DE102022205575A1

DE102022205575A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Info

Publication number: DE102022205575A1
Application number: DE102022205575.6A
Authority: DE
Inventors: Mark Hellmann; Jonas Breitinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-01
Filing date: 2022-06-01
Publication date: 2023-12-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode und einer Kathode, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems der Anode Wasserstoff und der Kathode Luft zugeführt wird und wobei die im Betrieb anfallende Wärme über ein Kühlmittel eines Kühlkreises abgeführt wird, das mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe des Kühlkreises durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird. Erfindungsgemäß wird vor einem Gefrierstart des Brennstoffzellensystems der Temperaturgradient des Kühlmittels zum Trocknen der Kathode erhöht.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines mobilen Brennstoffzellensystems bzw. Brennstoffzellenfahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Der Wasserstoff wird zusammen mit Sauerstoff in den Brennstoffzellen in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt. Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengefasst.
Den Kern einer Brennstoffzelle bildet die Membran-Elektroden-Anordnung. Sie weist eine Membran auf, die zur Ausbildung von Elektroden, einer Anode und einer Kathode, beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist. Der Anodenseite wird Wasserstoff und der Kathodenseite wird Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Zuführung im Stack erfolgt über Medienkanäle, die den Stack durchziehen. Weitere Kanäle dienen der Zuführung eines Kühlmittels eines Kühlkreises, um die im Betrieb anfallende Wärme abzuführen.
Erfolgt der Start eines Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperarturen unter 0°C spricht man von einem Gefrierstart. Im System vorhandenes Wasser kann dann gefrieren und zu lokalen Vereisungen in den Brennstoffzellen führen. Die Eisbildung behindert die elektrochemische Reaktion und verlangsamt oder verhindert sogar das Starten des Systems. Um eine Eisbildung zu verhindern, kann beim Abstellen des Systems eine Trocknung vorgenommen werden. Kathodenseitig erfolgt die Trocknung durch Förderung von Luft, die vorhandenes Wasser in Gasform oder flüssiger Form austrägt. Während der Trocknung wird üblicherweise Strom gezogen, um hohe Zellspannungen zu vermeiden, welche die Alterung der Brennstoffzellen fördern. Mit Hilfe des gezogenen Stroms kann gleichzeitig ein Luftförderungs- und Luftverdichtungssystem betrieben werden.
Bei der Trocknung durch Förderung von Luft trocknet die Luft im Bereich des Kathodeneintritts stärker aus als im Bereich des Kathodenaustritts. Mit zunehmender Trocknung der Luft im Bereich des Kathodeneintritts verschiebt sich der anliegende Strom in Richtung Kathodenaustritt, da dieser vornehmlich den Weg des geringsten Widerstands geht. Der Widerstand wiederum hängt von der Protonenleitfähigkeit der Membran ab. Die Trocknung im Bereich des Kathodeneintritts wird dadurch weiter verstärkt, so dass es zu unzulässig trockenen Bereichen der Brennstoffzellen am Kathodeneintritt kommen kann. Unzulässig trocken ist ein Bereich, wenn die Membran lokal so trocken wird, dass eine Wiederbefeuchtung aufgrund eines stark reduzierten Diffusionskoeffizienten deutlich verringert wird. Das lokal starke Austrocknen belastet zudem die Membran, so dass sich deren Lebensdauer verkürzt.
Da sich mit der Trocknung der Membran deren Protonenleitfähigkeit verschlechtert, wird zugleich in diesem Bereich weniger Wasser produziert, wodurch sich das Problem der inhomogenen Trocknung weiter verschärft. So kommt es selbst bei global akzeptablem Feuchtegehalt zu lokal derart stark getrockneten Stellen, dass diese nur schwer wieder befeuchtet werden können.
