insbesondere bei einem Gefrierstart, wie:

- Einstellung einer gewünschten Wasserverteilung in der Membran,
- Sicherstellung der Funktionalität des Stacks 101,
- Vermeidung signifikanter Degradation und/oder Beschädigung des Stacks 101.

Das Verfahren kann, wenn gewünscht, ohne Ansteuerung der Gasfördermaschine V im Kathodensystem 10 und/oder einer Kühlmittelpumpe im Kühlmittelsystem 30 auskommen. Somit kann die elektrische Energie gespart und/oder die unerwünschten Schwingungen, sog. NVH, insbesondere im Stillstand reduziert bis sogar vermieden werden.
Wie es die 3 des Weiteren andeutet, kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt 3 aufweisen:

- Überwachen, vorzugsweise direktes Erfassen und/oder Auswerten (siehe check1 und/oder check 2), einer Temperatur T des Stacks 101, insbesondere einer Temperatur TM einer Membran M des Stacks 101,

1

- Überwachen, vorzugsweise direktes Erfassen und/oder Auswerten (siehe check1 und/oder check 2), einer Umgebungstemperatur des Stacks 101.

- Modellieren, vorzugsweise indirektes Erfassen und/oder Umrechnen (siehe check1 und/oder check 2), einer Temperatur T des Stacks 101, insbesondere einer Temperatur TM einer Membran M des Stacks 101,

Ein möglicher Temperaturverlauf in der 2 dargestellt, wenn sich die Temperatur T, TM dem null Grad Celsius nähert.
Wie es die 3 zeigt, kann das Verfahren bei einer Temperatur T des Stacks 101 und/oder einer Membran des Stacks 101 und/oder einer Umgebungstemperatur nahe null Grad Celsius gestartet werden.
Zum Starten des Verfahrens, insbesondere der Schritte 1 und 2 und ggf. 3 des Verfahrens, kann eine erste Überprüfung check1 vorgesehen sein. Die erste Überprüfung check1 kann wiederum eine Überprüfung vorsehen, ob die Temperatur T, TM, insbesondere unter eine bestimmte erste Schwelle Tlim1, bspw. 4° Celsius, 3°Celsius oder 2° Celsius, fällt (T, TM < Tlim1) und/oder der Temperaturgradient dT/dt, dTM/dt < 0 negativ ist.
Das Verfahren wird nicht gestartet bzw. getriggert, wenn die Temperatur T, TM, insbesondere über der bestimmten ersten Schwelle Tlim1, bspw. 4° Celsius, 3°Celsius oder 2° Celsius, liegt (T, TM > Tlim1) und/oder der Temperaturgradient dT/dt, dTM/dt > 0 positiv ist. Das verfahren
Weiterhin, insbesondere nach zumindest einem Durchführen der Schritte 1 und 2 und ggf. 3 des Verfahrens im Block B1, kann eine zweite Überprüfung check 2 vorgesehen sein.
Die zweite Überprüfung check 2 kann wiederum eine Überprüfung vorsehen, ob die Temperatur T, TM, insbesondere über die bestimmte erste Schwelle T, bspw. 4° Celsius, 3°Celsius oder 2° Celsius, steigt (TM > Tlim1) und/oder ein positiver Temperaturgradient dT/dt, dTM/dt>0 vorliegt. Wenn ja, dann kann das Verfahren im Schritt 4 erfolgreich beendet, vorzugsweise nach einer bestimmten Abschlusszeit, und/oder ausgesetzt werden, vorzugsweise für eine Wartezeit.
Ebenfalls kann das Verfahren in Schritt 4 beendet werden, wenn die Temperaturen T tiefer in den Gefrierbereich gehen, insbesondere unter eine bestimmte zweite Schwelle Tlim2, bspw. vorzugsweise -4° Celsius, -3° Celsius oder -2° Celsius, fallen (bspw. T< Tlim2) und/oder ein negativer Temperaturgradient (dT/dt, TM/dt<0) vorliegt.
In Schritt 5 können die Sensorwerte und/oder die Daten, die im Laufe des Verfahrens gewonnen wurden, gespeichert werden, wie z. B. die aktuelle Temperatur T des Stacks 101, insbesondere die aktuelle Temperatur TM einer Membran M des Stacks 101, und/oder ein Zustand des Stacks.
Wie es die 3 andeutet, kann das Verfahren (siehe Block B1 in der 3), insbesondere die Schritte 1 und 2 und ggf. 3, kontinuierlich für eine bestimmte Durchführungszeit und/oder periodisch, bspw. in bestimmten, insbesondere temperaturabhängigen, Zeitabständen Δt, z. B, für eine bestimmte Basiszeit, durchgeführt werden.
In den Zeitabständen Δt (siehe Block B2 in der 3), oder mit anderen Worten, wenn das Verfahren nicht durchgeführt wird, können das Rezirkulieren des Anodenfluids H2 (d. h. Schritt 2) und/oder das Überwachen einer Temperatur T des Stacks 101, insbesondere einer Temperatur TM einer Membran M des Stacks 101 (d. h. Schritt 3), ausgesetzt werden.
Weiterhin deutet die 3, dass das Verfahren - sofern die Temperatur(en) T innerhalb der Temperaturgrenzen nahe null °C verbleiben (Tlim 2 < T < Tlim1) - eine bestimmte Anzahl an Wiederholungen Counter durchgeführt wird, bevor es beendet wird. Der Counter kann dabei als eine oder als eine zusätzliche Bedingung zum Beenden des Verfahrens verwendet werden (Tlim1 < T < Tlim2 und Counter > maxNo).
Das Kernverfahren liegt in Schritt 1 bzw. Temperieren (bspw. Heizen) und in Schritt 2 bzw. in dem Rezirkulieren des Anodenfluids H2.
Dazu wird noch eine Temperaturüberwachung in Schritt 3 vorgeschlagen.
Zwei Fälle sind dabei denkbar:

Fall 1: Das Kernverfahren (Temperieren + Rezirkulieren) und die Temperaturüberwachung können synchron durchgeführt werden. Das entspricht Block B1. Das kann kontinuierlich oder periodisch innerhalb eines relevanten Temperaturbereichs (Tlim 2 < T < Tlim1) ausgeführt werden. Check2 kann ebenfalls synchron mitlaufen.
Fall 2: Das Kernverfahren (Temperieren + Rezirkulieren) wird durchgeführt (entweder kontinuierlich oder periodisch). Danach wird die Temperaturüberwachung (außerhalb Block B1) - im Beispiel mit Block 2 durchgeführt. Danach wird check2 durchgeführt. Der Ablauf B2-B1-Check2 kann auch eine Periode haben.

Fall 2 kann eine periodische Aktivierung (Temperieren + Rezirkulieren) und eine anders-periodische Temperaturüberwachung beinhalten.
Beispielsweise kann eine kontinuierliche Durchführung des Kernverfahrens (Heizen+ Rezirkulieren) mit einer periodischen Temperaturmessung kombiniert werden.
Ebenfalls ist es denkbar, dass das Verfahren kontinuierlich bis zum Erbringen einer bestimmten Heizleistung und/oder in bestimmten, insbesondere temperaturabhängigen (bspw. je tiefer die Temperatur innerhalb des relevanten Temperaturbereichs, desto kürzer sind die Zeitabstände), Zeitabständen Δt für eine bestimmte Basisheizleistung durchgeführt werden.
Das Kathodensystem 10 kann beim Durchführen des Verfahrens ruhen und der Kathodenpfad K durch den Stack 101 kann durch die Absperrventile SV1, SV2 abgesperrt bleiben. Das Anodensystem 20 und/oder das Kühlmittelsystem 30 können im Leerlauf betrieben werden.
Allerdings ist es auch möglich, dass, wenn ein Kathodensystem 10 des Brennstoffzellensystems 100 einen außen abschließbaren Loop aufweist und/oder inertisiert ist, beim und/oder nach dem Durchführen des Verfahrens das Kathodensystem 10 zum Rezirkulieren eines Kathodengasgemisches betrieben wird.
Um das Verfahren zu verfeinern, kann beim Durchführen des Verfahrens eine Temperatur im Kathodensystem 10 berücksichtigt werden. Ferner kann beim Durchführen des Verfahrens ein Temperaturgradient zwischen dem Anodenpfad A und dem Kathodenpfad K berücksichtigt werden.
Eine entsprechende Steuereinheit 200, die schematisch in den 1 und 3 angedeutet ist, stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. In einer Speichereinheit der Steuereinheit 200 kann ein Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit der Steuereinheit 200 ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.
Die Steuereinheit 200 kann mit Temperatursensoren im System 100 in einer Kommunikationsverbindung stehen, um bspw. die entsprechenden Temperaturen abzufragen und/oder zu erhalten. Die Steuereinheit kann die Aktoren in den Funktionssystemen 10, 20, 30, 40 des Brennstoffzellensystems 100 entsprechenden ansteuern, um das Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen.
Optional kann die Steuereinheit 200 mit einer externen Recheneinheit in einer Kommunikationsverbindung stehen, um einige Verfahrensschritte und/oder Berechnungen ganz oder tlw. an die externe Recheneinheit auszulagern.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit mindestens einem Stack (101), insbesondere in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems (100), vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart und/oder Kaltstart des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend folgende Schritte: - Temperieren eines Anodenfluids (H2), - Rezirkulieren des Anodenfluids (H2), um einen bestimmten Temperaturgradienten zwischen einem Anodenpfad (A) und einem Kathodenpfad (K) des Stacks (101) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: - Überwachen, vorzugsweise direktes Erfassen und/oder Auswerten, einer Temperatur (T) des Stacks (101), insbesondere einer Temperatur (TM) einer Membran (M) des Stacks (101), bspw. mithilfe eines, z. B. im Stack (101) integrierten, Temperatursensors (ST), - Überwachen, vorzugsweise direktes Erfassen und/oder Auswerten, einer Umgebungstemperatur des Stacks (101), und/oder - Modellieren, vorzugsweise indirektes Erfassen und/oder Umrechnen, einer Temperatur (T) des Stacks (101), insbesondere einer Temperatur (TM) einer Membran (M) des Stacks (101), bspw. mithilfe eines Temperatursensors (STAnodOut) eines Anodensystems (20) des Brennstoffzellensystems (100), z. B. am Ausgang des Anodenpfades (A) aus dem Stack (101).