DE102021213325A1 - Method for determining a temperature of a fuel cell stack, using the method for determining a coolant temperature, method for operating and evaluating a fuel cell system - Google Patents

Method for determining a temperature of a fuel cell stack, using the method for determining a coolant temperature, method for operating and evaluating a fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
DE102021213325A1
DE102021213325A1 DE102021213325.8A DE102021213325A DE102021213325A1 DE 102021213325 A1 DE102021213325 A1 DE 102021213325A1 DE 102021213325 A DE102021213325 A DE 102021213325A DE 102021213325 A1 DE102021213325 A1 DE 102021213325A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
temperature
cell stack
anode
tstack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102021213325.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Jochen Braun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102021213325.8A priority Critical patent/DE102021213325A1/en
Publication of DE102021213325A1 publication Critical patent/DE102021213325A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur (TStack) eines Brennstoffzellenstacks (101), aufweisend:- Rezirkulieren eines Anodengasgemisches in einem abgeschlossenen Anodenkreislauf (21) eines Anodensystems (20) durch den Brennstoffzellenstack (101),- Erfassen einer Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf (21) des Anodensystems (20), insbesondere einer Temperatur (TAnodOut) an einem Ausgang (A1) aus dem Brennstoffzellenstack (101),- Auswerten der erfassten Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf (21) des Anodensystems (20),- Bestimmen der Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) in Abhängigkeit von dem Auswerten der erfassten Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf (21) des Anodensystems (20).The invention relates to a method for determining a temperature (Tstack) of a fuel cell stack (101), comprising: - recirculating an anode gas mixture in a closed anode circuit (21) of an anode system (20) through the fuel cell stack (101), - detecting a temperature (TAnod) of the anode gas mixture in the anode circuit (21) of the anode system (20), in particular a temperature (TAnodOut) at an outlet (A1) from the fuel cell stack (101),- evaluating the recorded temperature (TAnod) of the anode gas mixture in the anode circuit (21) of Anode system (20), - determining the temperature (Tstack) of the fuel cell stack (101) depending on the evaluation of the detected temperature (TAnod) of the anode gas mixture in the anode circuit (21) of the anode system (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Brennstoffzellenstacks. Ferner betrifft die Erfindung ein Verwenden eines entsprechenden Verfahrens zum Ermitteln einer Kühlmitteltemperatur. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Bestimmen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auswerten eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Ermitteln einer Dynamik des thermischen Verhaltens des Brennstoffzellensystems.The invention relates to a method for determining a temperature of a fuel cell stack. Furthermore, the invention relates to using a corresponding method for determining a coolant temperature. In addition, the invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular for determining an operating strategy of the fuel cell system. The invention also relates to a method for evaluating a fuel cell system, in particular for determining a dynamic of the thermal behavior of the fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

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. Die Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack zusammengeführt werden. 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.
In vehicles, so-called fuel cell vehicles, in which the drive energy is supplied by one or more fuel cell systems, among other things, the oxidizing agent oxygen from the ambient air and the reducing agent or fuel hydrogen are used to convert water (or water vapor) in the fuel cell. to react and thus to deliver electrical power through electrochemical conversion. The fuel cell systems usually include several fuel cells that are combined to form a stack. With mobile fuel cell systems, the challenge is starting the system under all globally relevant conditions and with different lengths of vehicle downtime:
  • - to implement functionally and
  • - while achieving the lifetime requirements for the system.

Ein kritischer Startfall ist der Gefrierstart (bei tiefen Temperaturen < 0°C), da bei diesem sowohl das entstehende Reaktionswasser einfrieren kann, als auch die zuvor in der Stillstandphase entstandene Feuchtigkeit auskondensieren und einfrieren kann. Das Wasser kann im System einfrieren und die funktionswesentlichen Komponenten des Systems mit Eis belegen. Bei fehlerhaftem Gefrierstart kann sowohl der Stack massiv irreversibel Schaden nehmen als auch das System nicht startfähig sein.A critical starting case is the freeze start (at low temperatures < 0°C), since in this case both the resulting water of reaction can freeze and the moisture previously formed during the standstill phase can condense out and freeze. The water can freeze in the system and cover the essential functional components of the system with ice. In the event of a faulty freeze start, the stack can be massively irreversibly damaged and the system may not be able to start.

Auch andere Startvorgänge wie Kaltstart oder Warmstart sind signifikant degradationsrelevant/alterungsrelevant und erfordern eine passende Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems, um die LebenszeitAnforderungen an das System zu erreichen.Other starting processes such as a cold start or warm start are also significantly relevant to degradation/ageing and require a suitable operating strategy for the fuel cell system in order to achieve the lifetime requirements for the system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Brennstoffzellenstacks mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Verfahrensanspruches. Ferner sieht die Erfindung vor: ein Verwenden eines entsprechenden Verfahrens zum Ermitteln einer Kühlmitteltemperatur mit den Merkmalen des unabhängigen Verwendungsanspruches. Zudem sieht die Erfindung vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Bestimmen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des nebengeordneten Verfahrensanspruches. Außerdem sieht die Erfindung vor: ein Verfahren zum Auswerten eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Ermitteln einer Dynamik des thermischen Verhaltens des Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des weiteren nebengeordneten Verfahrensanspruches. 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.The present invention provides: a method for determining a temperature of a fuel cell stack with the features of the first independent method claim. Furthermore, the invention provides: using a corresponding method for determining a coolant temperature with the features of the independent use claim. In addition, the invention provides: a method for operating a fuel cell system, in particular for determining an operating strategy of the fuel cell system, with the features of the independent method claim. The invention also provides: a method for evaluating a fuel cell system, in particular for determining a dynamic of the thermal behavior of the fuel cell system, with the features of the additional independent method claim. Features and details that are described in connection with the different embodiments and/or aspects of the invention also apply, of course, in connection with the other embodiments and/or aspects and vice versa, so that the disclosure of the individual embodiments and/or aspects is reversed is or can always be mutually referred to.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Brennstoffzellenstacks, aufweisend:

  • - Rezirkulieren eines Anodengasgemisches in einem abgeschlossenen Anodenkreislauf eines Anodensystems durch den Brennstoffzellenstack,
  • - Erfassen (Sensieren bzw. Vermessen) einer Temperatur des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf des Anodensystems, insbesondere einer Temperatur an einem Ausgang aus dem Brennstoffzel lenstack,
  • - Auswerten der erfassten Temperatur des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf des Anodensystems,
  • - Bestimmen der Temperatur des Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit von dem Auswerten der erfassten Temperatur des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf des Anodensystems.
According to the first aspect, the present invention provides: a method for determining a temperature of a fuel cell stack, comprising:
  • - Recirculation of an anode gas mixture in a closed anode circuit of an anode system through the fuel cell stack,
  • - Detecting (sensing or measuring) a temperature of the anode gas mixture in the anode circuit of the anode system, in particular a temperature at an outlet from the fuel cell stack,
  • - Evaluation of the recorded temperature of the anode gas mixture in the anode circuit of the anode system,
  • - Determining the temperature of the fuel cell stack depending on the evaluation of the detected temperature of the anode gas mixture in the anode circuit of the anode system.

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 als Energielieferant für einen Nebenantrieb und/oder Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, dienen kann. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann zudem für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, verwendet werden.The fuel cell system according to the invention can preferably be used for mobile applications, for example in vehicles, in particular fuel-powered vehicles. The fuel cell system according to the invention can serve as the main energy supplier for a vehicle. At the same time, however, it is also conceivable that the fuel cell system according to the invention can be used as an energy supplier for an auxiliary drive and/or auxiliary drive of a vehicle, for example a hybrid vehicle, can serve. The fuel cell system according to the invention can also be used for stationary applications, for example in generators.

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.The fuel cell system according to the invention can have one or more stacks, each with several stacked fuel cells and the associated functional systems, including: media systems (air or cathode system, fuel or anode system, cooling system) and an electrical system.

Die Erfindung erkennt, dass die Stacktemperatur entscheidungsrelevant ist, um eine passende Betriebsstrategie für ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem zu wählen. In Abhängigkeit von der Stacktemperatur können verschiedene Betriebsstrategien bestimmten werden, darunter:

  • - Gefrierstart (TStack <TthresF),
  • - Kaltstart (TthresF < TStack < TopArea),
  • - Warmstart (TStack in oder nahe TopArea),
  • - HotStart (TStack > TopArea), usw.
The invention recognizes that the stack temperature is relevant to the decision in order to select a suitable operating strategy for a corresponding fuel cell system. Depending on the stack temperature, different operating strategies can be determined, including:
  • - Freeze start (TStack < TthresF),
  • - Cold start (TthresF < TStack < TopArea),
  • - Warm start (TStack in or near TopArea),
  • - HotStart (TStack > TopArea), etc.

Für die verschiedenen Betriebsstrategien können entsprechende Schwellenwerte vorgesehen werden, darunter:

  • TthresF- von bspw. 0°C, als eine relevante Schwelle für einen Gefrierstart und insbesondere entsprechende Gefrierstartmaßnahmen,
  • TopArea- bspw. zwischen 50°C und 70°C, insbesondere 55°C und 65°C, vorzugsweise zwischen 60°C und 65°C, als Betriebstemperaturbereich für einen Normalbetrieb des Systems bzw. einen Wohlfühlbereich für den Stack, usw.
Appropriate thresholds can be provided for the different operating strategies, including:
  • TthresF- of e.g. 0°C, as a relevant threshold for a freeze start and in particular corresponding freeze start measures,
  • TopArea- for example between 50°C and 70°C, in particular 55°C and 65°C, preferably between 60°C and 65°C, as the operating temperature range for normal operation of the system or a comfort zone for the stack, etc.

Insbesondere bei einem Start des Systems kann eine richtige Wahl einer passenden Betriebsstrategie essentiell wichtig sein. Hierbei kann es insbesondere wichtig sein, den kritischen Startfall „Gefrierstart“ zuverlässig zu erkennen, oder im Allgemeinen zwischen verschiedenen Startvarianten zu unterscheiden sowie zu vermeiden, dass ein falsches Startverfahren ausgeführt wird.In particular when starting the system, the right choice of a suitable operating strategy can be of essential importance. In this context, it can be particularly important to reliably recognize the critical start case “freeze start”, or in general to differentiate between different start variants and to avoid the wrong start procedure being carried out.