Der Effekt der inhomogenen Trocknung tritt in Systemen mit und ohne externem Befeuchter auf. In Systemen mit externem Befeuchter wird dieser bei der Trocknung in der Regel umgangen, um mehr Wasser aus der Kathode austragen zu können.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das nicht zu den vorstehend genannten Nachteilen bei der Trocknung der Kathode führt. Auf diese Weise soll die Gefrierstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert werden. Ferner soll eine Erhöhung der Lebensdauer der Brennstoffzellen erzielt werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode und einer Kathode umfasst. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird der Anode Wasserstoff und der Kathode Luft zugeführt. Die im Betrieb anfallende Wärme wird über ein Kühlmittel eines Kühlkreises abgeführt, das mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe des Kühlkreises durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird. Erfindungsgemäß wird vor einem Gefrierstart des Brennstoffzellensystems der Temperaturgradient des Kühlmittels zum Trocknen der Kathode erhöht.
„Vor einem Gefrierstart“ kann bedeuten, dass die vorgeschlagenen Verfahrensschritte zum Trocknen der Kathode unmittelbar vor dem eigentlichen Start oder bereits beim Abstellen des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Das Trocknen beim Abstellen besitzt den Vorteil, dass die Gefahr der Eisbildung während der Abstellphase reduziert wird. Zugleich ist ein schneller Systemstart beim darauffolgenden Gefrierstart sichergestellt, da die Reaktion in den Brennstoffzellen nicht durch Eisbildung blockiert wird. Die zum Trocknen vorgeschlagenen Verfahrensschritte werden daher bevorzugt bereits beim Abstellen des Brennstoffzellensystems durchgeführt.
Die zum Trocknen der Kathode vorgeschlagene Erhöhung des Temperaturgradienten des Kühlmittels führt zu einem Anstieg der relativen Feuchte am Kathodeneintritt, so dass durch diese Maßnahme einer lokal stärkeren Austrocknung der Membran im Bereich des Kathodeneintritts entgegengewirkt wird. Gleichzeitig sinkt die relative Feuchte am Kathodenaustritt, so dass die Membran in diesem Bereich effektiver getrocknet wird. In Summe wird so eine homogenere Trocknung der Membran ohne lokal unzulässig niedrige relative Feuchten erreicht. Die homogene Feuchteverteilung verbessert die Stromdichteverteilung beim Gefrierstart und verbessert somit die Gefrierstartfähigkeit. Durch Einhaltung der Mindestmembranfeuchte kann zugleich die Lebensdauer der Membran gesteigert werden. Darüber hinaus kann aufgrund der homogeneren Trocknung eine gleichmäßigere Rückbefeuchtung erzielt werden.
Bevorzugt wird zur Erhöhung des Temperaturgradienten die Kühlmittel-Eintrittstemperatur gegenüber der Kühlmittelaustrittstemperatur reduziert, so dass sich ein deutlich erhöhter Temperaturgradient einstellt. Ein deutlich erhöhter Temperaturgradient liegt beispielsweise vor, wenn der Temperaturgradient auf 7 K oder mehr erhöht wird. Denn im Normalbetrieb im niedrigen bis mittleren Lastbereich beträgt der Temperaturgradient üblicherweise 1-5 K.
Wie eingangs erwähnt wird im Stand der Technik beim Trocknen der Kathode durch Förderung von Luft zugleich elektrischer Strom aus dem Stack gezogen. Dabei können sich ebenfalls kleinere Kühlmitteltemperaturdifferenzen einstellen. Diese liegen jedoch deutlich unter 7 K, insbesondere deutlich unter 5 K.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Temperaturgradient des Kühlmittels über die Drehzahl der Kühlmittelpumpe und/oder über die Stellung eines in den Kühlkreis integrierten Bypassventils zur Umgehung eines Kühlers geregelt wird. Bei dem Kühler kann es sich beispielsweise um einen Fahrzeugkühler handeln, über den die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Abhängig von der Stellung des Bypassventils kühlt sich das Kühlmittel im Kühlkreis demnach mehr oder weniger stark ab.