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Temperatur (T) des Stacks (101) und/oder eine Temperatur (TM) einer Membran des Stacks (101) und/oder einer Umgebungstemperatur nahe null Grad Celsius gestartet wird, und/oder dass das Verfahren bei einer fallenden Temperatur, insbesondere unter eine bestimmte erste Schwelle (Tlim1), vorzugsweise 4° Celsius, 3° Celsius oder 2° Celsius, und/oder einem negativen Temperaturgradienten gestartet und/oder durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere laufende, Verfahren beendet wird, wenn eine Temperatur (T) eine bestimmte zweite Schwelle (Tlim2), vorzugsweise -4° Celsius, -3° Celsius oder -2° Celsius, unterschreitet und/oder ein negativer Temperaturgradient vorliegt, wobei insbesondere die bestimmte zweite Schwelle (Tlim2) unter null Grad Celsius liegt und/oder kleiner als die bestimmte erste Schwelle (Tlim1) gewählt ist, und/oder dass das, insbesondere laufende, Verfahren bei einer steigenden Temperatur, insbesondere über die bestimmte erste Schwelle (Tlim1) oder eine weitere Schwelle, die vorzugsweise über null liegt und/oder größer als die bestimmte erste Schwelle (Tlim1) ist, und/oder bei einem positiven Temperaturgradienten beendet wird, und/oder dass das Verfahren bei einer steigenden Temperatur, insbesondere über die bestimmte zweite Schwelle (Tlim2), und/oder bei einem positiven Temperaturgradienten nicht gestartet bzw. nicht getriggert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich für eine bestimmte Durchführungszeit und/oder periodisch, vorzugsweise in bestimmten, insbesondere temperaturabhängigen, Zeitabständen (Δt), bevorzugt für eine bestimmte Basiszeit, durchgeführt wird, wobei insbesondere in den Zeitabständen (Δt) das Rezirkulieren und/oder das Heizen des Anodenfluids (H2) ausgesetzt wird, wobei vorzugsweise das Verfahren eine bestimmte Anzahl an Wiederholungen (Counter) durchgeführt wird, wobei bevorzugt ein Überwachen einer Temperatur (T) des Stacks (101), insbesondere einer Temperatur (TM) einer Membran (M) des Stacks (101), synchron oder unabhängig von dem Verfahren, bspw. kontinuierlich oder periodisch, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperieren eines Anodenfluids (H2) mithilfe eines oder mehrerer Heizer (H) durchgeführt wird, und/oder dass das Verfahren kontinuierlich bis zum Erbringen einer bestimmten Heizleistung und/oder in bestimmten, insbesondere temperaturabhängigen, Zeitabständen für eine bestimmte Basisheizleistung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen des Verfahrens ein Kathodensystem (10) des Brennstoffzellensystems (100) ruht, wobei insbesondere der Kathodenpfad (K) abgesperrt ist, wobei vorzugsweise ein Anodensystem (20) und/oder ein Kühlmittelsystem (30) im Leerlauf betrieben werden/wird, und/oder dass, wenn ein Kathodensystem (10) des Brennstoffzellensystems (100) einen außen abschließbaren Loop aufweist und/oder inertisiert ist, beim und/oder nach dem Durchführen des Verfahrens das Kathodensystem (10) zum Rezirkulieren eines Kathodengasgemisches betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen des Verfahrens eine Temperatur in einem Kathodensystem (10) des Brennstoffzellensystems (100) berücksichtigt wird, und/oder dass beim Durchführen des Verfahrens ein Temperaturgradient zwischen dem Anodenpfad (A) und dem Kathodenpfad (K) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: - Durchführen eines Spülvorganges eines Anodensystems (20) des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere mithilfe eines Purge-Ventils (PV) und/oder eines Drain-Ventils (DV) und/oder eines Purge/Drain-Ventils (PDV), vorzugsweise mit Zudosierung eines frischen Anodenfluids (H2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen des Verfahrens ein Kühlmittelsystem (30) des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere kurzzeitig, bspw. im Bereich von wenigen Sekunden, und/oder gepulst, betrieben wird, vorzugsweise mithilfe einer Kühlmittelumpe (KP) des Kühlmittelsystems (30).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Stillstand und/oder in einem passiven Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems (100) durchgeführt wird, und/oder dass zum Durchführen des Verfahrens eine Wake-Up-Funktion des Brennstoffzellensystems (100) ausgeführt wird, insbesondere durch eine interne und/oder externe Steuereinheit (200), und/oder dass das Verfahren als eine Vorbereitungsfunktion für den Start des Brennstoffzellensystems (100) und/oder eine Abschlussfunktion bei einem Abstellen des Brennstoffzellensystems (100) durchgeführt wird.
Steuereinheit (200), aufweisend eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, und eine Recheneinheit, wobei beim Ausführen des Codes durch die Recheneinheit, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.