Als Beispiel für einen kritischen Startfall ist eine folgende Situation denkbar: ein Fahrzeug ist einige Zeit abgestellt und es gab dabei kalte (im Bereich von 0°C oder nur wenigen Grad Celsius) bzw. sehr kalte Temperaturen (im Bereich unter 0°C) z.B. in der Nacht. Am nächsten Tag wird das Fahrzeug durch moderate Umgebungstemperaturen (bspw. über 0°C) und/oder Sonneneinstrahlung aufgewärmt. Der Stack ist aber innen noch kalt (kann deutlich unter 0°C sein). Wird der Stack dann ohne Gefrierstartverfahren gestartet, kann er einfrieren und/oder beschädigt werden. Das Fahrzeug muss in diesem Falle in die Werkstatt abgeschleppt werden.The following situation is conceivable as an example of a critical start: a vehicle has been parked for some time and the temperatures were cold (in the range of 0°C or just a few degrees Celsius) or very cold (in the range below 0°C), e.g. at night. The next day, the vehicle is warmed up by moderate ambient temperatures (e.g. above 0°C) and/or solar radiation. The stack is still cold inside (can be well below 0°C). If the stack is then started without a freeze start procedure, it may freeze and/or become damaged. In this case, the vehicle must be towed to the workshop.

Die Idee liegt dabei darin, eine Temperatur in einem Anodenkreislauf, vorzugsweise mithilfe eines Temperatursensors am Anodenaustritt und/oder stromabwärts des Anodenaustritts, und ggf. zusätzlich einen Temperaturgradienten, zu ermitteln, mit deren man auf die Temperatur im Stack bzw. auf die minimale Temperatur im Inneren des Stacks schließen kann. Hierzu kann ein Rezirkulationsgebläse im Anodenkreislauf eingeschaltet werden. Dabei braucht kein Wasserstoff in den Anodenkreislauf zudosiert werden. Auch brauchen dabei kein Purge- / kein Drain- / kein Purge-Drain-Vorgang vorgenommen werden. Somit kann eine interne Umwälzung des Anodenkreislaufs für eine gewisse Zeit durchgeführt werden. Das Gasgemisch durchströmt den Stack. Dabei wird die Temperatur des Anodengasgemisches überwacht und ausgewertet. Da der Anodenkreislauf zum einen hinsichtlich des Gasvolumens recht klein sein kann und zum anderen die Leitungen/Komponenten des Anodenkreislaufs isoliert /wärmegedämmt sein können, kann hierbei eine Temperatur ermittelt werden, die auf die Stacktemperatur schließen lässt. Da die thermische Trägheit des Stacks groß ist, die AbkühlungfAufwärmung von außen viel langsamer geht als die Rezirkulation des Anodengasgemisches und die Temperaturanpassung des Anodengasgemisches (kleine Wärmekapazität), kann eine aktuelle Temperatur des Stacks mithilfe der Rezirkulation des Anodengasgemisches sehr zügig ermittelt werden. Aus der Temperatur des Anodengasgemisches wird somit die Stacktemperatur (TStack=f(TAnodOut)) ermittelt. Hierzu können bestimmte Sicherheitsoffset, Kennfelder und/oder Modells verwendet werden, die die Temperatur des Anodengasgemisches mit der Stacktemperatur verbinden können. In Kenntnis der Stacktemperatur kann die Entscheidung für die passende Betriebsstrategie zum Betreiben des Stacks schnell, sicher und zuverlässig getroffen werden.The idea is to determine a temperature in an anode circuit, preferably with the help of a temperature sensor at the anode outlet and/or downstream of the anode outlet, and possibly also a temperature gradient, with which the temperature in the stack or the minimum temperature in the Inside the stack can close. For this purpose, a recirculation fan can be switched on in the anode circuit. No hydrogen needs to be metered into the anode circuit. Also, no purge/no drain/no purge-drain process need to be carried out. Thus, internal recirculation of the anode circuit can be performed for a period of time. The gas mixture flows through the stack. The temperature of the anode gas mixture is monitored and evaluated. Since the anode circuit can be very small in terms of gas volume and the lines/components of the anode circuit can be insulated/thermally insulated, a temperature can be determined that allows the stack temperature to be deduced. Since the thermal inertia of the stack is large, the cooling/heating from the outside is much slower than the recirculation of the anode gas mixture and the temperature adjustment of the anode gas mixture (small heat capacity), a current temperature of the stack can be determined very quickly using the recirculation of the anode gas mixture. The stack temperature (TStack=f(TAnodOut)) is determined from the temperature of the anode gas mixture. To this end, specific safety offsets, characteristic diagrams and/or models can be used, which can connect the temperature of the anode gas mixture to the stack temperature. Knowing the stack temperature, the decision for the appropriate operating strategy for operating the stack can be made quickly, safely and reliably.

Das Verfahren kann in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, bspw. bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb, bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.The method can be carried out in preparation for a start, in particular a freeze start, for example when the fuel cell system is switched off, at a standstill, in standby mode, in a start-stop mode.

Das Verfahren kann ferner dazu verwendet werden, um:

  • - das zeitliche Verhalten des Stacks beim Abstellen des Systems (vorzugsweise bei der Abkühlung des Stacks) zu charakterisieren, und/oder
  • - eine aktuelle und/oder geplante Betriebsstrategie anzupassen, und/oder
  • - eine Betriebsstrategie, bspw. einen nachfolgenden Start, zu prognostizieren, usw.
The method can also be used to:
  • - to characterize the temporal behavior of the stack when shutting down the system (preferably when the stack cools down), and/or
  • - adjust a current and/or planned operational strategy, and/or
  • - predict an operational strategy, e.g. a subsequent start, etc.

Das Verfahren kann auch im Postdrive/Nachlauf (für andere Trigger) eingesetzt werden, z.B. um Abstellmaßnahmen (z.B. Absenkung der Stacktemperatur beim Abstellen) zu überprüfen.The method can also be used in postdrive/after-run (for other triggers), eg to check remedial measures (eg lowering the stack temperature when shutting down).

Das Verfahren kann zudem dazu genutzt werden, um auf eine Kühlmitteltemperatur bei einem Kühlmittel zu schließen, welches sich bei einem Stillstand und/oder in Stillstandphasen des Brennstoffzellensystems im Stack befindet.The method can also be used to infer a coolant temperature for a coolant that is in the stack when the fuel cell system is at a standstill and/or in standstill phases.

Mithilfe der Erfindung können mehrere erhebliche Vorteile erreicht werden:

  • - Sicherstellung der Durchführung der Start-Funktionalität des Stacks und des gesamten Brennstoffzellensystems,
  • - Sicherstellung der Auswahl des richtigen Startverfahrens des Stacks und des gesamten Brennstoffzellensystems,
  • - Sicheres Erkennen von Notwendigkeit des Gefrierstarts des Stacks und des gesamten Brennstoffzellensystems,
  • - Vermeidung der Degradation des Stacks und weiterer Komponenten des Systems,
  • - Sicherstellung der Lebensdauer des Stacks und des gesamten Brennstoffzel lensystems,
  • - Vermeidung der Reparatur des Stacks und des gesamten Brennstoffzellensystems und damit verbundenen Kosten.
Several significant advantages can be achieved with the aid of the invention:
  • - Ensuring the implementation of the start functionality of the stack and the entire fuel cell system,
  • - Ensuring the selection of the right starting procedure for the stack and the entire fuel cell system,
  • - Reliable recognition of the need to freeze the stack and the entire fuel cell system,
  • - avoiding degradation of the stack and other system components,
  • - Ensuring the service life of the stack and the entire fuel cell system,
  • - Avoidance of repairing the stack and the entire fuel cell system and the associated costs.

Vorteilhafterweise kann der Energieaufwand zum Durchführen des Verfahrens geringgehalten werden, weil das Anodengasgemisch relativ moderat umgewälzt werden kann. Das Verfahren ist zügig, d.h. der Zeitbedarf (im Bereich von wenigen Sekunden) zum Ermitteln der Stacktemperatur ist gering. Das Verfahren kann auch im PreDrive- oder/und im Postdrive-Betrieb des Systems durchgeführt werden. Der Betrieb des Anodenkreislaufes mit diesem Verfahren ist leise und eignet sich auch zur Durchführung im Stillstand und/oder während der Stillstandsphasen des Systems.Advantageously, the energy expenditure for carrying out the method can be kept low because the anode gas mixture can be circulated relatively moderately. The process is quick, i.e. the time required (in the range of a few seconds) to determine the stack temperature is low. The method can also be carried out in the pre-drive and/or post-drive mode of the system. The operation of the anode circuit with this method is quiet and is also suitable for implementation at standstill and/or during the standstill phases of the system.

Ferner kann vorgesehen sein, dass beim Durchführen des Verfahrens ein Purgeventil und ein Drainventil oder ein kombiniertes Purge-Drain-Ventil des Anodensystems geschlossen sind/ist und/oder kein Purge- und/oder Drain-Vorgang aus dem Anodenkreislauf eingeleitet wird, und/oder dass beim Durchführen des Verfahrens ein Brennstoffdosierventil des Anodensystems geschlossen ist und/oder kein Brennstoff aus einem Brennstofftank in den Anodenkreislauf zudosiert wird. Auf diese Weise kann ein geschlossener Anodenkreislauf mit einer im Vergleich zum Stack geringen thermischen Kapazität bereitgestellt werden, in welchem sich die Temperatur des Anodengasgemisches schnell an die Temperatur des thermisch gesehen trägen Stacks anpassen kann.Furthermore, it can be provided that when the method is carried out, a purge valve and a drain valve or a combined purge-drain valve of the anode system are/is closed and/or no purge and/or drain process from the anode circuit is initiated and/or that when the method is being carried out, a fuel metering valve of the anode system is closed and/or no fuel is metered from a fuel tank into the anode circuit. In this way, a closed anode circuit can be provided with a low thermal capacity compared to the stack, in which the temperature of the anode gas mixture can quickly adapt to the temperature of the stack, which is thermally inert.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass beim Durchführen des Verfahrens ein Kathodenpfad eines Kathodensystems durch den Brennstoffzellenstack abgeschlossen ist und/oder Absperrventile eines Kathodenpfads eines Kathodensystems durch den Brennstoffzellenstack geschlossen sind. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, dass ein Kathodengas keine Temperaturveränderung in dem Stack bewirkt. Somit kann die Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches im geschlossenen Anodenkreislauf sehr schnell repräsentativ für die Temperatur des Brennstoffzellenstacks werden.Provision can furthermore be made for a cathode path of a cathode system through the fuel cell stack to be closed off and/or shut-off valves of a cathode path of a cathode system through the fuel cell stack to be closed when the method is carried out. In this way it can be made possible that a cathode gas does not cause any temperature change in the stack. Thus, the temperature of the circulated anode gas mixture in the closed anode circuit can very quickly become representative of the temperature of the fuel cell stack.