Vorteilhafterweise wird das Trocknen der Kathode im Teillastbetrieb des Brennstoffzellenstapels durchgeführt. Im Teillastbetrieb laufen die Systeme zur Medienversorgung ebenfalls in Teillast, so dass entsprechende Freiheitsgrade zur Einstellung der Betriebsparameter, insbesondere der Kühlmitteltemperatur, bestehen. Der Temperaturgradient des Kühlmittels bzw. der Feuchteverlauf kann somit im Teillastbetrieb in einem verhältnismäßig großen Bereich verändert bzw. gezielt eingestellt werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Zeitpunkt, zu dem eine ausreichende Trocknung der Kathode erreicht ist, ermittelt bzw. geschätzt wird. Zur Ermittlung des Zeitpunkts kann mindestens eine der nachfolgenden Messungen durchgeführt werden:

- Messung der Kathodenaustrittsfeuchte
- Impedanzmessung
- Messung der Zell- oder Stackspannung und/oder
- Messung der Stromdichteverteilung.

Durch Messung der Kathodenaustrittsfeuchte können - je nach Austrittsfeuchte und Betriebspunkt - der Feuchteverlauf entlang der Membran in Strömungsrichtung modelliert werden. Ergänzend können Simulationen und/oder Referenzmessungen durchgeführt werden.
Die Impedanzmessung macht sich zunutze, dass bei geringer Wasserbeladung der ohmsche Widerstand der Membran deutlich zunimmt. Mit Hilfe der Impedanzmessung lässt sich dieser Anteil von den übrigen Verlustmechanismen in einer Brennstoffzelle separieren. Steigt der gemessene Widerstand während des Trocknens der Membran deutlich an, lässt dies auf eine starke Trocknung der Membran schließen. Die Impedanzmessung kann beispielsweise mit Hilfe der elektrochemischen Impedanz-Spektroskopie (EIS) durchgeführt werden.
Ein Anstieg des ohmschen Widerstands führt zugleich zu einer geringeren Zell- bzw. Stackspannung. Durch Messung der Zell- oder Stackspannung können somit ebenfalls Rückschlüsse auf den Feuchtezustand der Membran gezogen werden.
Durch Messung der Stromdichteverteilung können sehr trockene Stellen identifiziert werden, da an diesen Stellen die Protonenleitfähigkeit stark abnimmt, so dass die Stromdichte deutlich reduziert ist.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Zeitpunkt der ausreichenden Trocknung der Membran empirisch ermittelt wird. Beispielsweise kann aus einer Vielzahl an Messungen, die vorab am Prüfstand vorgenommen wurden, eine Schätzung der notwendigen Trocknungsdauer abgeleitet werden.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Das Verfahren kann somit weitgehend automatisiert werden.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

1 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Verlaufs der Kathodenaktivität für verschiedene Betriebszustände in Strömungsrichtung und
3 ein weiteres Diagramm zur schematischen Darstellung des Verlaufs der Kathodenaktivität für verschiedene Betriebszustände in Strömungsrichtung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Konditionierung eines Brennstoffzellensystems im Fall eines Gefriertstarts, das heißt eines Starts bei Umgebungstemperaturen unter 0°C. Die Konditionierung wird vor dem Gefrierstart, vorzugswiese bereits beim Abstellen des Brennstoffzellensystems durchgeführt, um Vereisungen der Brennstoffzellen während der Abstellphase zu verhindern. Die Konditionierung bewirkt ein Trocknen der Kathode, ohne dass eine Mindestmembranfeuchte lokal unterschritten wird. Dadurch werden Schäden an der Membran vermieden, so dass die Lebensdauer der Brennstoffzellen steigt.
Der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der 1 beschrieben.
In Schritt 10 wird die Konditionierung bzw. das Trocknen der Kathode gestartet.
In Schritt 11 wird hierzu der Temperaturgradient des Kühlmittels erhöht, so dass dieser bevorzugt > 7 K beträgt. Der Temperaturgradient kann über die Drehzahl der Kühlmittelpumpe und/oder über die Stellung eines in den Kühlkreis integrierten Bypassventils zur Umgehung eines Kühlers eingestellt werden.
