DE102022206872A1

DE102022206872A1 - Startverfahren für ein Brennstoffzellenaggregat

Info

Publication number: DE102022206872A1
Application number: DE102022206872.6A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Startverfahren eines Brennstoffzellenaggregats insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, umfassend eine durchführbare Kathoden-Gefrierstartroutine, wobei wenigstens bei einem Vorliegen einer Bedingung für die Kathoden-Gefrierstartroutine, das Startverfahren als ein Gefrierstartverfahren durchgeführt oder fortgesetzt wird, und wenigstens ein Bereich einer Kathode (130) einer Kathodenversorgung (30) eines Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellenaggregats (1) bei Vorliegen einer Vereisung enteist wird, wobei zeitlich im Beginn und während der Kathoden-Gefrierstartroutine ein Bypassventil (135) eines Stapelbypasses (35) des Brennstoffzellenstapels (10) geöffnet wird und/oder wenigstens zeitweise geöffnet ist, sowie ein Kathodeneinlass-Absperrventil (131) geschlossen wird und/oder wenigstens zeitweise geschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Startverfahren eines Brennstoffzellenaggregats insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, umfassend eine durchführbare Kathoden-Gefrierstartroutine. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Stand der Technik
In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats (stationär oder mobil) z. B. eines Brennstoffzellensystems bspw. eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet (Brennstoffzellenstapel bzw. Stack einer Mehrzahl von Einzel-Brennstoffzellen (Einzelzellen)).
Aufgabenstellung
Bei einem Start eines Brennstoffzellenaggregats ist eine Sauerstoffkonzentration und somit eine Wasserproduktion im Einlassbereich einer Kathode, d. h. in den Einlassbereichen der Kathodenräume der Einzelzellen, des Brennstoffzellenstapels höher. Da die Einlassbereiche während des Starts überproportional mit Sauerstoff versorgt bleiben, kann bei tiefen Außentemperauren dieses anfänglich entstehende Wasser schnell zu Eis gefrieren und zu einer Verstopfung der Einzelzellen führen. Dieser Effekt ist umso größer, je magerer ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei dessen Start ist. - Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Gefrierstarten eines Brennstoffzellenaggregats anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Startverfahren eines Brennstoffzellenaggregats insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, umfassend eine durchführbare Kathoden-Gefrierstartroutine; sowie mittels eines Brennstoffzellenaggregats, eines Brennstoffzellensystems oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Startverfahren umfassend eine durchführbare Kathoden-Gefrierstartroutine, wird wenigstens bei einem Vorliegen wenigstens einer Bedingung für die Kathoden-Gefrierstartroutine, das Startverfahren als ein Gefrierstartverfahren durchgeführt und/oder fortgesetzt. Hierbei wird wenigstens ein Bereich einer Kathode einer Kathodenversorgung eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenaggregats bei Vorliegen einer Vereisung enteist, wobei zeitlich im Beginn und während der Kathoden-Gefrierstartroutine, ein Bypassventil eines Stapelbypasses des Brennstoffzellenstapels geöffnet wird und/oder wenigstens zeitweise geöffnet ist, sowie ein Kathodeneinlass-Absperrventil geschlossen wird und/oder wenigstens zeitweise geschlossen ist.
Die Erfindung stellt eine kathodenseitige Betriebsstrategie für einen Gefrierstart eines Brennstoffzellenaggregats zur Verfügung. Hierbei ist die Kathoden-Gefrierstartroutine, insbesondere neben wenigstens einer anderen durchführbaren Gefrierstartroutine, ein zeitlicher Abschnitt eines Startverfahrens des Brennstoffzellenaggregats, wobei bei Vorliegen einer Bedingung für einen Gefrierstart das gesamte Startverfahren als Gefrierstartverfahren bezeichnet wird. Bei Vorliegen der wenigstens einen Bedingung für die Kathoden-Gefrierstartroutine wird Kathoden-Gefrierstartroutine substanziell abgearbeitet.