Das Verfahren kann insbesondere im Stillstand und/oder in den Stillstandphasen des Brennstoffzellenstacks durchgeführt werden. Dabei produziert der Stack keine Wärme. Das Verfahren kann somit auf eine vorteilhafte Weise zum Ermitteln der Temperatur des Brennstoffzellenstacks durchgeführt werden. Ferner kann das Verfahren dazu verwendet werden, um eine passende Betriebsstrategie für einen nachfolgenden Start des Systems auszuwählen und/oder das thermische Verhalten des Stacks zu beobachten und/oder auszuwerten.The method can be carried out in particular when the fuel cell stack is at a standstill and/or in the standstill phases. The stack does not produce any heat. The method can thus be carried out in an advantageous manner for determining the temperature of the fuel cell stack. Furthermore, the method can be used to select a suitable operating strategy for a subsequent start of the system and/or to observe and/or evaluate the thermal behavior of the stack.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass beim Auswerten der erfassten Temperatur ein Temperaturverlauf und/oder Temperaturgradient der erfassten Temperatur des Anodengasgemisches ermittelt wird. Auf diese Weise können Prognosen einer zu erwartenden Temperatur des Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur des Brennstoffzellenstacks ermöglicht werden. Auch kann dadurch das thermische Verhalten des Stacks auf eine vorteilhafte Weise ausgewertet werden.Provision can furthermore be made for a temperature profile and/or temperature gradient of the detected temperature of the anode gas mixture to be determined when the detected temperature is evaluated. In this way, forecasts of an expected temperature of the fuel cell stack depending on the determined temperature of the fuel cell stack can be made possible. This also allows the thermal behavior of the stack to be evaluated in an advantageous manner.

Zudem kann vorgesehen sein, dass beim Bestimmen der Temperatur des Brennstoffzellenstacks mindestens eine von den folgenden Maßnahmen verwendet wird:

  • - ein Sicherheitsoffset zwischen der erfassten Temperatur des Anodengasgemisches und der Temperatur des Brennstoffzellenstacks,
  • - ein Kennfeld, welches die erfasste Temperatur des Anodengasgemisches und die Temperatur des Brennstoffzellenstacks verbindet,
  • - ein Modell, welches die erfasste Temperatur des Anodengasgemisches und die Temperatur des Brennstoffzellenstacks verbindet.
In addition, it can be provided that at least one of the following measures is used when determining the temperature of the fuel cell stack:
  • - a safety offset between the detected temperature of the anode gas mixture and the temperature of the fuel cell stack,
  • - a map that connects the recorded temperature of the anode gas mixture and the temperature of the fuel cell stack,
  • - a model that combines the recorded temperature of the anode gas mixture and the temperature of the fuel cell stack.

Auf diese Weise kann die Temperatur des Brennstoffzellenstacks auf eine flexible und verbesserte Weise bestimmt werden.In this way, the temperature of the fuel cell stack can be determined in a flexible and improved manner.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:

  • - Prognostizieren einer zu erwartenden Temperatur des Brennstoffzellenstacks, insbesondere einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstacks, in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur des Brennstoffzellenstacks, insbesondere in einem Stillstand des Brennstoffzel lenstacks.
In addition, it can be provided that the method has at least one further step:
  • - Predicting an expected temperature of the fuel cell stack, in particular an operating state of the fuel cell stack, as a function of the determined temperature of the fuel cell stack, in particular when the fuel cell stack is at a standstill.

Die Entscheidungen für die Prädiktion eines passenden Startverfahrens bzw. einer passenden Betriebsstrategie für den Start, für die Überwachungszeiträume im Stillstand und für die Trigger für vorbereitende Maßnahmen eines Startverfahrens, insbesondere für die Trigger für vorbereitende Maßnahmen eines Gefrierstarts können optional noch mit weiteren Parametern erweitert werden. Beispielsweise kann auch die Stillstandzeit des Fahrzeugs bzw. der Wert und/oder Verlauf der Umgebungstemperaturen (aus Cloud oder lokal gemessen) mitberücksichtigt werden. Auf diese Weise kann die passende Betriebsstrategie mit mehr Sicherheit bestimmt werden.The decisions for the prediction of a suitable starting procedure or a suitable operating strategy for the start, for the monitoring periods at standstill and for the triggers for preparatory measures for a starting procedure, in particular for the triggers for preparatory measures for a freeze start, can optionally be expanded with further parameters. For example, the idle time of the vehicle or the value and/or course of the ambient temperatures (measured from the cloud or locally) can also be taken into account. In this way, the appropriate operating strategy can be determined with greater certainty.

Vorteilhafterweise kann beim Prognostizieren der zu erwartenden Temperatur des Brennstoffzellenstacks mindestens ein von den folgenden Parametern berücksichtigt werden:

  • - aktuelle und/oder prognostizierte Umgebungsparameter, umfassend insbesondere Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Umgebungsfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, usw.,
  • - Wetterdaten und/oder Wetterprognosen,
  • - zurückliegende ermittelte Temperaturverläufe bzw. mit dem Verfahren zuvor ermittelte Dynamik des thermischen Verhaltens des Stacks (im Stillstand bzw. im abgeschalteten Modus),
  • - aktuelle und/oder prognostizierte Betriebsbedingungen bei einem Betrieb eines korrespondierenden Brennstoffzellensystems (bspw. umfassend eine Route eines korrespondierenden Fahrzeuges), und/oder
  • - aktueller und/oder prognostizierter Leistungsbedarf eines korrespondierenden Brennstoffzellensystems (bspw. umfassend ein zu erwartendes Fahrverhalten eines Fahrers eines korrespondierenden Fahrzeuges).
Advantageously, at least one of the following parameters can be taken into account when predicting the expected temperature of the fuel cell stack:
  • - Current and/or forecast environmental parameters, including in particular ambient temperature, ambient pressure, ambient humidity, wind speed, etc.,
  • - weather data and/or weather forecasts,
  • - Previously determined temperature curves or dynamics of the thermal behavior of the stack previously determined with the method (at standstill or in switched-off mode),
  • - Current and/or predicted operating conditions when operating a corresponding fuel cell system (eg comprising a route of a corresponding vehicle), and/or
  • - Current and/or predicted power requirement of a corresponding fuel cell system (eg comprising an expected driving behavior of a driver of a corresponding vehicle).

Zu Erhöhen der Genauigkeit und/oder zum Plausibilisieren der Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches im geschlossenen Anodenkreislauf kann ferner vorgesehen sein, dass beim Bestimmen der Temperatur des Brennstoffzellenstacks mindestens eine Kühlmitteltemperatur berücksichtigt wird.To increase the accuracy and/or to check the plausibility of the temperature determination of the stack using the temperature of the circulated anode gas mixture in the closed anode circuit, at least one coolant temperature can also be taken into account when determining the temperature of the fuel cell stack.

Das oben beschriebene Verfahren kann wie folgt mit der Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur in einem Kühlmittelkreislauf kombiniert werden:

  1. a) Ermittlung der Temperatur über den Anodenkreislauf (s.o.).
  2. b) Ermittlung von weiteren/einer weiteren Temperatur im Kühlmittelkreislauf.
  3. c) Entscheidung anhand a) und b), bspw.:
    • - mit kombiniert ermittelter Stacktemperatur TStack = f(TAnod, TCoolant) und ggf.
    • - mit unterschiedlichen Schwellen:
      • TthresF1 > Temperatur aus TStack (aus Anodenkreislauf) und/oder
      • TthresF2 > Temperatur aus TStack (aus Kühlmittelkreislauf).
The method described above can be combined with determining the temperature of the stack using the temperature in a coolant circuit as follows:
  1. a) Determination of the temperature via the anode circuit (see above).
  2. b) Determination of another/another temperature in the coolant circuit.
  3. c) Decision based on a) and b), e.g.:
    • - with a combined determined stack temperature TStack = f(TAnod, TCoolant) and possibly
    • - with different thresholds:
      • TthresF1 > Temperature from TStack (from anode circuit) and/or
      • TthresF2 > Temperature from TStack (from coolant circuit).

Bei ThresF > TStack Entscheidung für Gefrierstart sonst Kaltstart (bzw. anderes Startverfahren).If ThresF > TStack decision for freeze start otherwise cold start (or other start method).