In Schritt 12 wird die mittlere Wasserbeladung der Membran geschätzt, beispielsweise mittels Messung der Kathodenaustrittsfeuchte, der Impedanz, der Zell- bzw. Stackspannung und/oder der Stromdichteverteilung. Die mittlere Wasserbeladung der Membran kann darüber hinaus auch empirisch ermittelt werden.
Ergibt die Schätzung, dass die Wasserbeladung noch zu hoch ist („-“), wird mit Schritt 11 fortgefahren. Ergibt die Schätzung, dass die Wasserbeladung ausreichend niedrig ist („+“), kann in Schritt 13 die Konditionierung bzw. Trocknung der Kathode beendet werden.
Die in der 1 beispielhaft dargestellte Trocknungsstrategie führt zu einer homogeneren Trocknung der Membranen der Brennstoffzellen. Ferner werden Schädigungen der Membranen aufgrund lokal zu starker Austrocknung vermieden. Gleichzeitig kann durch eine homogenere Trocknung eine gleichmäßige Rückbefeuchtung erzielt werden.
In der 2 ist der schematische Verlauf der Kathodenaktivität für verschiedene Betriebszustände in Strömungsrichtung dargestellt. Der Verlauf im Normalbetrieb ist durch die Kurve A angegeben. Der Verlauf bei Trocknung der Kathode wird durch die Kurven B (Trocknung nach dem Stand der Technik) und C (Trocknung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, das heißt mit erhöhtem Temperaturgradienten) angegeben. Der Verlauf der Kurve B zeigt, dass bei der Trocknung nach dem Stand der Technik eine unzulässig niedrige Kathodeneintrittsaktivität erreicht wird (der unzulässige Bereich ist schraffiert dargestellt). Die Kurve C dagegen verläuft stets außerhalb des unzulässigen Bereichs, so dass die Membranen der Brennstoffzellen nie unzulässig trocken werden.
In der 3 ist ebenfalls der schematische Verlauf der Kathodenaktivität für verschiedene Betriebszustände in Strömungsrichtung dargestellt. Die Kurve A gibt die Kathodenaktivität im Normalbetrieb des Systems an, die Kurve B den Verlauf bei Trocknung der Kathode nach dem Stand der Technik. Die Verläufe ähneln den Verläufen der 2. Die beiden weiteren Kurven C1 und C2 geben den Verlauf bei Trocknung der Kathode mit erhöhtem Temperaturgradienten an, wobei die Kurve C1 ein Minimalziel definiert und die Kurve C2 einen optimierten Verlauf zeigt. Die Optimierung besteht darin, dass die Kathodenaktivität am Kathodeneintritt deutlich über dem unzulässigen Bereich (schraffierter Bereich) liegt, so dass eine homogenere Trocknung erreicht wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode und einer Kathode, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems der Anode Wasserstoff und der Kathode Luft zugeführt wird und wobei die im Betrieb anfallende Wärme über ein Kühlmittel eines Kühlkreises abgeführt wird, das mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe des Kühlkreises durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Gefrierstart des Brennstoffzellensystems der Temperaturgradient des Kühlmittels zum Trocknen der Kathode erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Temperaturgradienten die Kühlmittel-Eintrittstemperatur gegenüber der Kühlmittelaustrittstemperatur reduziert wird, wobei vorzugsweise der Temperaturgradient auf mindestens 7 K erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgradient des Kühlmittels über die Drehzahl der Kühlmittelpumpe und/oder über die Stellung eines in den Kühlkreis integrierten Bypassventils zur Umgehung eines Kühlers geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen der Kathode im Teillastbetrieb des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Zeitpunkts, zu dem eine ausreichende Trocknung der Kathode erreicht ist, mindestens eine der nachfolgenden Messungen durchgeführt wird: - Messung der Kathodenaustrittsfeuchte - Impedanzmessung - Messung der Zell- oder Stackspannung und/oder - Messung der Stromdichteverteilung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der ausreichenden Trocknung der Membran empirisch ermittelt wird.
Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.