Dies führt dazu, dass ein Fluidruck, insbesondere ein Sauerstoffpartialdruck, in einem (herkömmlich stromabwärtigen) Auslassbereich der Kathode höher wird als in einem (herkömmlich stromaufwärtigen) Einlassbereich der Kathode. Dadurch strömt bzw. diffundiert Sauerstoff von hinten (auslassseitig) nach ,vorne' (einlassseitig) in die Kathode - d. h. entgegen der herkömmlichen Strömungsrichtung eines Kathoden-Betriebsmediums durch die Kathode, welches von vorne (stromaufwärtig) nach hinten (stromabwärtig) strömt. Eine Wasserproduktion in der Kathode verlagert sich von vorne nach hinten. Eine Vereisungsstelle im Einlassbereich der Kathode wird dabei aufgelöst.
Zeitlich im Beginn und während der Kathoden-Gefrierstartroutine kann ein Kathodenauslass-Absperrventil geöffnet werden und/oder wenigstens zeitweise geöffnet sein. Ferner kann zeitlich im Beginn und während der Kathoden-Gefrierstartroutine eine Fluid-Fördereinrichtung der Anodenversorgung in Betrieb sein und bevorzugt ein Luftdruckregler entdrosselt sein. Des Weiteren kann zeitlich im Beginn und während der Kathoden-Gefrierstartroutine eine Anode einer Anodenversorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff gespült sein oder gespült werden.
Die Kathoden-Gefrierstartroutine wird nicht substanziell abgearbeitet, falls keine Vereisung eines Bereichs, insbesondere eines Einlassbereichs, der Kathode vorliegt, z. B. gemessen, detektiert, sensiert und/oder diagnostiziert (KI) wird. D. h. ein Prüfung, ob wenigstens eine Bedingung für diese Kathoden-Gefrierstartroutine vorliegt ist negativ. Liegt keine anderweitige Bedingung für einen Gefrierstart vor, so kann das Gefrierstartverfahren als Startverfahren fortgesetzt oder beendet werden. Liegt eine anderweitige Bedingung für einen Gefrierstart vor, so kann das Gefrierstartverfahren mit einer anderweitigen Gefrierstartroutine fortgesetzt werden.
Durch die Kathoden-Gefrierstartroutine kann ein Bereich, insbesondere ein Einlassbereich, der Kathode des Brennstoffzellenstapels enteist werden oder eine Vereisung des Bereichs nicht zunehmen. Hierbei kann zugunsten des Einlassbereichs der Kathode ggf. eine partielle Vereisung eines Auslassbereichs der Kathode zumindest zeitweise in Kauf genommen werden.
Zeitlich abseits des Beginns, also während der bereits laufenden Kathoden-Gefrierstartroutine kann das Bypassventil des Stapelbypasses der Kathodenversorgung wenigstens zeitweise geschlossen werden. Ferner kann zeitlich abseits des Beginns, also während der bereits laufenden Kathoden-Gefrierstartroutine das Kathodeneinlass-Absperrventil der Kathodenversorgung wenigstens zeitweise geöffnet werden. Des Weiteren kann zeitlich abseits des Beginns, also während der bereits laufenden Kathoden-Gefrierstartroutine das Kathodenauslass-Absperrventil der Kathodenversorgung wenigstens zeitweise geschlossen werden.
Die Idee der vorliegenden Kathoden-Gefrierstartroutine im Startverfahren als Gefrierstartverfahren besteht darin, dass falls eine Vereisung eines Bereichs, insbesondere des Einlassbereichs, der Kathode vorliegt bzw. vermutet wird (vgl. unten), das Bypassventil des Stapelbypasses wenigstens zeitweise geöffnet, das Kathodeneinlass-Absperrventil wenigstens zeitweise geschlossen und das Kathodenauslass-Absperrventil wenigstens zeitweise geöffnet ist. Hierbei ist zusätzlich ein alternierender bzw. pulsierender Betrieb unter Umkehrung der jeweiligen Stellung (ggf. partiell offen / ggf. partiell geschlossen) des betreffenden Ventils möglich. Hierbei kann auch nur ein einziges Ventil oder können auch nur zwei Ventile ihre Stellung umkehren.