Zur der Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur in einem Kühlmittelkreislauf kann das Verfahren mindestens einen von den folgenden Schritten aufweisen:

  • - Rezirkulieren eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf eines Kühlmittelsystems,
  • - Erfassen der Kühlmitteltemperatur an einem Ausgang aus dem Brennstoffzellenstack und/oder an einem Eingang in den Brennstoffzellenstack,
  • - Auswerten der Kühlmitteltemperatur,
  • - Bestimmen der Temperatur des Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit von dem Auswerten der Kühlmitteltemperatur,
  • - Vergleichen der bestimmten Temperatur des Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit von dem Auswerten der Kühlmitteltemperatur und der bestimmten Temperatur des Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit von dem Auswerten der Temperatur des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf des Anodensystems, und/oder
  • - Ausgeben eines Ergebnisses vom Vergleichen, und/oder
  • - beidseitige Plausibilisierung, Diagnose, Abgleich und/oder Verrechnung zur Erhöhung der Genauigkeit der jeweiligen Temperaturbestimmung.
To determine the temperature of the stack using the temperature in a coolant circuit, the method can have at least one of the following steps:
  • - Recirculation of a coolant in a coolant circuit of a coolant system,
  • - detecting the coolant temperature at an outlet from the fuel cell stack and/or at an inlet into the fuel cell stack,
  • - evaluating the coolant temperature,
  • - Determining the temperature of the fuel cell stack depending on the evaluation of the coolant temperature,
  • - Comparing the determined temperature of the fuel cell stack as a function of the evaluation of the coolant temperature and the determined temperature of the fuel cell stack as a function of the evaluation of the temperature of the anode gas mixture in the anode circuit of the anode system, and/or
  • - outputting a result of the comparison, and/or
  • - Mutual plausibility check, diagnosis, adjustment and/or offsetting to increase the accuracy of the respective temperature determination.

Nach einem besonderen Vorteil der Erfindung kann das Verfahren (zu Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches im geschlossenen Anodenkreislauf), welches wie oben beschrieben ablaufen kann, Ermitteln einer Kühlmitteltemperatur, insbesondere eines im Brennstoffzellenstack befindlichen Volumens eines Kühlmittels. Im Stillstand und/oder in den Stillstandphasen des Systems, wenn alle Medien in dem Stack außer dem Anodengasgemisch ruhen, stellt sich die Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches ein, die für die Temperatur des Stacks und des darin befindlichen Kühlmittels spezifisch ist. Somit kann mit der Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches im geschlossenen Anodenkreislauf nicht nur die Temperatur des Stacks, sondern auch die Temperatur des darin befindlichen Kühlmittelvolumens ermittelt werden.According to a particular advantage of the invention, the method (for determining the temperature of the stack using the temperature of the circulated Anode gas mixture in the closed anode circuit), which can take place as described above, determining a coolant temperature, in particular a coolant volume located in the fuel cell stack. When the system is at a standstill and/or in the standstill phases, when all media in the stack are at rest apart from the anode gas mixture, the temperature of the circulated anode gas mixture adjusts itself, which is specific to the temperature of the stack and the coolant located therein. Thus, by determining the temperature of the stack using the temperature of the circulated anode gas mixture in the closed anode circuit, not only the temperature of the stack but also the temperature of the coolant volume located therein can be determined.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung bereit: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb, bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems, insbesondere in Vorbereitung auf einen Start, vorzugsweise einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems, aufweisend:

  • - Ermitteln einer Temperatur eines Brennstoffzellenstacks des Brennstoffzellensystems durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6,
  • - Bestimmen und/oder Anpassen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von dem Ermitteln.
According to a further aspect, the invention provides: a method for operating a fuel cell system, in particular when shutting down, at a standstill, in standby operation, in start-stop operation of the fuel cell system, in particular in preparation for a start, preferably a Freeze start, of the fuel cell system, comprising:
  • - Determining a temperature of a fuel cell stack of the fuel cell system by a method according to any one of the preceding claims 1 to 6,
  • - Determining and / or adjusting an operating strategy of the fuel cell system depending on the determination.

Mithilfe der Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches im geschlossenen Anodenkreislauf können schnelle und zuverlässige Ergebnisse geliefert werden. Auf diese Weise kann die Temperatur des Stacks schnell und zuverlässig ermittelt werden. In Kenntnis der Temperatur des Stacks kann wiederum eine passende Betriebsstrategie für das Brennstoffzellensystem schnell und sicher bestimmt werden. Ferner werden mithilfe des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb, bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems, insbesondere in Vorbereitung auf einen Start, vorzugsweise einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches im geschlossenen Anodenkreislauf erreicht werden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.Fast and reliable results can be delivered by determining the temperature of the stack using the temperature of the circulated anode gas mixture in the closed anode circuit. In this way, the temperature of the stack can be determined quickly and reliably. Knowing the temperature of the stack, in turn, a suitable operating strategy for the fuel cell system can be determined quickly and reliably. Furthermore, using the method for operating a fuel cell system, in particular when shutting down, at a standstill, in standby mode, in a start-stop mode of the fuel cell system, in particular in preparation for a start, preferably a freeze start, of the fuel cell system Achieved advantages that are achieved above in connection with the inventive method for determining the temperature of the stack using the temperature of the circulated anode gas mixture in the closed anode circuit. Reference is made in full to these advantages here.

Vorteilhafterweise kann das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems regelmäßig (nach bestimmten Regeln und/oder Vorschriften), periodisch und/oder ereignisspezifisch (Starten/Stoppen des Motors usw.) getriggert werden. Im laufenden Betrieb des Systems kann das Verfahren immer wieder getriggert werden, um zu überprüfen, dass die aktuelle Betriebsstrategie passend ist. In Vorbereitung auf den Start, kann das Verfahren dazu genutzt werden, eine passende Betriebsstrategie für den Start auszuwählen. Das Verfahren kann dazu benutzt werden die Überwachung im Stillstand, insbesondere die zeitlichen Abstände der Überwachung z.B. mittels wake-up's adaptiv zu steuern. Bei längeren Stillstandphasen des Systems kann das Verfahren dazu genutzt werden, prognostizierte Betriebsstrategien zu bestimmen, die für einen möglichen Start genutzt werden können. Auch kann das Verfahren bei längeren Stillstandphasen des Systems zum Auswerten des thermischen Verhaltens des Systems genutzt werden.Advantageously, the method for operating the fuel cell system can be triggered regularly (according to specific rules and/or regulations), periodically and/or event-specifically (starting/stopping the engine, etc.). The process can be triggered again and again while the system is running in order to check that the current operating strategy is appropriate. In preparation for launch, the method can be used to select an appropriate operational strategy for launch. The method can be used to adaptively control the monitoring at a standstill, in particular the time intervals between monitoring, e.g. by means of wake-ups. When the system is at a standstill for longer periods, the method can be used to determine predicted operating strategies that can be used for a possible start. The method can also be used to evaluate the thermal behavior of the system when the system is at a standstill for longer periods.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung bereit: ein Verfahren zum Auswerten eines Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen und/oder bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystems, aufweisend:

  • - Ermitteln einer Temperatur eines Brennstoffzellenstacks des Brennstoffzellensystems durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6,
  • - Ermitteln einer Dynamik des thermischen Verhaltens des Brennstoffzellensystems,
  • - Anpassen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit von dem Ermitteln.
According to a further aspect, the invention provides: a method for evaluating a fuel cell system, in particular when the fuel cell system is switched off and/or at a standstill, comprising:
  • - Determining a temperature of a fuel cell stack of the fuel cell system by a method according to any one of the preceding claims 1 to 6,
  • - Determining a dynamic of the thermal behavior of the fuel cell system,
  • - Adapting an operating strategy of the fuel cell stack depending on the determination.

In Kenntnis des thermischen Verhaltens des Brennstoffzellensystems können Betriebsparameter im Betrieb des gesamten Systems sowie der einzelnen Subsysteme, wie z. B. eines Kühlmittelsystems, angepasst werden, um der Thermik des Systems besser zu entsprechen. Außerdem werden mithilfe des Verfahrens zum Auswerten eines Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Abstellen und/oder bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystems die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur des umgewälzten Anodengasgemisches im geschlossenen Anodenkreislauf erreicht werden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.Knowing the thermal behavior of the fuel cell system, operating parameters in the operation of the entire system and the individual subsystems, such. B. a coolant system, be adjusted to better match the thermals of the system. In addition, using the method for evaluating a fuel cell system, in particular when the fuel cell system is switched off and/or at a standstill, the same advantages are achieved that are achieved above in connection with the method according to the invention for determining the temperature of the stack using the temperature of the circulated anode gas mixture in the closed anode circuit . Reference is made in full to these advantages here.

Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem möglichen rezirkulationsfähigen Pfad in einem Anodensystem, und
  • 2 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem weiteren möglichen rezirkulationsfähigen Pfad in einem Anodensystem.
The invention and its developments as well as its advantages are explained in more detail below with reference to drawings. They each show schematically:
  • 1 an exemplary fuel cell system with a possible recirculable path in an anode system, and
  • 2 an exemplary fuel cell system with another possible recyclable path in an anode system.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference numerals, which is why these i. i.e. R. only be described once.

Die 1 und 2 zeigen jeweils ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 (oder einfach ausgedrückt System 100) umfasst zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstack 101 (oder einfach ausgedrückt Stack 101) zusammengefügt werden. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 zumindest vier Funktionssysteme, darunter: ein Kathodensystem 10, um einen Kathodenraum bzw. einen Kathodenpfad KP des Stacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem 20, um einen Anodenraum bzw. einen Anodenpfad AP des Stacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem 30, um den Stack 101 zu temperieren, und ein (aus Einfachheitsgründen nicht dargestelltes) elektrisches System, um die erzeugte elektrische Leistung vom Stack 101 abzuführen.The 1 and 2 each show an exemplary fuel cell system 100 within the scope of the invention. The fuel cell system 100 (or, simply put, system 100) usually includes a plurality of fuel cells that are combined to form a fuel cell stack 101 (or simply put, stack 101). In addition, the fuel cell system 100 comprises at least four functional systems, including: a cathode system 10 to supply a cathode space or a cathode path KP of the stack 101 with an oxygen-containing gas mixture, an anode system 20 to supply an anode space or an anode path AP of the stack 101 with a to supply fuel-containing gas mixture, a cooling system 30 to temper the stack 101, and an electrical system (not shown for reasons of simplicity) to dissipate the generated electrical power from the stack 101.

Das Kathodensystem 10 umfasst eine Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und eine 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 Kathodenpfad KP durch den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft aus dem System 100 wieder an die Umgebung U abgelassen. Stromabwärts nach der Gasfördermaschine V kann ein Zuluftkühler IC angeordnet sein. Vor und nach dem Stack 101 können Absperrventile SV1, SV2 vorgesehen sein. Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein separates Ventil CV1 als Druckregler vorgesehen sein. Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein.The cathode system 10 comprises an air supply line 11 to the stack 101 and an exhaust air line 12 from the stack 101. An air filter AF is usually arranged at the inlet of the air supply line 11 in order to filter harmful chemical substances and particles or to prevent them from entering the system 100. The gas pumping machine V in the cathode system 10 can be designed in the form of a compressor in order to suck in the air from the environment U and to provide it to the cathode path KP through the stack 101 in the form of supply air. After passing through the stack 101, an exhaust air is discharged from the system 100 to the environment U again. An inlet air cooler IC can be arranged downstream of the gas conveying machine V. Shutoff valves SV1, SV2 can be provided before and after the stack 101. In addition, a separate valve CV1 can be provided in the exhaust air line 12 as a pressure regulator. A bypass line 13 with a ByCath bypass valve can be provided between the supply air line 11 and the exhaust air line 12 .

Das Anodensystem 20 weist mehrere Komponenten auf. Zu den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, gehören eine Zuleitung 22 mit einem Brennstofftank BT und mindestens einem Druckregler HGI. Der Druckregler HGI kann außerdem über eine Absperrfunktion verfügen. Wenn der Druckregler HGI über keine Absperrfunktion verfügt, kann ein separates Absperrventil am Eingang in den Anodenraum bzw. Anodenpfad AP vorgesehen sein. Die Zuleitung 22 dient zum Bereitstellen vom frischen Brennstoff, bspw. Wasserstoff, zu einem Anodenkreislauf 21, der über den Anodenpfad AP durch den Stack 101 führt.The anode system 20 has several components. The components used to supply fuel include a supply line 22 with a fuel tank BT and at least one pressure regulator HGI. The HGI pressure regulator can also have a shut-off function. If the pressure regulator HGI does not have a shut-off function, a separate shut-off valve can be provided at the entrance to the anode chamber or anode path AP. The feed line 22 is used to provide fresh fuel, for example hydrogen, to an anode circuit 21 which leads through the stack 101 via the anode path AP.

Weitere Komponenten im Anodenkreislauf 21 des Anodensystems 20 sind eine Strahlpumpe JP und eine Rezirkulationspumpe HRB.Further components in the anode circuit 21 of the anode system 20 are a jet pump JP and a recirculation pump HRB.

Zudem kann im Anodensystem 20 eine Purge- und/oder Drain-Leitung 23 mit einem Purge- und/oder Drainventil PV, DV, PDV vorgesehen sein.In addition, a purge and/or drain line 23 with a purge and/or drain valve PV, DV, PDV can be provided in the anode system 20 .

Die 1 und 2 zeigen mögliche Topologien des Anodensystems 20, die über rezirkulationsfähige Anodenkreisläufe 21 verfügen können. Weitere Varianten von rezirkulationsfähigen Pfaden im Anodensystem 20 sind selbstverständlich denkbar. In der Topologie gemäß der 2 ist ein Trocknungspfad 24 vorgesehen, welcher mithilfe von Ventilen 24a, 24b abgesperrt werden kann und welcher ein Trocknungsmittel 25, bspw. umfassend ein feuchtigkeitsabsorbierendes Material, wie z. B. Zeolith, aufweisen kann.The 1 and 2 show possible topologies of the anode system 20, which can have anode circuits 21 capable of recirculation. Further variants of paths capable of recirculation in the anode system 20 are of course conceivable. In the topology according to the 2 a drying path 24 is provided, which can be shut off by means of valves 24a, 24b and which contains a desiccant 25, e.g. B. zeolite may have.

Die 1 und 2 dienen zum Erklären eines Verfahrens im Sinne der Erfindung, welches zum Ermitteln einer Temperatur TStack eines Brennstoffzellenstacks 101 dient. Das Verfahren aufweisend:

  • - Rezirkulieren eines Anodengasgemisches in einem abgeschlossenen Anodenkreislauf 21 eines Anodensystems 20 durch den Brennstoffzellenstack 101,
  • - Erfassen (Sensieren bzw. Vermessen mithilfe eines Temperatursensors STAnod) einer Temperatur TAnod des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf 21 des Anodensystems 20, bspw. einer Temperatur TAnodOut an einem Ausgang A1 aus dem Brennstoffzellenstack 101,
  • - Auswerten der erfassten Temperatur TAnod des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf 21 des Anodensystems 20,
  • - Bestimmen der Temperatur TStack des Brennstoffzellenstacks 101 in Abhängigkeit von dem Auswerten der erfassten Temperatur TAnod des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf 21 des Anodensystems 20.
The 1 and 2 serve to explain a method within the meaning of the invention, which serves to determine a temperature Tstack of a fuel cell stack 101. The method comprising:
  • - Recirculation of an anode gas mixture in a closed anode circuit 21 of an anode system 20 through the fuel cell stack 101,
  • - detecting (sensing or measuring using a temperature sensor STAnod) a temperature TAnod of the anode gas mixture in the anode circuit 21 of the anode system 20, e.g. a temperature TAnodOut at an output A1 from the fuel cell stack 101,
  • - Evaluating the detected temperature TAnod of the anode gas mixture in the anode circuit 21 of the anode system 20,
  • - Determination of the temperature TStack of the fuel cell stack 101 depending on the evaluation of the detected temperature TAnod of the anode gas mixture in the anode circuit 21 of the anode system 20.

Die Stacktemperatur TStack ist entscheidungsrelevant, um eine passende Betriebsstrategie für das Brennstoffzellensystem 100 zu wählen. In Abhängigkeit von der Stacktemperatur TStack können verschiedene Betriebsstrategien bestimmten werden, darunter bspw.:

  • - Gefrierstart TStack <TthresF,
  • - Kaltstart TthresF < TStack < TopArea,
  • - Warmstart TStack in oder nahe TopArea,
  • - HotStart TStack > TopArea, usw.
The stack temperature Tstack is relevant to the decision in order to select a suitable operating strategy for the fuel cell system 100. Depending on the stack temperature Tstack different operating strategies can be determined, including, for example:
  • - freeze start TStack < TthresF,
  • - cold start TthresF < TStack < TopArea,
  • - Warm start TStack in or near TopArea,
  • - HotStart TStack > TopArea, etc.

Für verschiedene Betriebsstrategien können entsprechende Schwellenwerte für die Stacktemperatur TStack vorgesehen werden, darunter:

  • TthresF- von bspw. 0°C, als eine relevante Schwelle für einen Gefrierstart und insbesondere entsprechende Gefrierstartmaßnahmen,
  • TopArea- bspw. zwischen 50°C und 70°C, insbesondere 55°C und 65°C, vorzugsweise zwischen 60°C und 65°C, als Betriebstemperaturbereich für einen Normalbetrieb des Systems bzw. einen Wohlfühlbereich für den Stack, usw.
Corresponding threshold values for the stack temperature Tstack can be provided for different operating strategies, including:
  • TthresF- of e.g. 0°C, as a relevant threshold for a freeze start and in particular corresponding freeze start measures,
  • TopArea- for example between 50°C and 70°C, in particular 55°C and 65°C, preferably between 60°C and 65°C, as the operating temperature range for normal operation of the system or a comfort zone for the stack, etc.

Insbesondere bei einem Start des Systems 100 kann eine richtige Wahl einer passenden Betriebsstrategie entscheidend sein, um Beschädigungen des Systems 100 zu vermeiden.In particular when the system 100 is started, a correct choice of a suitable operating strategy can be crucial in order to avoid damaging the system 100 .

Erfindungsgemäß wird eine Temperatur TAnod in einem Anodenkreislauf 21 mithilfe eines Temperatursensors STAnod, vorzugsweise eine Temperatur TAnodOut am Anodenaustritt, und ggf. zusätzlich ein korrespondierender Temperaturgradient, erfasst und ausgewertet. Mithilfe der Temperatur TAnod, TAnodOut im Anodenkreislauf 21 wird die Temperatur TStack im Stack 101 bzw. die minimale Temperatur TStack im Inneren des Stacks 101 bestimmt.According to the invention, a temperature TAnod in an anode circuit 21 is recorded and evaluated using a temperature sensor STAnod, preferably a temperature TAnodOut at the anode outlet, and possibly also a corresponding temperature gradient. The temperature TStack in the stack 101 or the minimum temperature TStack inside the stack 101 is determined with the aid of the temperature TAnod, TAnodOut in the anode circuit 21 .

Zum Rezirkulieren des Anodengasgemisches im Anodenkreislauf 21 kann die Rezirkulationspumpe HRB eingeschaltet werden. Dabei wird kein Brennstoff bzw. Wasserstoff in den Anodenkreislauf 21 zudosiert. Auch werden dabei kein Purge/ kein Drain- / kein Purge-Drain-Vorgang vorgenommen. Somit wird eine interne Umwälzung des Anodengasgemisches im Anodenkreislauf 21 für eine gewisse Zeit (es reichen wenige Sekunden) durchgeführt. Das Anodengasgemisch durchströmt dabei den Stack 101. Beim Rezirkulieren des Anodengasgemisches wird die Temperatur TAnod des Anodengasgemisches überwacht und ausgewertet. Da der Anodenkreislauf 21 zum einen hinsichtlich des Gasvolumens recht klein sein kann und zum anderen die Leitungen/Komponenten des Anodenkreislaufs 21 isoliert /wärmegedämmt sein können, kann hierbei eine Temperatur TAnod ermittelt werden, die auf die Stacktemperatur TStack relativ zuverlässig und bezeichnend schließen lässt. Da die thermische Trägheit des Stacks 101 groß ist, die Abkühlung/Aufwärmung von außen viel langsamer geht als die Rezirkulation des Anodengasgemisches und die Temperaturanpassung des Anodengasgemisches (kleine Wärmekapazität), kann eine aktuelle Temperatur TStack des Stacks 101 mithilfe der Rezirkulation des Anodengasgemisches sehr zügig ermittelt werden. Aus der Temperatur TAnod, insbesondere TAnodOut, des Anodengasgemisches wird somit die Stacktemperatur ermittelt: TStack ≈ TAnod .