Das Startverfahren kann derart geführt werden, dass eine Wasserproduktion bzw. eine Vereisungsstelle (ständig) von vorne nach hinten und umgekehrt ,wandert`, und somit keine Akkumulation vom Eis mit einhergehender Verstopfung stattfindet. - Alternativ kann das Kathodenauslass-Absperrventil pulsierend betätigt werden. Eine Vereisungsstelle wird durch eine durch eine Strömung eines Kühlmittels bedingte Temperaturhomogenisierung aufgelöst.
Zeitlich im Ende der Kathoden-Gefrierstartroutine kann das Bypassventil des Stapelbypasses der Kathodenversorgung geschlossen werden oder geschlossen bleiben. Ferner kann zeitlich im Ende der Kathoden-Gefrierstartroutine das Kathodeneinlass-Absperrventil der Kathodenversorgung geöffnet werden oder geöffnet bleiben. Des Weiteren kann zeitlich im Ende der Kathoden-Gefrierstartroutine das Kathodenauslass-Absperrventil der Kathodenversorgung geöffnet werden oder geöffnet bleiben.
Das Startverfahren kann bei Vorliegen keiner Bedingung für einen Kathoden-Gefrierstart des Brennstoffzellenaggregats als ein herkömmliches Startverfahren fortgesetzt oder beendet werden. Alternativ kann das Startverfahren mit einer anderweitigen Gefrierstartroutine fortgesetzt werden. Und ferner kann das Startverfahren mit einer anderweitigen Routine fortgesetzt werden.
Die Kathoden-Gefrierstartroutine kann insbesondere lediglich dann angestoßen werden, falls ein im Wesentlichen außentemperaturabhängiger Parameter einen Gefrierstart des Brennstoffzellenaggregats erwarten lässt. Dies kann z. B. aufgrund einer Analyse eines Außentemperaturverlaufs in einer zurückliegenden Zeitspanne, durch ein aktuelles Messen der Außentemperatur, durch ein Hinzuziehen externer Daten durch eine ECU (Engine Control Unit) und/oder durch eine künstliche Intelligenz etc. erfolgen. Ferner kann die Kathoden-Gefrierstartroutine dann angestoßen werden, falls ein im Wesentlichen außentemperaturunabhängiger Parameter einen Gefrierstart des Brennstoffzellenaggregats erwarten lässt. Dies kann z. B. durch ein Hinzuziehen externer Daten durch die ECU und/oder durch eine künstliche Intelligenz etc. erfolgen.
Die Kathoden-Gefrierstartroutine kann zeitlich nach einer Spülung der Anodenräume des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff begonnen werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Kathoden-Gefrierstartroutine zeitlich nach einer Erstbefüllung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels mit Luft begonnen werden. Die Kathoden-Gefrierstartroutine kann bei einem insbesondere vollständig geschlossenen Bypassventil eines kathodenseitigen Stapelbypasses des Brennstoffzellenstapels begonnen werden.
In einem möglichen ersten Schritt der Kathoden-Gefrierstartroutine kann geprüft werden, ob wenigstens eine Bedingung für eine Vereisung eines Bereichs, insbesondere eines Einlassbereichs, der Kathode vorliegt. Bei Vorliegen einer positiven Bedingung kann die eigentliche Kathoden-Gefrierstartroutine durchgeführt werden, und bei Vorliegen einer negativen Bedingung kann die eigentliche Kathoden-Gefrierstartroutine nicht durchgeführt werden. - Dies kann z. B. durch Beobachtung der Zellspannungen des Brennstoffzellenstapels erfolgen, da ein vereister Kathodeneinlass zu einer Zellspannung von ca. oder genau 0V führen kann oder führt. Ferner kann dies durch eine Reduzierung eines Luftmassenstroms bzw. eine Erhöhung eines Druckverlustes im Kathodenpfad erkannt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Temperatur im Einlassbereich der Kathode gemessen oder durch ein Modell (physikalisch basiert, KI-basiert oder Hybrid-basiert) ermittelt werden. Ferner kann die Betriebsstrategie und insbesondere die Kathoden-Gefrierstartroutine zeitgesteuert ablaufen.
In einem möglichen zweiten Schritt der Kathoden-Gefrierstartroutine kann das Bypassventil des Stapelbypasses geöffnet und in einem möglichen dritten Schritt der Kathoden-Gefrierstartroutine kann das Kathodeneinlass-Absperrventil geschlossen werden. Hierbei können der zweite und dritte Schritt hintereinander, parallel oder umgekehrt und ggf. mit Überschneidungen durchgeführt werden; d. h. der dritte Schritt muss nicht notwendigerweise auf den zweiten folgen, sondern es ist auch möglich, dass der zweite Schritt auf den dritten folgt.
In einem möglichen vierten Schritt der Kathoden-Gefrierstartroutine kann geprüft werden, ob die Vereisung des Bereichs, insbesondere des Einlassbereichs, der Kathode verringert oder behoben ist. Bei Vorliegen einer positiven Bedingung kann die Kathoden-Gefrierstartroutine in einem fünften Schritt fortgeführt werden. Bei Vorliegen einer negativen Bedingung kann in einem Timeoutschritt entschieden werden, ob die Kathoden-Gefrierstartroutine mit dem vierten Schritt oder dem fünften Schritt fortgeführt wird. Liegt also eine negative Bedingung im vierten Schritt vor, so entscheidet der Timeoutschritt, ob weiterhin geprüft wird (Timeoutschritt negativ beschieden), ob die Vereisung des Bereichs, insbesondere des Einlassbereichs, der Kathode verringert oder behoben ist (vierter Schritt), oder (Timeoutschritt positiv beschieden) ob das Kathodeneinlass-Absperrventil geöffnet und das das Bypassventil des Stapelbypasses geschlossen wird (fünfter Schritt).
In einem möglichen fünften Schritt der Kathoden-Gefrierstartroutine kann das Kathodeneinlass-Absperrventil geöffnet und das Bypassventil des Stapelbypasses geschlossen werden. In der zeitlichen Folge kann die Kathoden-Gefrierstartroutine mit dem ersten Schritt fortgeführt werden. - D. h. z. B., dass nachdem die Vereisung aufgelöst worden ist, oder nach einem Timeout, das Kathodeneinlass-Absperrventil wieder geöffnet und das Bypassventil des Stapelbypasses wieder geschlossen wird. Dadurch strömt Luft wieder ungehindert in die Kathode. Die Wasserproduktion verlagert sich wieder nach ,vorne' in die Kathode. - Dies kann solange wiederholt werden, bis der Gefrierstart beendet wurde, z. B. durch Erreichen einer positiven Temperatur.
Gemäß der Erfindung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen: eine Vermeidung bzw. eine Verringerung einer Vereisung in den Einlassbereichen der Kathodenräume der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels während des Gefrierstarts, ein schneller und robuster Start des Brennstoffzellenaggregats unter Reduzieren/Eliminieren eines Wasserüberschusses in den Einlassbereichen der Kathodenräume, ein Reduzieren eines Risikos einer Wasser- bzw. Eisansammlungsstelle auf einer einer betreffenden Einzelzelle gegenüberliegenden Seite eines Anodenraums dieser Einzelzelle, eine Reduzierung eines Wasserstoff-Armuts-Risikos und/oder eine Erhöhung einer Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs,
die 2 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine in Bezug auf die 1 alternative oder detailliertere Ausführungsform einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellenaggregats,
die 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß dem Stand der Technik zum Starten eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellenfahrzeugs, und
die 4 ein mögliches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahren zum Gefrierstarten eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellenfahrzeugs.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist gemäß eines Startverfahrens 300 (vgl. die 4) eines Brennstoffzellenaggregats 1, umfassend eine durchführbare Kathoden-Gefrierstartroutine 302 näher erläutert. Das Startverfahren 300 kann bei einem Vorliegen einer Bedingung für die Kathoden-Gefrierstartroutine 302 als ein Gefrierstartverfahren 300 durchgeführt und/oder fortgesetzt werden. Das Brennstoffzellenaggregat 1 ist bevorzugt das eines Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte (1: Brennstoffzellenaggregat 1) des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10 gebündelten elektrochemischen Einzel-Brennstoffzellen 11 (Einzelzellen 11), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen als Anodenraum 12 ausgebildeten Elektrodenraum 12 bevorzugt mit einer Gasdiffusionslage (ggf. inkl. einer mikroporösen Partikellage), und einen als Kathodenraum 13 ausgebildeten Elektrodenraum 13 bevorzugt mit einer Gasdiffusionslage (ggf. inkl. einer mikroporösen Partikellage), die von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind. Hierbei sind die Gasdiffusionslagen bevorzugt der Membran-Elektroden-Einheit 15 zugehörig.
Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und Kathodenraums 13 ist jeweils eine Bipolarplatte 14 (Separatorplatten-Baugruppe bevorzugt aus einer Anodenplatine (Elektrodenplatine) und einer Kathodenplatine (Elektrodenplatine)) angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert. - Die Kathodenräume 13 bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Katode und die Anodenräume 12 bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Anode des Brennstoffzellenstapels 10.
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit seinen eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium, meist Luft) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf. - Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einem Absperr-/Dosierventil 27 und einem Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgasmedium 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgasmedium 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2), mit bevorzugt einer Turbine 34, insbesondere für die Fluid-Fördereinrichtung 33; bevorzugt einen Feuchteübertrager 36; ggf. ein kathodenseitiger Stapelbypass 35 (Wastegate 35) zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22, mit einem Bypassventil 135; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40 eines Thermalsystems insbesondere des Brennstoffzellenfahrzeugs, durch welche hindurch die Brennstoffzelle bevorzugt mittels ihrer Bipolarplatten 100 (Kühlmediumpfade 43) in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 44. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs selbst sein kann.
Die 2 zeigt eine alternative Kathodenversorgung 30 des Brennstoffzellenstapels 10. Hierbei kann ein positives oder negatives Merkmal der 1 bei der 2 und umgekehrt angewendet sein. - Die Kathodenversorgung 30 der 2 zeigt gegenüber der 1 ferner einen Luftfilter 110 stromaufwärts der Fluid-Fördereinrichtung 33 und einen Wärmetauscher 120 stromabwärts der Fluid-Fördereinrichtung 33, wobei der Wärmetauscher 120 insbesondere in das Thermalsystem eingebunden sein kann. Des Weiteren zeigt die 2 eine ,Kathode 130' des Brennstoffzellenstapels 10, welche beim Abstellen (vgl. unten) des Brennstoffzellenaggregats 1 mittels eines Kathodeneinlass-Absperrventils 131 im Kathoden-Versorgungspfad 31 und eines Kathodenauslass-Absperrventils 132 im Kathoden-Abgaspfad 32 abgesperrt werden kann. Der Kathoden-Abgaspfad 32 mündet stromabwärts z. B. in einer Abgasleitung 160 des Brennstoffzellenaggregats 1.
Die eigentliche Kathode 130 des Brennstoffzellenstapels 10 ist dabei insbesondre in den Kathodenräumen 13 der Einzelzellen 11 eingerichtet. Ein kathodenseitiges Gas befindet sich dabei in der Kathode 130`, also eigentlich in den Kathodenräumen 13 der Einzelzellen 11, in wenigstens einem Kathoden-Versorgungskanal des Kathoden-Betriebsmediums 5 am und im Brennstoffzellenstapel 10, sowie in wenigstens einen Kathoden-Entsorgungskanal des Kathoden-Abgasmediums 6 am und im Brennstoffzellenstapel 10. Bei einem Stillstand des Brennstoffzellenaggregats 1 kann dort das kathodenseitige Gas des Brennstoffzellenaggregats 1 zwischen dem geschlossenen Kathodeneinlass-Absperrventil 131 und dem geschlossenen Kathodenauslass-Absperrventil 132 eingeschlossen sein.
Die 3 zeigt eine Betriebsstrategie für ein Startverfahren 200 d. h. einen (Kalt-)Start 202 eines Brennstoffzellenaggregats 1 eines Brennstoffzellensystems, gemäß dem Stand der Technik. In einem ersten Schritt 210 wird die Fluid-Fördereinrichtung 26 der Anodenversorgung 20 gestartet und in einem zweiten Schritt 220 wird ein Luftdruckregler entdrosselt, um für eine ausreichende Verdünnung des im dritten Schritt 230 (Anodenspülung) ausgespülten Wasserstoffs zu sorgen. Nach ausreichender Anodenspülung (vierter Schritt 240, ja: +) werden die Kathoden-Absperrventile 131, 132 geöffnet (fünfter Schritt 250), das Bypassventil 135 des kathodenseitigen Stapelbypasses 35 wird vollständig geschlossen (sechster Schritt 260), Luft gelangt in die Kathode 130 und die Einzelzellen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 liefern elektrische Leistung (Ende 270 des Startverfahrens 200).
Die 4 zeigt eine Betriebsstrategie für ein Startverfahren 300 d. h. einen (Gefrier-)Start 202 eines Brennstoffzellenaggregats 1 eines Brennstoffzellensystems. Hierbei können die Schritte eins 210 bis sechs 260 obigem Startverfahren 200 identisch oder analog sein. Insbesondere zeigt die 4 eine Kathoden-Gefrierstartroutine 302 des Brennstoffzellenaggregats 1, welche z. B. im Rahmen des Startverfahrens 300 durchführbar ist, wobei das Startverfahrens 300 als Gefrierstartverfahren 300 durchgeführt oder fortgesetzt wird. Natürlich kann die Kathoden-Gefrierstartroutine 302 auch in einem anderen Startverfahren 200 oder in Alleinstellung angewendet werden.
In z. B. einem ersten Schritt 360 der Kathoden-Gefrierstartroutine 302 wird geprüft, ob wenigstens eine Bedingung für eine Vereisung eines Bereichs, insbesondere eines Einlassbereichs, der Kathode 130 vorliegt. D. h. liegt wenigstens eine Bedingung für einen Gefrierstart des Brennstoffzellenaggregats 1 vor? Falls ja (+), dann weiter mit dem zweitem Schritt 362, falls nein (-), dann Ende 361 der Kathoden-Gefrierstartroutine 302. - Wird im ersten Schritt 360 mit nein (-) entschieden, so wird entschieden, ob auch ein Ende des Gefrierstarts erfolgen soll oder nicht. Falls nein (361: -), dann weiter mit einer anderweitigen Gefrierstartroutine oder einer anderweitigen Routine, und falls ja (361: +) weiter mit dem Startverfahren 300 oder Ende des Startverfahrens 270.
In z. B. einem zweiten Schritt 362 der Kathoden-Gefrierstartroutine 302 wird das Bypassventil 135 des Stapelbypasses 35 geöffnet und in z. B. einem dritten Schritt 364 der Kathoden-Gefrierstartroutine 302 wird das Kathodeneinlass-Absperrventil 131 geschlossen (vgl. auch oben), wobei das Kathodenauslass-Absperrventil 132 offen ist, und es erfolgt ein Enteisen des Bereichs, insbesondere des Einlassbereichs, der Kathode 130. Hierbei oder hieran anschließend sind verschiedene Möglichkeiten einer zeitlich abgestimmten und zeitdauerbehafteten Ansteuerung der Ventile 131, 132, 135 ((ggf. nur teilweise) offen / ggf. nur teilweise) geschlossen) möglich, vgl. oben.
In z. B. einem vierten Schritt 366 der Kathoden-Gefrierstartroutine 302 wird geprüft, ob die Vereisung des Bereichs, insbesondere des Einlassbereichs, der Kathode 130 verringert oder behoben ist. D. h. liegt die wenigstens eine Bedingung für den Gefrierstart des Brennstoffzellenaggregats 1 nicht mehr vor. Falls ja (+), dann weiter mit dem fünftem Schritt 368, falls nein (-), dann weiter mit dem Timeoutschritt 367 (Zeitüberschreitung).
Wird im vierten Schritt 366 mit nein (-) entscheiden, d. h. die Vereisung ist nicht verringert oder nicht behoben, so wird in einem Timeoutschritt 367 entscheiden, ob eine Zeitüberschreitung vorliegt. Falls ja (+), dann weiter mit dem fünftem Schritt 368, falls nein (-), dann weiter mit dem vierten Schritt 366. - In z. B. einem fünften Schritt 368 der Kathoden-Gefrierstartroutine 302 wird das Kathodeneinlass-Absperrventil 131 geöffnet und das Bypassventil 135 des Stapelbypasses 35 geschlossen. Die Kathoden-Gefrierstartroutine 302 kann nun mit der Abfrage im ersten Schritt 360 fortfahren.
Es ergibt sich eine Betriebsstrategie zum Vermeiden bzw. Verringern einer Vereisung insbesondere in einem Einlassbereich einer Kathode bei einem Gefrierstart eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems ggf. mit (pulsierender, vgl. oben) Betätigung seines Kathoden(auslass-)Absperrventils.

Claims

Startverfahren (300) eines Brennstoffzellenaggregats (1) insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, umfassend eine durchführbare Kathoden-Gefrierstartroutine (302), wobei wenigstens bei einem Vorliegen einer Bedingung für die Kathoden-Gefrierstartroutine (302), das Startverfahren (300) als ein Gefrierstartverfahren (300) durchgeführt oder fortgesetzt wird, und wenigstens ein Bereich einer Kathode (130) einer Kathodenversorgung (30) eines Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellenaggregats (1) bei Vorliegen einer Vereisung enteist wird, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich im Beginn und während der Kathoden-Gefrierstartroutine (302), ein Bypassventil (135) eines Stapelbypasses (35) des Brennstoffzellenstapels (10) geöffnet wird (362) und/oder wenigstens zeitweise geöffnet ist, sowie ein Kathodeneinlass-Absperrventil (131) geschlossen wird (364) und/oder wenigstens zeitweise geschlossen ist.
Startverfahren (300) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich im Beginn und während der Kathoden-Gefrierstartroutine (302): • ein Kathodenauslass-Absperrventil (132) geöffnet wird (250) und/oder wenigstens zeitweise geöffnet ist, • eine Fluid-Fördereinrichtung (26) der Anodenversorgung (20) in Betrieb ist und bevorzugt ein Luftdruckregler entdrosselt ist, und/oder • eine Anode einer Anodenversorgung (20) des Brennstoffzellenstapels (10) mit Wasserstoff gespült ist oder wird.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Kathoden-Gefrierstartroutine (302) nicht substanziell abgearbeitet wird (360: -), falls keine Vereisung eines Bereichs, insbesondere eines Einlassbereichs, der Kathode (130) vorliegt, • durch die Kathoden-Gefrierstartroutine (302) ein Bereich, insbesondere ein Einlassbereich, der Kathode (130) des Brennstoffzellenstapels (10) enteist wird, oder eine Vereisung des Bereichs nicht zunimmt, und/oder • zugunsten des Einlassbereichs der Kathode (130) ggf. eine partielle Vereisung eines Auslassbereichs der Kathode (130) zumindest zeitweise in Kauf genommen wird.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich abseits des Beginns, also während der bereits laufenden Kathoden-Gefrierstartroutine (302): • das Bypassventil (135) des Stapelbypasses (35) der Kathodenversorgung (30) wenigstens zeitweise geschlossen wird, • das Kathodeneinlass-Absperrventil (131) der Kathodenversorgung (30) wenigstens zeitweise geöffnet wird, und/oder • das Kathodenauslass-Absperrventil (132) der Kathodenversorgung (30) wenigstens zeitweise geschlossen wird.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich im Ende der Kathoden-Gefrierstartroutine (302): • das Bypassventil (135) des Stapelbypasses (35) der Kathodenversorgung (30) geschlossen wird oder geschlossen bleibt, • das Kathodeneinlass-Absperrventil (131) der Kathodenversorgung (30) geöffnet wird oder geöffnet bleibt, und/oder • das Kathodenauslass-Absperrventil (132) der Kathodenversorgung (30) geöffnet wird oder geöffnet bleibt.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Startverfahren (300) bei Vorliegen keiner Bedingung für einen Kathoden-Gefrierstart des Brennstoffzellenaggregats (1): • als ein herkömmliches Startverfahren (300) fortgesetzt oder beendet wird (361: +, 270), • das Startverfahren (300) mit einer anderweitigen Gefrierstartroutine fortgesetzt (361: -) wird, oder • das Startverfahren (300) mit einer anderweitigen Routine fortgesetzt wird.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-Gefrierstartroutine (302): • insbesondere lediglich dann angestoßen wird, falls ein im Wesentlichen außentemperaturabhängiger Parameter einen Gefrierstart des Brennstoffzellenaggregats (1) erwarten lässt, • zeitlich nach einer Spülung der Anodenräume (12) des Brennstoffzellenstapels (10) mit Wasserstoff begonnen wird, und/oder zeitlich nach einer Erstbefüllung der Kathodenräume (13) des Brennstoffzellenstapels (10) mit Luft begonnen wird, und/oder • bei einem insbesondere vollständig geschlossenen Bypassventil (135) des kathodenseitigen Stapelbypasses (35) des Brennstoffzellenstapels (10) begonnen wird.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt (360) der Kathoden-Gefrierstartroutine (302) geprüft wird, ob wenigstens eine Bedingung für eine Vereisung eines Bereichs, insbesondere eines Einlassbereichs, der Kathode (130) vorliegt, wobei bei Vorliegen einer positiven Bedingung (360: +) die eigentliche Kathoden-Gefrierstartroutine (302) durchgeführt wird, oder bei Vorliegen einer negativen Bedingung (360: -) die eigentliche Kathoden-Gefrierstartroutine (302) nicht durchgeführt wird (361).
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt (362) der Kathoden-Gefrierstartroutine (302) das Bypassventil (135) des Stapelbypasses (35) geöffnet und in einem dritten Schritt (364) der Kathoden-Gefrierstartroutine (302) das Kathodeneinlass-Absperrventil (131) geschlossen wird.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Schritt (366) der Kathoden-Gefrierstartroutine (302) geprüft wird, ob die Vereisung des Bereichs, insbesondere des Einlassbereichs, der Kathode (130) verringert oder behoben ist, wobei bei Vorliegen einer positiven Bedingung (366: +) die Kathoden-Gefrierstartroutine (302) in einem fünften Schritt (368) fortgeführt wird, oder bei Vorliegen einer negativen Bedingung (366: -) in einem Timeoutschritt (367) entschieden wird, ob die Kathoden-Gefrierstartroutine (302) mit dem vierten Schritt (366) oder dem fünften Schritt (368) fortgeführt wird.
Startverfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Schritt (368) der Kathoden-Gefrierstartroutine (302) das Kathodeneinlass-Absperrventil (131) geöffnet und das Bypassventil (135) des Stapelbypasses (35) geschlossen wird, wobei in der zeitlichen Folge die Kathoden-Gefrierstartroutine (302) mit dem ersten Schritt (360) fortgeführt werden kann.
Brennstoffzellenaggregat (1), Brennstoffzellensystem oder Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Brennstoffzellenaggregat (1), das Brennstoffzellensystem oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein Startverfahren (300) umfassend eine durchführbare Kathoden-Gefrierstartroutine (302), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen durchführbar ist oder durchgeführt wird.