Figure DE102021213325A1_0001
The recirculation pump HRB can be switched on to recirculate the anode gas mixture in the anode circuit 21 . In this case, no fuel or hydrogen is metered into the anode circuit 21 . Also, no purge/no drain/no purge-drain process is carried out. Internal circulation of the anode gas mixture in the anode circuit 21 is thus carried out for a certain time (a few seconds are sufficient). The anode gas mixture flows through the stack 101. When the anode gas mixture is recirculated, the temperature TAnod of the anode gas mixture is monitored and evaluated. Since the anode circuit 21 can be quite small in terms of gas volume and the lines/components of the anode circuit 21 can be insulated/thermally insulated, a temperature TAnod can be determined here that allows the stack temperature Tstack to be inferred relatively reliably and significantly. Since the thermal inertia of the stack 101 is large, the cooling/heating from the outside is much slower than the recirculation of the anode gas mixture and the temperature adjustment of the anode gas mixture (small heat capacity), a current temperature Tstack of the stack 101 can be determined very quickly using the recirculation of the anode gas mixture become. The stack temperature is thus determined from the temperature TAnod, in particular TAnodOut, of the anode gas mixture: Tstack ≈ TAnod .
Figure DE102021213325A1_0001

Oder für mehr Sicherheit und/oder Genauigkeit: TStack = f ( TAnod )

Figure DE102021213325A1_0002
Or for more security and/or accuracy: Tstack = f ( TAnod )
Figure DE102021213325A1_0002

Zum Abbilden der Temperatur TAnod, insbesondere TAnodOut, des Anodengasgemisches auf die Stacktemperatur TStack können bestimmte Sicherheitsoffset, Kennfelder und/oder Modells verwendet werden, die die Temperatur TAnod, insbesondere TAnodOut des Anodengasgemisches funktional mit der Stacktemperatur TStack verbinden können.To map the temperature TAnod, in particular TAnodOut, of the anode gas mixture to the stack temperature TStack, certain safety offsets, characteristic diagrams and/or models can be used, which can functionally connect the temperature TAnod, in particular TAnodOut, of the anode gas mixture to the stack temperature TStack.

Gemäß einem wesentlichen Vorteil der Erfindung kann in Kenntnis der Stacktemperatur die Entscheidung für die passende Betriebsstrategie zum Betreiben des Stacks 101 schnell, sicher und zuverlässig getroffen werden.According to an essential advantage of the invention, the decision for the appropriate operating strategy for operating the stack 101 can be made quickly, safely and reliably with knowledge of the stack temperature.

Das Verfahren kann in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, bspw. bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb, bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.The method can be carried out in preparation for a start, in particular a freeze start, for example when the fuel cell system is switched off, at a standstill, in standby mode, in a start-stop mode.

Das Verfahren kann ferner dazu verwendet werden, um:

  • - das zeitliche Verhalten des Stacks 101 beim Abstellen des Systems 101, bspw. vorzugsweise bei der Abkühlung des Stacks 101, zu charakterisieren, und/oder
  • - eine aktuelle und/oder geplante Betriebsstrategie zu bestimmen und/oder anzupassen, und/oder
  • - eine Betriebsstrategie, bspw. einen nachfolgenden Start, zu bestimmen, zu prognostizieren und/oder anzupassen, usw.
The method can also be used to:
  • - to characterize the behavior of the stack 101 over time when the system 101 is switched off, for example preferably when the stack 101 is cooling down, and/or
  • - determine and/or adapt a current and/or planned operational strategy, and/or
  • - determine, forecast and/or adjust an operational strategy, e.g. a subsequent launch, etc.

Das Verfahren kann weiterhin dazu benutzt werden, die Überwachung im Stillstand, insbesondere die zeitlichen Abstände der Überwachung z.B. mittels wake-up's adaptiv zu steuern.The method can also be used to adaptively control the monitoring at a standstill, in particular the time intervals between monitoring, e.g. by means of wake-ups.

Das Verfahren kann auch im Postdrive/Nachlauf für andere Trigger eingesetzt werden, z.B. um Abstellmaßnahmen z.B. Absenkung der Stacktemperatur beim Abstellen zu überprüfen.The method can also be used in postdrive/after-run for other triggers, e.g. to check remedial measures, e.g. lowering the stack temperature when shutting down.

Das Verfahren kann zudem dazu genutzt werden, um auf eine Kühlmitteltemperatur TCoolant, umfassend TCool1 und/oder TCool2, bei einem Kühlmittel KM zu schließen, welches sich bei einem Stillstand und/oder in Stillstandphasen des Brennstoffzellensystems 100 im Stack 101 befindet.The method can also be used to infer a coolant temperature TCoolant, including TCool1 and/or TCool2, for a coolant KM that is in the stack 101 when the fuel cell system 100 is at a standstill and/or in standstill phases.

Der Energieaufwand zum Durchführen des Verfahrens ist relativ gering, weil das Anodengasgemisch mit moderaten Drehzahlen umgewälzt werden kann. Das Verfahren kann auch zügig (im Bereich von wenigen Sekunden) zum Ermitteln der Stacktemperatur TStack führen.The energy required to carry out the process is relatively low because the anode gas mixture can be circulated at moderate speeds. The method can also quickly (in the range of a few seconds) lead to the determination of the stack temperature Tstack.

Das Verfahren kann auch im PreDrive- oder/und im Postdrive-Betrieb des Systems 100 durchgeführt werden. Der Betrieb des Anodenkreislaufes 21 mit diesem Verfahren ist leise und eignet sich auch zur Durchführung im Sillstand und/oder während der Stillstandsphasen des Systems 100.The method can also be carried out in the pre-drive and/or post-drive mode of the system 100. The operation of the anode circuit 21 with this method is quiet and is also suitable for implementation when the system 100 is at a standstill and/or during the standstill phases.

Beim Durchführen des Verfahrens können das Purgeventil PV, das Drainventil DV und/oder ein kombiniertes Purge-Drain-Ventil PDV in der Purge- und/oder Drain-Leitung 23 des Anodensystems 20 geschlossen bleiben. Dabei wird kein Purge- und/oder Drain-Vorgang aus dem Anodenkreislauf 21 eingeleitet. Auch der Druckregler HGI bzw. das Brennstoffdosierventil in der Zuleitung 22 des Anodensystems 20 kann geschlossen bleiben. Dabei wird kein Brennstoff aus dem Brennstofftank BT in den Anodenkreislauf 21 zudosiert.When carrying out the method, the purge valve PV, the drain valve DV and/or a combined purge-drain valve PDV in the purge and/or drain line 23 of the anode system 20 can remain closed. In this case, no purge and/or drain process from the anode circuit 21 is initiated. The pressure regulator HGI or the fuel metering valve in the feed line 22 of the anode system 20 can also remain closed. In this case, no fuel from the fuel tank BT is metered into the anode circuit 21 .

Weiterhin kann der Kathodenpfad KP des Kathodensystems 10 durch den Brennstoffzellenstack 101 abgeschlossen bleiben. Dabei bleiben die Absperrventile SV1, SV2 des Kathodenpfads KP des Kathodensystems 10 durch den Brennstoffzellenstack 101 geschlossen.Furthermore, the cathode path KP of the cathode system 10 can remain closed off by the fuel cell stack 101 . The shut-off valves SV1, SV2 of the cathode path KP of the cathode system 10 remain closed through the fuel cell stack 101.

Das Verfahren kann insbesondere in einem Stillstand und/oder in den Stillstandzeiten bei einem Standby-Betrieb und/oder bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt werden.The method can be carried out in particular when the fuel cell system 100 is at a standstill and/or during the downtimes in a standby mode and/or in a start-stop mode.

Des Weiteren können/kann beim Auswerten der erfassten Temperatur TAnod ein Temperaturverlauf und/oder Temperaturgradient der erfassten Temperatur TAnod des Anodengasgemisches ermittelt werden.Furthermore, when evaluating the recorded temperature TAnod, a temperature curve and/or temperature gradient of the recorded temperature TAnod of the anode gas mixture can be determined.

Außerdem kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

  • - Prognostizieren einer zu erwartenden Temperatur TStack des Brennstoffzellenstacks 101, insbesondere einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstacks 101, in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur TStack des Brennstoffzellenstacks 101, insbesondere in einem Stillstand des Brennstoffzellenstacks 101.
In addition, the method can have at least one further step:
  • - Predicting an expected temperature Tstack of the fuel cell stack 101, in particular an operating state of the fuel cell stack 101, as a function of the determined temperature Tstack of the fuel cell stack 101, in particular when the fuel cell stack 101 is at a standstill.

Die Entscheidungen für die Prädiktion eines passenden Startverfahrens, für die Überwachungszeiträume im Stillstand und für die Trigger für vorbereitende Maßnahmen eines Startverfahrens, insbesondere bei einem Gefrierstart, können mindestens einen von den folgenden Parametern berücksichtigen:

  • - aktuelle und/oder prognostizierte Umgebungsparameter, umfassend insbesondere Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Umgebungsfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, usw.,
  • - Wetterdaten und/oder Wetterprognosen,
  • - zurückliegende ermittelte Temperaturverläufe bzw. mit dem Verfahren zuvor ermittelte Dynamik des thermischen Verhaltens des Stacks 101 (im Stillstand bzw. im abgeschalteten Modus),
  • - aktuelle und/oder prognostizierte Betriebsbedingungen bei einem Betrieb eines korrespondierenden Brennstoffzellensystems 100 (bspw. umfassend eine Route eines korrespondierenden Fahrzeuges), und/oder
  • - aktueller und/oder prognostizierter Leistungsbedarf eines korrespondierenden Brennstoffzellensystems 100 (bspw. umfassend ein zu erwartendes Fahrverhalten eines Fahrers eines korrespondierenden Fahrzeuges).
The decisions for the prediction of a suitable starting procedure, for the monitoring periods at standstill and for the triggers for preparatory measures of a starting procedure, in particular in the case of a freeze start, can take into account at least one of the following parameters:
  • - Current and/or forecast environmental parameters, including in particular ambient temperature, ambient pressure, ambient humidity, wind speed, etc.,
  • - weather data and/or weather forecasts,
  • - Previously determined temperature curves or dynamics of the thermal behavior of the stack 101 previously determined using the method (at a standstill or in the switched-off mode),
  • - Current and/or predicted operating conditions during operation of a corresponding fuel cell system 100 (eg comprising a route of a corresponding vehicle), and/or
  • - Current and/or predicted power requirement of a corresponding fuel cell system 100 (eg comprising an expected driving behavior of a driver of a corresponding vehicle).

Zum Erhöhen der Genauigkeit und/oder zum Plausibilisieren der Temperaturermittlung des Stacks 101 mithilfe der Temperatur TAnod, insbesondere TAnodOut, des Anodengasgemisches kann ferner mindestens eine Kühlmitteltemperatur TCoolant, umfassend bspw. TCool1 und/oder TCool2, berücksichtigt werden, die mithilfe eines oder mehrere Temperatursensoren STCool1, STCool2 vermessen werden kann.To increase the accuracy and/or to check the plausibility of the temperature determination of the stack 101 using the temperature TAnod, in particular TAnodOut, of the anode gas mixture, at least one coolant temperature TCoolant, including e.g. TCool1 and/or TCool2, can also be taken into account, which can be determined using one or more temperature sensors STCool1 , STCool2 can be measured.

Das oben beschriebene Verfahren Temperaturermittlung des Stacks 101 mithilfe der Temperatur TAnod, insbesondere TAnodOut, des Anodengasgemisches kann mithilfe der Temperaturermittlung des Stacks 101 mithilfe der Temperatur TCoolant im Kühlmittelkreislauf 30 kombiniert werden:

  1. a) Ermittlung der Temperatur über den Anodenkreislauf (s.o.).
  2. b) Ermittlung von weiteren/einer weiteren Temperatur im Kühlmittelkreislauf.
  3. c) Entscheidung anhand a) und b), bspw.:
    • - mit kombiniert ermittelter Stacktemperatur TStack = f(TAnod, TCoolant) und ggf.
    • - mit unterschiedlichen Schwellen:
      • TthresF1 > Temperatur aus TStack (aus Anodenkreislauf) und/oder
      • TthresF2 > Temperatur aus TStack (aus Kühlmittelkreislauf).
The method described above of determining the temperature of the stack 101 using the temperature TAnod, in particular TAnodOut, of the anode gas mixture can be combined using the temperature determination of the stack 101 using the temperature TCoolant in the coolant circuit 30:
  1. a) Determination of the temperature via the anode circuit (see above).
  2. b) Determination of another/another temperature in the coolant circuit.
  3. c) Decision based on a) and b), e.g.:
    • - with a combined determined stack temperature TStack = f(TAnod, TCoolant) and possibly
    • - with different thresholds:
      • TthresF1 > Temperature from TStack (from anode circuit) and/or
      • TthresF2 > Temperature from TStack (from coolant circuit).

Bei ThresF > TStack Entscheidung für Gefrierstart sonst Kaltstart (bzw. anderes Startverfahren).If ThresF > TStack decision for freeze start otherwise cold start (or other start method).

Zur der Temperaturermittlung des Stacks mithilfe der Temperatur in einem Kühlmittelkreislauf kann das Verfahren mindestens einen von den folgenden Schritten aufweisen:

  • - Rezirkulieren eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf 31 eines Kühlmittelsystems 30,
  • - Erfassen der Kühlmitteltemperatur TCoolant an einem Ausgang TCool2 aus dem Brennstoffzellenstack 101 und/oder an einem Eingang TCool1 in den Brennstoffzellenstack 101,
  • - Auswerten der Kühlmitteltemperatur TCoolant,
  • - Bestimmen der Temperatur TStack des Brennstoffzellenstacks 101 in Abhängigkeit von dem Auswerten der Kühlmitteltemperatur TCoolant,
  • - Vergleichen der bestimmten Temperatur TStack des Brennstoffzellenstacks 101 in Abhängigkeit von dem Auswerten der Kühlmitteltemperatur TCoolant und der bestimmten Temperatur TStack des Brennstoffzellenstacks 101 in Abhängigkeit von dem Auswerten der Temperatur TAnod des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf 21 des Anodensystems 20,
  • - Ausgeben eines Ergebnisses vom Vergleichen, und/oder
  • - beidseitige Plausibilisierung, Diagnose, Abgleich und/oder Verrechnung zur Erhöhung der Genauigkeit der jeweiligen Temperaturbestimmung Tstack=f(Tanod, Tcoolant).
To determine the temperature of the stack using the temperature in a coolant circuit, the method can have at least one of the following steps:
  • - Recirculation of a coolant in a coolant circuit 31 of a coolant system 30,
  • - detecting the coolant temperature TCoolant at an output TCool2 from the fuel cell stack 101 and/or at an input TCool1 in the fuel cell stack 101,
  • - Evaluation of the coolant temperature TCoolant,
  • - Determining the temperature TStack of the fuel cell stack 101 depending on the evaluation of the coolant temperature TCoolant,
  • - Comparing the determined temperature TStack of the fuel cell stack 101 depending on the evaluation of the coolant temperature TCoolant and the determined temperature TStack of the fuel cell stack 101 depending on the evaluation of the temperature TAnod of the anode gas mixture in the anode circuit 21 of the anode system 20,
  • - outputting a result of the comparison, and/or
  • - Mutual plausibility check, diagnosis, adjustment and/or offsetting to increase the accuracy of the respective temperature determination Tstack=f(Tanod, Tcoolant).

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.The above description of the figures describes the present invention exclusively within the framework of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the invention.

Claims (10)

Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur (TStack) eines Brennstoffzellenstacks (101), aufweisend: - Rezirkulieren eines Anodengasgemisches in einem abgeschlossenen Anodenkreislauf (21) eines Anodensystems (20) durch den Brennstoffzellenstack (101), - Erfassen einer Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf (21) des Anodensystems (20), insbesondere einer Temperatur (TAnodOut) an einem Ausgang (A1) aus dem Brennstoffzellenstack (101), - Auswerten der erfassten Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf (21) des Anodensystems (20), - Bestimmen der Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) in Abhängigkeit von dem Auswerten der erfassten Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf (21) des Anodensystems (20).Method for determining a temperature (Tstack) of a fuel cell stack (101), comprising: - Recirculation of an anode gas mixture in a closed anode circuit (21) of an anode system (20) through the fuel cell stack (101), - detecting a temperature (TAnod) of the anode gas mixture in the anode circuit (21) of the anode system (20), in particular a temperature (TAnodOut) at an outlet (A1) from the fuel cell stack (101), - Evaluating the detected temperature (TAnod) of the anode gas mixture in the anode circuit (21) of the anode system (20), - Determining the temperature (Tstack) of the fuel cell stack (101) depending on the evaluation of the detected temperature (TAnod) of the anode gas mixture in the anode circuit (21) of the anode system (20). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen des Verfahrens ein Purgeventil (PV) und ein Drainventil (DV) oder ein kombiniertes Purge-Drain-Ventil (PDV) des Anodensystems (20) geschlossen sind/ist und/oder kein Purge- und/oder Drain-Vorgang aus dem Anodenkreislauf (21) eingeleitet wird, und/oder dass beim Durchführen des Verfahrens ein Brennstoffdosierventil (HGI) des Anodensystems (20) geschlossen ist und/oder kein Brennstoff aus einem Brennstofftank (BT) in den Anodenkreislauf (21) zudosiert wird, und/oder dass beim Durchführen des Verfahrens ein Kathodenpfad (KP) eines Kathodensystems (10) durch den Brennstoffzellenstack (101) abgeschlossen ist und/oder Absperrventile (SV1, SV2) eines Kathodenpfads (KP) eines Kathodensystems (10) durch den Brennstoffzellenstack (101) geschlossen sind, und/oder das Verfahren in einem Stillstand des Brennstoffzellenstacks (101) durchgeführt wird.procedure after claim 1 , characterized in that when the method is carried out, a purge valve (PV) and a drain valve (DV) or a combined purge-drain valve (PDV) of the anode system (20) are/is closed and/or no purge and/or drain - process from the anode circuit (21) is initiated, and/or that when the process is being carried out, a fuel metering valve (HGI) of the anode system (20) is closed and/or no fuel from a fuel tank (BT) is metered into the anode circuit (21). , and/or that a cathode path (KP) of a cathode system (10) through the fuel cell stack (101) is closed off when the method is carried out and/or shut-off valves (SV1, SV2) of a cathode path (KP) of a cathode system (10) through the fuel cell stack ( 101) are closed, and/or the method is carried out when the fuel cell stack (101) is at a standstill. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auswerten der erfassten Temperatur (TAnod) ein Temperaturverlauf und/oder Temperaturgradient der erfassten Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches ermittelt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that when the detected temperature (TAnod) is evaluated, a temperature profile and/or temperature gradient of the detected temperature (TAnod) of the anode gas mixture is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen der Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) mindestens eine von den folgenden Maßnahmen verwendet wird: - ein Sicherheitsoffset zwischen der erfassten Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches und der Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101), - ein Kennfeld, welches die erfasste Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches und die Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) verbindet, - ein Modell, welches die erfasste Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches und die Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) verbindet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when determining the temperature (Tstack) of the fuel cell stack (101) at least one of the following measures is used: - a safety offset between the detected temperature (TAnod) of the anode gas mixture and the temperature (Tstack) of the fuel cell stack (101), - a map that combines the recorded temperature (TAnod) of the anode gas mixture and the temperature (TStack) of the fuel cell stack (101), - a model that combines the recorded temperature (TAnod) of the anode gas mixture and the temperature (TStack ) of the fuel cell stack (101) connects. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: - Prognostizieren einer zu erwartenden Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101), insbesondere einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstacks (101), in Abhängigkeit von der bestimmten Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101), insbesondere einem Stillstand des Brennstoffzellenstacks (101), wobei insbesondere beim Prognostizieren der zu erwartenden Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) mindestens ein von den folgenden Parametern berücksichtigt wird: - aktuelle und/oder prognostizierte Umgebungsparameter, umfassend insbesondere Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck, Umgebungsfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, usw., - Wetterdaten und/oder Wetterprognosen, - zurückliegende ermittelte Temperaturverläufe bzw. mit dem Verfahren zuvor ermittelte Dynamik des thermischen Verhaltens des Brennstoffzellenstacks (101), insbesondere in einem Stillstand bzw. in einem abgeschalteten Modus des Brennstoffzellenstacks (101), - aktuelle und/oder prognostizierte Betriebsbedingungen bei einem Betrieb eines korrespondierenden Brennstoffzellensystems (100), und/oder - aktueller und/oder prognostizierter Leistungsbedarf eines korrespondierenden Brennstoffzellensystems (100).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method has at least one further step: - Predicting an expected temperature (Tstack) of the fuel cell stack (101), in particular an operating state of the fuel cell stack (101), depending on the determined temperature ( TStack) of the fuel cell stack (101), in particular a standstill of the fuel cell stack (101), wherein in particular when forecasting the expected temperature (TStack) of the fuel cell stack (101) at least one of the following parameters is taken into account: - current and/or forecast environmental parameters, including, in particular, ambient temperature, ambient pressure, ambient humidity, wind speed, etc., - weather data and/or weather forecasts, - past determined temperature profiles or dynamics of the thermal behavior of the fuel cell stack (101) previously determined using the method, in particular when it is at a standstill or when it is switched off mode of the fuel cell stack (101), - current and/or predicted operating conditions when operating a corresponding fuel cell system (100), and/or - current and/or predicted power requirement of a corresponding fuel cell system (100). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen der Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) mindestens eine Kühlmitteltemperatur (TCoolant) berücksichtigt wird, wobei insbesondere das Verfahren mindestens einen von den folgenden Schritten aufweisen kann: - Rezirkulieren eines Kühlmittels in einem Kühlmittelkreislauf (31) eines Kühlmittelsystems (30), - Erfassen der Kühlmitteltemperatur (TCoolant) an einem Ausgang aus dem Brennstoffzellenstack (101) und/oder an einem Eingang in den Brennstoffzellenstack (101), - Auswerten der Kühlmitteltemperatur (TCoolant), - Bestimmen der Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) in Abhängigkeit von dem Auswerten der Kühlmitteltemperatur (TCoolant), - Vergleichen der bestimmten Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) in Abhängigkeit von dem Auswerten der Kühlmitteltemperatur (TCoolant) und der bestimmten Temperatur (TStack) des Brennstoffzellenstacks (101) in Abhängigkeit von dem Auswerten der Temperatur (TAnod) des Anodengasgemisches in dem Anodenkreislauf (21) des Anodensystems (20), - Ausgeben eines Ergebnisses vom Vergleichen, und/oder - beidseitige Plausibilisierung, Diagnose, Abgleich und/oder Verrechnung zur Erhöhung der Genauigkeit der jeweiligen Temperaturbestimmung.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when determining the temperature (Tstack) of the fuel cell stack (101) at least one coolant temperature (TCoolant) is taken into account, wherein in particular the method can have at least one of the following steps: - Recirculating a coolant in a coolant circuit (31) of a coolant system (30), - detecting the coolant temperature (TCoolant) at an output from the fuel cell stack (101) and/or at an input into the fuel cell stack (101), - evaluating the coolant temperature (TCoolant), - determining the temperature (TStack) of the fuel cell stack (101) as a function of the evaluation of the coolant temperature (TCoolant), - comparing the determined temperature (TStack) of the fuel cell stack (101) as a function of the evaluation of the coolant temperature (TCoolant) and the determined temperature (TStack ) of the fuel cell stack (101) depending on the evaluation of the temperature (TAnod) of the anode gas mixture in the anode circuit (21) of the anode system (20), - outputting a result of the comparison, and/or - mutual plausibility check, diagnosis, adjustment and/or Offsetting to increase the accuracy of the respective temperature determination. Verwenden eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Ermitteln einer Kühlmitteltemperatur (TCoolant), insbesondere eines im Brennstoffzellenstack (101) befindlichen Volumens eines Kühlmittels (KM).Use of a method according to one of the preceding claims for determining a coolant temperature (TCoolant), in particular a volume of a coolant (KM) located in the fuel cell stack (101). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere bei einem Abstellen, bei einem Stillstand, bei einem Standby-Betrieb, bei einem Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere in Vorbereitung auf einen Start, vorzugsweise einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: - Ermitteln einer Temperatur (TStack) eines Brennstoffzellenstacks (101) des Brennstoffzellensystems (100) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, - Bestimmen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von dem Ermitteln.Method for operating a fuel cell system (100), in particular when shutting down, at a standstill, in standby mode, in start-stop operation of the fuel cell system (100), in particular in preparation for a start, preferably a freeze start, of the fuel cell system (100), comprising: - determining a temperature (Tstack) of a fuel cell stack (101) of the fuel cell system (100) by a method according to one of the preceding ones Claims 1 until 6 - determining an operating strategy of the fuel cell system (100) as a function of the determination. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren regelmäßig, periodisch und/oder ereignisspezifisch getriggert wird.Method according to the preceding claim, characterized in that the method is triggered regularly, periodically and/or event-specifically. Verfahren zum Auswerten eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere bei einem Abstellen und/oder bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: - Ermitteln einer Temperatur (TStack) eines Brennstoffzellenstacks (101) des Brennstoffzellensystems (100) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, - Ermitteln einer Dynamik des thermischen Verhaltens des Brennstoffzellensystems (100), - Anpassen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellenstacks (101) in Abhängigkeit von dem Ermitteln.Method for evaluating a fuel cell system (100), in particular when the fuel cell system (100) is switched off and/or at a standstill, comprising: - determining a temperature (TStack) of a fuel cell stack (101) of the fuel cell system (100) by a method according to one of the previous Claims 1 until 6 - Determining a dynamic of the thermal behavior of the fuel cell system (100), - Adapting an operating strategy of the fuel cell stack (101) depending on the determination.
DE102021213325.8A 2021-11-26 2021-11-26 Method for determining a temperature of a fuel cell stack, using the method for determining a coolant temperature, method for operating and evaluating a fuel cell system Pending DE102021213325A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021213325.8A DE102021213325A1 (en) 2021-11-26 2021-11-26 Method for determining a temperature of a fuel cell stack, using the method for determining a coolant temperature, method for operating and evaluating a fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021213325.8A DE102021213325A1 (en) 2021-11-26 2021-11-26 Method for determining a temperature of a fuel cell stack, using the method for determining a coolant temperature, method for operating and evaluating a fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102021213325A1 true DE102021213325A1 (en) 2023-06-01

Family

ID=86316851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021213325.8A Pending DE102021213325A1 (en) 2021-11-26 2021-11-26 Method for determining a temperature of a fuel cell stack, using the method for determining a coolant temperature, method for operating and evaluating a fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102021213325A1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005052019A1 (en) 2004-11-02 2006-05-04 Honda Motor Co., Ltd. A fuel cell system and method for controlling an idling stop of the fuel cell system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005052019A1 (en) 2004-11-02 2006-05-04 Honda Motor Co., Ltd. A fuel cell system and method for controlling an idling stop of the fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112005000484B4 (en) Control device for a fuel cell system, with a control device and the use of the fuel cell system in a fuel cell hybrid vehicle
DE60316596T2 (en) FUEL CELL SYSTEM
DE112008003019B4 (en) Fuel cell system
DE112009005087B4 (en) Control method for a fuel cell system and a fuel cell system
DE112009004990B4 (en) Fuel cell system and control method when starting the fuel cell system
DE102014222199A1 (en) Fuel cell system and control method for it
DE10325754A1 (en) Fuel Cell System
DE102015117526A1 (en) Flow method for coolant in a fuel cell system and fuel cell system
DE102014209028B4 (en) Method and device for controlling the cold start of a fuel cell vehicle
DE102014215828A1 (en) Drive control method and system of a fuel cell system
DE102011114797A1 (en) Method for operating fuel cell system utilized in passenger car to generate electrical driving power, involves recirculating unreacted fuel into fuel, and heating nozzle of fuel jet pump only when fuel is not made to flow through jet pump
DE102020200249A1 (en) Method for operating a fuel cell system
DE102012110561B4 (en) Adaptive limitation of stand-by operation to increase fuel cell system life
WO2015058842A1 (en) Method during close down for preparing to start a fuel cell system
DE112006003301B4 (en) Fuel cell system and method for stopping the same
DE102011122306A1 (en) Fuel cell system i.e. proton exchange membrane fuel cell system, for vehicle, has bypass valve arranged in exhaust pipe after fuel cell for bypassing components, where valve acts immediately up on or integrated in cathode chamber
DE102016203159A1 (en) Method for operating a fuel cell system, in particular during a shutdown of the fuel cell system
DE102009013776A1 (en) Cooling devices for a fuel cell system
DE102021213325A1 (en) Method for determining a temperature of a fuel cell stack, using the method for determining a coolant temperature, method for operating and evaluating a fuel cell system
DE102015005978A1 (en) Method for operating a fuel cell system
DE102008015344A1 (en) Fuel i.e. hydrogen, cell system controlling method for supplying power to load system, involves forming fuel cell system for reaction of fuel with oxidant, where system is switchable between resting and operating conditions
DE112008002747T5 (en) The fuel cell system
DE102009036198A1 (en) Method for stopping fuel cell system of motor vehicle, involves connecting cathode area with environment on supply air-side and exhaust air-side, where connection of cathode area with environment is maintained open
DE102012016976A1 (en) Fuel cell system for supplying electrically driving power in vehicle i.e. motor car, has air-conditioning system actively cooling heat exchanger and comprising air conditioner compressor, and drain spacer arranged in region of exchanger
DE102022208820A1 (en) Method for determining a temperature of at least one fuel cell stack on a cathode side, using the method for determining a coolant temperature and/or a differential temperature across a stack membrane, method for operating and evaluating a fuel cell system, method for checking the plausibility and/or diagnosing at least one Temperature sensor

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified