EP4463903A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, steuergerät - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, steuergerät

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EP4463903A1
EP4463903A1 EP22844512.8A EP22844512A EP4463903A1 EP 4463903 A1 EP4463903 A1 EP 4463903A1 EP 22844512 A EP22844512 A EP 22844512A EP 4463903 A1 EP4463903 A1 EP 4463903A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
starting speed
apini
temperature
coolant
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Application number
EP22844512.8A
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English (en)
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Inventor
Mark Hellmann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system, comprising a fuel cell stack which is connected to a cooling circuit with an integrated coolant pump.
  • the method is particularly suitable for operating fuel cell systems in mobile applications.
  • the invention relates to a control device that is set up to carry out steps of the method.
  • a fuel cell converts a fuel, such as hydrogen, and oxygen into electrical energy, heat, and water.
  • a fuel cell stack the so-called “stack", and supplied with the reaction gases via supply channels running through the fuel cell stack.
  • the heat generated during the electrochemical process in the fuel cells is dissipated to the environment with the help of a cooling circuit and a cooler integrated into it - in mobile applications usually the vehicle cooler.
  • a further component of the cooling circuit is a coolant pump which, during operation of the fuel cell system, pumps the coolant through the coolant supply channels running through the fuel cell stack.
  • a directional control valve can be integrated into the cooling circuit to bypass the cooler. Bypassing the radiator can be advantageous, for example, when starting.
  • the coolant mass flow through the fuel cell stack must be high enough to avoid local temperature peaks, so-called "hot spots".
  • the coolant mass flow must be low enough to prevent the temperature from dropping too much and possibly icing up when entering the fuel cell stack.
  • the coolant mass flow is controlled via the speed of the coolant pump.
  • the initial starting speed of the coolant pump is not sufficiently defined.
  • the invention tries to remedy this.
  • the invention is intended to make it possible to determine the optimum possible starting speed of the coolant pump, specifically before the system switches to regulated operation.
  • a method for operating a fuel cell system that includes a fuel cell stack that is connected to a cooling circuit with an integrated coolant pump.
  • the coolant pump is operated at an initial starting speed, which is selected as a function of a currently measured and/or modeled temperature, preferably the coolant temperature.
  • the initial starting speed of the coolant pump is therefore varied depending on the temperature. Since the viscosity of the coolant depends on the temperature, this is taken into account when setting the starting speed. This is important because the viscosity of the coolant affects the coolant mass flow through the fuel cell stack and the pressure differential impact on the fuel cell stack. With the help of the proposed method, the starting speed of the coolant pump can therefore be set in such a way that a previously defined initial pressure difference is reached.
  • the pressure difference correlates with the coolant mass flow.
  • the required coolant mass flow can also depend on the temperature, but will only exactly compensate for the temperature dependence of the initial pressure difference to be achieved in special cases. An exact setting of the required coolant mass flow when starting the fuel cell system is not possible using the proposed method, but it helps to avoid major deviations.
  • the initial starting speed is preferably selected from at least two different initial starting speeds, each of which is associated with a specific temperature.
  • the assignment enables the initial starting speed of the coolant pump to be determined first. If this is imprecise so that the previously defined initial pressure difference is not reached, the starting speed can be adapted.
  • a higher initial starting speed is preferably selected, the lower the currently measured and/or modeled temperature is. Because the lower the temperature, the higher the viscosity of the coolant. This means that the required pressure difference and/or the required coolant mass flow can only be achieved with a higher starting speed.
  • a temperature range for example -40° C. to +60° C., and temperatures within the temperature range, for example in increments of 5 Kelvin, are preferably defined, each of which is assigned a starting speed. In this way, the initial starting speed can be determined immediately.
  • the selected initial starting speed be adapted if an initial pressure difference of the coolant pressure across the fuel cell stack is measured, which deviates from an initial pressure difference associated with the temperature. Temperatures within a previously determined temperature range are therefore preferred an initial starting speed, but also assigned an initial pressure difference. This can then be used to check whether the starting speed leads to the desired result or whether an adaptation is required.
  • the selected initial starting speed is adapted if an initial pressure difference of the coolant pressure across the fuel cell stack is measured, which lies outside a permissible pressure difference range that is defined by a predetermined maximum value and a predetermined minimum value.
  • the adaptation of the starting speed can be limited to gross deviations of the measured initial pressure difference from the initial pressure difference to be achieved.
  • the selected initial start speed is retained.
  • the starting speed of the coolant pump is preferably reduced, with the reduction preferably being carried out in steps.
  • the starting speed of the coolant pump is preferably increased, with the increase preferably being carried out in steps.
  • the initial starting speed of the coolant pump is advantageously selected with the aid of a control unit in which at least two starting speeds are stored, each of which is associated with a specific temperature.
  • the process can be automated in this way. However, this assumes that the coolant pump can be controlled via the control unit. Furthermore, a currently measured or modeled temperature, in particular coolant temperature, is to be made available to the control device.
  • the initial starting speed can also be adapted.
  • at least two initial pressure differences can be stored in the control unit, each of which is assigned to a specific temperature.
  • a maximum value and a minimum value can be stored in the control unit to define a permissible pressure difference range. If the measured initial pressure difference is outside the permissible pressure difference range, the initial starting speed is adapted with the help of the control unit. In In this case, it is not necessary to react to every deviation with an adaptation of the starting speed.
  • a starting speed of the coolant pump that is as optimal as possible can be defined initially, that is to say in controlled operation, even before the fuel cell system changes over to regulated operation.
  • the temperatures of the coolant in the area where the fuel cell stack enters and in the area where it exits the fuel cell stack can then be used to regulate the pump speed.
  • control unit for a fuel cell system is proposed.
  • the control unit is set up to carry out steps of a method according to the invention.
  • at least one temperature value and a starting speed assigned to the temperature value can be stored in the control unit.
  • the initial starting speed of the coolant pump can then be selected with the aid of the control unit as a function of a currently measured and/or modeled temperature.
  • At least one initial pressure difference which is assigned to the temperature and which has to be reached, can be stored in the control unit. In the event of a deviation, the starting speed can then be adapted accordingly.
  • a permissible pressure difference range which is defined by a maximum value and a minimum value, can be stored in the control device.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a mobile fuel cell system which is suitable for carrying out a method according to the invention
  • 2 shows a diagram for the graphic representation of the coolant mass flow rh over the pressure difference Ap at different temperatures T
  • 3 shows a diagram for the graphical representation of the pressure difference Ap of the coolant over the speed of the coolant pump at different temperatures T
  • FIG. 5 shows a block diagram to show the sequence of a method according to the invention.
  • the fuel cell system 1 shown in FIG. 1 serves to generate electrical drive energy.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell stack 2 with an anode 2.1 and a cathode 2.2.
  • hydrogen is supplied to the anode 2.1 via an anode circuit 14 and air is supplied to the cathode 2.2 via an air supply path 20 as an oxygen supplier.
  • the hydrogen required by the anode 2.1 is stored in a tank 9 which can be shut off via a shut-off valve 10. Since hydrogen heats up when it is removed from the tank 9, a heat exchanger 11 for temperature control is provided downstream of the shut-off valve 10. The heat exchanger 11 is followed by a pressure regulator 12, with the help of which the pressure in the anode circuit 14 can be regulated. Since anode gas exiting from the fuel cell stack 2 still contains hydrogen, it is recirculated. In the present case, the recirculation is effected passively with the aid of a jet pump 13 and actively with the aid of a blower 15 .
  • a water separator 16 is provided, which separates liquid water from the anode gas and collects it in a container 17 .
  • a drain valve 18 is opened and the container 17 is emptied.
  • Recirculated anode gas also accumulates over time with nitrogen, which diffuses from the cathode side to the anode side.
  • a purge valve 19, which is opened from time to time for this purpose, is provided for discharging the anode gas containing nitrogen. The amount of gas discharged via the purge valve 19 is replaced by hydrogen from the tank 9 .
  • the air required by the cathode 2.2 is taken from the environment and fed to an air compressor 22 via an air supply path 20 with an integrated air filter 21.
  • a heat exchanger 23 is provided downstream of the air compressor 22, which cools the air.
  • the exhaust air emerging from the fuel cell stack 2 is discharged back to the environment via an exhaust air path 25 with an integrated shut-off valve 24 .
  • a bypass path 26 with a bypass valve 27 arranged therein for bypassing the fuel cell stack 2 is provided.
  • the fuel cell stack 2 During operation of the fuel cell system 1, the fuel cell stack 2 also generates heat in addition to electrical energy.
  • the fuel cell stack 2 is connected to a cooling circuit 3 with an integrated coolant pump 4 in order to dissipate the heat.
  • the coolant pump 4 is driven by an electric motor 5 .
  • the coolant of the cooling circuit 3 releases the heat absorbed when flowing through the fuel cell stack 3 to a cooler 6, which is a vehicle cooler in the present case.
  • a cooler bypass 7 is provided, which is opened via a directional control valve 8 .
  • an initial starting speed nini of the coolant pump 4 When starting the fuel cell system 1, an initial starting speed nini of the coolant pump 4 must be specified. This should be selected so that the coolant mass flow rh is sufficiently high to avoid so-called "hot spots". At the same time, it should not be too high in order to avoid icing of the fuel cell stack 2--particularly in the case of a freeze start. The behavior of the coolant is strongly dependent on the temperature.
  • FIGS. 2 and 3 show the qualitative relationships between the mass flow rh, the pressure difference Ap and the starting speed n ⁇ i, each at different starting temperatures Ti, T2, T3.
  • FIG. 4 also shows the relationship between the viscosity q of the coolant and the temperature T. The higher the temperature T, the lower the viscosity q of the coolant. The starting speed nini of the coolant pump 4 can therefore vary and must be initially defined when starting.
  • a temperature Tj n i in particular the coolant temperature
  • the temperature temperature Tini can be measured or modeled.
  • the temperature Tini is made available to a control unit in which several starting speeds nini are stored, each of which is assigned to a specific temperature Tini.
  • the following table shows an example of a possible assignment:
  • the starting speed nj ni can be adapted.
  • the actual pressure difference Apini,mess can be measured and compared with a pressure difference Apini assigned to the temperature Tini.
  • the following table shows a possible assignment: Tini [°C] Apini [bar]
  • the starting speed nj ni can be adjusted or adapted accordingly.
  • a pressure difference range can be specified, which is limited by a maximum value Apini, max and a minimum value Apini, min. If the actually measured pressure difference Apini, mess is outside of this range, the starting speed nj ni can also be adapted.
  • step S1 when the fuel cell system 1 is started, an initial starting speed nini of the coolant pump 4 is determined as a function of a temperature Tini chosen.
  • the actual pressure difference Apini.mess of the coolant across the fuel cell stack 2 is then determined in step S2. If the pressure difference Apini.mess is outside a defined pressure difference range, which is specified by a maximum value Apini.max and a minimum value Apini.min, the starting speed nini is adapted.
  • step S3 it is checked whether Apini.mess > Apini.max.
  • step S4 If the answer is yes ("+"), the starting speed nini is reduced in step S4. If the answer is no, it is checked in step S5 whether Apini.mess ⁇ Apini.min. If the answer is yes ("+"), in step 6 the starting speed nini is increased. However, if it is determined in step S2 that the pressure difference Apini.mess is within the defined pressure difference range, so that Apini.min ⁇ Api.mess ⁇ Apoe.max applies, in
  • Step S7 the initial starting speed nj ni are maintained.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2), der an einen Kühlkreis (3) mit integrierter Kühlmittelpumpe (4) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird beim Starten des Brennstoffzellensystems (1) die Kühlmittelpumpe (4) mit einer initialen Startdrehzahl (nini) betrieben, die in Abhängigkeit von einer aktuell gemessenen und/oder modellierten Temperatur (Tini), vorzugsweise der Kühlmitteltemperatur, gewählt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem (1).

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, der an einen Kühlkreis mit integrierter Kühlmittelpumpe angeschlossen ist. Das Verfahren ist insbesondere zum Betreiben von Brennstoffzellensystemen in mobilen Anwendungen geeignet.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle wandelt einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Zur Steigerung der Leistung werden in der Regel eine Vielzahl an Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, verbunden und über den Brennstoffzellenstapel durchziehende Versorgungskanäle mit den Reaktionsgasen versorgt. Die bei dem elektrochemischen Prozess in den Brennstoffzellen anfallende Wärme wird mit Hilfe eines Kühlkreises und einem hierin integrierten Kühler - in mobilen Anwendungen in der Regel der Fahrzeugkühler - an die Umgebung abgeführt. Weiterer Bestandteil des Kühlkreises ist eine Kühlmittelpumpe, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel durchziehende Kühlmittelversorgungskanäle pumpt. Zur Umgehung des Kühlers kann in den Kühlkreis ein Wegeventil integriert sein. Eine Umgehung des Kühlers kann beispielsweise im Startfall von Vorteil sein. Denn im Startfall, insbesondere bei Umgebungstemperaturen unter 0°C, soll der Brennstoffzellenstapel so schnell wie möglich aufgeheizt werden, um Wasser- und/oder Eisansammlungen zu vermeiden, die den Start verzögern oder sogar verhindern könnten. Die Vereisungsgefahr ist allerdings erst gebannt, wenn das Kühlmittel vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel sicher über 0°C aufgewärmt worden ist.
Beim Starten des Brennstoffzellensystems muss der Kühlmittelmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel zum einen hoch genug sein, um lokale Temperaturspitzen, sogenannte „Hot Spots“, zu vermeiden. Zum anderen muss der Kühlmittelmassenstrom niedrig genug sein, um eine zu hohe Temperaturabsenkung und ggf. Vereisung bei Eintritt in den Brennstoffzellenstapel zu verhindern. Die Regelung des Kühlmittelmassenstroms erfolgt dabei über die Drehzahl der Kühlmittelpumpe.
Insbesondere bei einem Gefriertstart ist die initiale Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe nur unzureichend definiert. Die Erfindung versucht hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere soll die Erfindung die Ermittlung einer möglichst optimalen Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe ermöglichen, und zwar bevor das System in einen geregelten Betrieb übergeht.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst, der an einen Kühlkreis mit integrierter Kühlmittelpumpe angeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird beim Starten des Brennstoffzellensystems die Kühlmittelpumpe mit einer initialen Startdrehzahl betrieben, die in Abhängigkeit von einer aktuell gemessenen und/oder modellierten Temperatur, vorzugsweise der Kühlmitteltemperatur, gewählt wird.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird demnach die initiale Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe temperaturabhängig variiert. Da von der Temperatur die Viskosität des Kühlmittels abhängt, findet diese bei der Einstellung der Startdrehzahl Berücksichtigung. Dies ist von Bedeutung, da die Viskosität des Kühlmittels den Kühlmittelmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel sowie die Druckdiffe- renz über den Brennstoffzellenstapel beeinflusst. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann demnach die Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe so eingestellt werden, dass eine vorab definierte initiale Druckdifferenz erreicht wird.
Bei einer gegebenen Temperatur korreliert die Druckdifferenz mit dem Kühlmittelmassenstrom. Der erforderliche Kühlmittelmassenstrom kann ebenfalls temperaturabhängig sein, wird aber die Temperaturabhängigkeit der zu erreichenden initialen Druckdifferenz nur in Sonderfällen exakt kompensieren. Eine exakte Einstellung des erforderlichen Kühlmittelmassenstroms beim Starten des Brennstoffzellensystems ist mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens nicht möglich, es hilft jedoch größere Abweichungen zu vermeiden.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise die initiale Startdrehzahl aus mindestens zwei unterschiedlichen initialen Startdrehzahlen gewählt, die jeweils einer bestimmten Temperatur zugeordnet sind. Die Zuordnung ermöglicht eine erste Festlegung der initialen Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe. Ist diese ungenau, so dass die vorab definierte initiale Druckdifferenz nicht erreicht wird, kann die Startdrehzahl adaptiert werden.
Bevorzugt wird eine höhere initiale Startdrehzahl gewählt wird, je niedriger die aktuell gemessene und/oder modellierte Temperatur ist. Denn je niedriger die Temperatur ist, desto höher ist die Viskosität des Kühlmittels. Das heißt, dass nur mit einer höheren Startdrehzahl die erforderliche Druckdifferenz und/oder der erforderliche Kühlmittelmassenstrom erreichbar ist bzw. sind.
Ferner bevorzugt werden ein Temperaturbereich, beispielsweise -40°C bis +60°C, sowie innerhalb des Temperaturbereichs, beispielsweise in Inkrementen von 5 Kelvin, liegende Temperaturen festgelegt, denen jeweils eine Startdrehzahl zugeordnet ist. Auf diese Weise kann die initiale Startdrehzahl sofort ermittelt werden.
Zur Optimierung der initialen Startdrehzahl wird vorgeschlagen, dass die gewählte initiale Startdrehzahl adaptiert wird, wenn eine initiale Druckdifferenz des Kühlmitteldrucks über dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird, die von einer der Temperatur zugeordneten initialen Druckdifferenz abweicht. Bevorzugt ist daher den Temperaturen eines vorab bestimmten Temperaturbereichs nicht nur eine initiale Startdrehzahl, sondern ferner eine initiale Druckdifferenz zugeordnet. Anhand dieser kann dann überprüft werden kann, ob die Startdrehzahl zu dem gewünschten Ergebnis führt oder ggf. einer Adaption bedarf.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die gewählte initiale Startdrehzahl adaptiert wird, wenn eine initiale Druckdifferenz des Kühlmitteldrucks über dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird, die außerhalb eines zulässigen Druckdifferenzbereichs liegt, der durch einen vorgegebenen Maximalwert und einen vorgegebenen Minimalwert definiert wird. Die Adaption der Startdrehzahl kann in diesem Fall auf grobe Abweichungen der gemessenen initialen Druckdifferenz von der zu erreichenden initialen Druckdifferenz beschränkt werden. In den übrigen Fällen wird die gewählte initiale Startdrehzahl beibehalten.
Bevorzugt wird bei Überschreiten des vorgegebenen Maximalwerts die Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe reduziert, wobei vorzugsweise die Reduzierung in Schritten vorgenommen wird.
Des Weiteren bevorzugt wird bei Unterschreiten des vorgegebenen Minimalwerts die Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe erhöht, wobei vorzugsweise die Erhöhung in Schritten vorgenommen wird.
Vorteilhafterweise wird die initiale Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe mit Hilfe eines Steuergeräts gewählt, in dem mindestens zwei Startdrehzahlen hinterlegt sind, die jeweils einer bestimmten Temperatur zugeordnet sind. Das Verfahren kann auf diese Weise automatisiert werden. Dies setzt jedoch voraus, dass die Kühlmittelpumpe über das Steuergerät ansteuerbar ist. Ferner ist dem Steuergerät eine aktuell gemessene oder modellierte Temperatur, insbesondere Kühlmitteltemperatur, zur Verfügung zu stellen.
Mit Hilfe des Steuergeräts kann zudem die initiale Startdrehzahl adaptiert werden. Hierzu können im Steuergerät mindestens zwei initiale Druckdifferenzen hinterlegt sein, die jeweils einer bestimmten Temperatur zugeordnet sind. Alternativ oder ergänzend können im Steuergerät ein Maximalwert und ein Minimalwert zur Definition eines zulässigen Druckdifferenzbereichs abgelegt sein. Liegt die gemessene initiale Druckdifferenz außerhalb des zulässigen Druckdifferenzbereichs, wird mit Hilfe des Steuergeräts die initiale Startdrehzahl adaptiert. In diesem Fall muss nicht auf jede Abweichung mit einer Adaption der Startdrehzahl reagiert werden.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann initial, das heißt im gesteuerten Betrieb, noch bevor das Brennstoffzellensystem in den geregelten Betrieb übergeht, eine möglichst optimale Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe festgelegt werden. Nach einer gewissen Zeit, das heißt im geregelten Betrieb, können dann die Temperaturen des Kühlmittels im Eintrittsbereich in den Brennstoffzellenstapel und im Austrittsbereich aus dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden, um die Pumpendrehzahl einzuregeln.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann in dem Steuergerät mindestens ein Temperaturwert und eine dem Temperaturwert zugeordnete Startdrehzahl hinterlegt sein. Mit Hilfe des Steuergeräts kann dann die initiale Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von einer aktuell gemessenen und/oder modellierten Temperatur gewählt werden.
Ferner kann im Steuergerät mindestens eine der Temperatur zugeordnete initiale Druckdifferenz hinterlegt sein, die es zu erreichen gilt. Im Falle einer Abweichung kann dann die Startdrehzahl entsprechend adaptiert werden.
Des Weiteren kann im Steuergerät ein zulässiger Druckdifferenzbereich hinterlegt sein, der durch einen Maximalwert und einen Minimalwert definiert wird.
Liegt die gemessene Druckdifferenz außerhalb dieses Bereichs kann durch Adaption der Startdrehzahl eine Korrektur vorgenommen werden.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mobilen Brennstoffzellensystems, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,
Fig. 2 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Kühlmittelmassenstroms rh über der Druckdifferenz Ap bei unterschiedlichen Temperaturen T, Fig. 3 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Druckdifferenz Ap des Kühlmittels über der Drehzahl der Kühlmittelpumpe bei unterschiedlichen Temperaturen T,
Fig. 4 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Viskosität q über der Temperatur T des Kühlmittels und
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 dient der Erzeugung elektrischer Antriebsenergie. Hierzu umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anode 2.1 und einer Kathode 2.2. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 werden der Anode 2.1 über einen Anodenkreis 14 Wasserstoff und der Kathode 2.2 über einen Zuluftpfad 20 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt.
Der von der Anode 2.1 benötigte Wasserstoff wird in einem Tank 9 bevorratet, der über ein Absperrventil 10 absperrbar ist. Da sich Wasserstoff bei der Entnahme aus dem Tank 9 erwärmt, ist stromabwärts des Absperrventils 10 ein Wärmetauscher 11 zur Temperierung vorgesehen. Auf den Wärmetauscher 11 folgt ein Druckregler 12, mit dessen Hilfe der Druck im Anodenkreis 14 regelbar ist. Da aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretendes Anodengas noch Wasserstoff enthält, wird es rezirkuliert. Die Rezirkulation wird vorliegend passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe 13 sowie aktiv mit Hilfe eines Gebläses 15 bewirkt. Da rezirkuliertes Anodengas flüssiges Wasser enthalten kann, ist ein Wasserabscheider 16 vorgesehen, der flüssiges Wasser aus dem Anodengas abscheidet und in einem Behälter 17 sammelt. Bei vollem Behälter 17 wird ein Drainventil 18 geöffnet und der Behälter 17 geleert. Rezirkuliertes Anodengas reichert sich über die Zeit zudem mit Stickstoff an, das von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert. Zum Ausleiten des stickstoffhalteigen Anodengases ist ein Purgeventil 19 vorgesehen, das hierzu von Zeit zu Zeit geöffnet wird. Die über das Purgeventil 19 ausgeleitete Gasmenge wird durch Wasserstoff aus dem Tank 9 ersetzt. Die von der Kathode 2.2 benötigte Luft wird der Umgebung entnommen und über einen Zuluftpfad 20 mit integriertem Luftfilter 21 einem Luftverdichter 22 zugeführt. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, ist stromabwärts des Luftverdichters 22 ein Wärmetauscher 23 vorgesehen, der die Luft abkühlt. Die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 25 mit integriertem Absperrventil 24 wieder an die Umgebung abgeführt. Darüber hinaus ist ein Bypasspfad 26 mit einem hierin angeordneten Bypassventil 27 zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 2 vorgesehen.
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 erzeugt der Brennstoffzellenstapel 2 neben elektrischer Energie auch Wärme. Zum Abführen der Wärme ist der Brennstoffzellenstapel 2 an einen Kühlkreis 3 mit integrierter Kühlmittelpumpe 4 angeschlossen. Die Kühlmittelpumpe 4 wird mit Hilfe eines Elektromotors 5 angetrieben. Das Kühlmittel des Kühlkreises 3 gibt die beim Durchströmen des Brennstoffzellenstapels 3 aufgenommene Wärme an einen Kühler 6 ab, wobei es sich vorliegend um einen Fahrzeugkühler handelt. Zur Umgehung des Kühlers 6 ist ein Kühler-Bypass 7 vorgesehen, der über ein Wegeventil 8 geöffnet wird.
Beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 muss eine initiale Startdrehzahl nini der Kühlmittelpumpe 4 festgelegt werden. Diese ist so zu wählen, dass der Kühlmittelmassenstrom rh ausreichend hoch ist, um sogenannte „Hot Spots“ zu vermeiden. Zugleich sollte sie nicht zu hoch sein, um - insbesondere bei einem Gefriertstart - eine Vereisung des Brennstoffzellenstapels 2 zu vermeiden. Das Verhalten des Kühlmittels ist dabei stark temperaturabhängig.
Die Figuren 2 und 3 zeigen die qualitativen Zusammenhänge zwischen dem Massenstrom rh, der Druckdifferenz Ap und der Startdrehzahl n^i jeweils bei verschiedenen Starttemperaturen Ti, T2, T3. Figur 4 zeigt darüber hinaus den Zusammenhang zwischen der Viskosität q des Kühlmittels und der Temperatur T. Je höher die Temperatur T ist desto niedriger ist die Viskosität q des Kühlmittels. Die Startdrehzahl nini der Kühlmittelpumpe 4 kann demnach variieren und muss beim Starten initial festgelegt werden.
Bei der Festlegung der initialen Startdrehzahl nini wird erfindungsgemäß eine Temperatur Tjni, insbesondere die Kühlmitteltemperatur, berücksichtigt. Die Tem- peratur Tini kann gemessen oder modelliert werden. Die Temperatur Tini wird einem Steuergerät zur Verfügung gestellt, in dem mehrere Startdrehzahlen nini hinterlegt sind, die jeweils einer bestimmten Temperatur Tini zugeordnet sind. Eine mögliche Zuordnung zeigt beispielhaft die nachfolgende Tabelle:
Führt die initiale Startdrehzahl njni nicht zu einer bestimmten Druckdifferenz Apini des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 2, kann die Startdrehzahl njni adaptiert werden. Hierzu kann die tatsächliche Druckdifferenz Apini, mess gemessen und mit einer der Temperatur Tini zugeordneten Druckdifferenz Apini verglichen werden. Eine mögliche Zuordnung zeigt die nachfolgende Tabelle: Tini [°C] Apini [bar]
-40 1,0
-35 0,9
+60 0,2
Wird die der Temperatur Tini zugeordnete Druckdifferenz Apini nicht erreicht, kann die Startdrehzahl njni entsprechend angepasst bzw. adaptiert werden.
Alternativ oder ergänzend kann ein Druckdifferenzbereich vorgegeben werden, der durch einen Maximalwert Apini, max sowie einen Minimalwert Apini, min begrenzt wird. Liegt die tatsächlich gemessene Druckdifferenz Apini, mess außerhalb dieses Bereichs, kann ebenfalls die Startdrehzahl njni adaptiert werden.
Ein Verfahren zur Adaption der Startdrehzahl nini über einen vorab definierten Druckdifferenzbereich wird nachfolgend anhand der Figur 5 näher beschrieben.
In Schritt S1 wird mit Starten des Brennstoffzellensystems 1 eine initiale Startdrehzahl nini der Kühlmittelpumpe 4 in Abhängigkeit von einer Temperatur Tini gewählt. In Schritt S2 wird dann die tatsächliche Druckdifferenz Apini.mess des Kühlmittels über dem Brennstoffzellenstapel 2 ermittelt. Liegt die Druckdifferenz Apini.mess außerhalb eines definierten Druckdifferenzbereichs, der durch einen Maximalwert Apini.max sowie einen Minimalwert Apini.min vorgegeben ist, wird die Startdrehzahl nini adaptiert. In Schritt S3 wird geprüft, ob Apini.mess > Apini.max ist.
Sofern dies bejaht wird („+“), wird in Schritt S4 die Startdrehzahl nini reduziert. Wird dies verneint, wird in Schritt S5 geprüft, ob Apini.mess < Apini.min liegt. Sofern dies bejaht wird („+“), wird in Schritt 6 die Startdrehzahl nini erhöht. Wird jedoch in Schritt S2 festgestellt, dass die Druckdifferenz Apini.mess innerhalb des definierten Druckdifferenzbereichs liegt, so dass Apini.min < Apini.mess < Apö.max gilt, kann in
Schritt S7 die initiale Startdrehzahl njni beibehalten werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2), der an einen Kühlkreis (3) mit integrierter Kühlmittelpumpe (4) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Brennstoffzellensystems (1) die Kühlmittelpumpe (4) mit einer initialen Startdrehzahl (nini) betrieben wird, die in Abhängigkeit von einer aktuell gemessenen und/oder modellierten Temperatur (Tini), vorzugsweise der Kühlmitteltemperatur, gewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Startdrehzahl (nini) aus mindestens zwei unterschiedlichen initialen Startdrehzahlen (nini) gewählt wird, die jeweils einer bestimmten Temperatur (Tini) zugeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine höhere initiale Startdrehzahl (njni) gewählt wird, je niedriger die aktuell gemessene und/oder modellierte Temperatur (Tini) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte initiale Startdrehzahl (njni) adaptiert wird, wenn eine initiale Druckdifferenz (Apini, mess) des Kühlmitteldrucks über dem Brennstoffzellenstapel (2) gemessen wird, die von einer der Temperatur (Tini) zugeordneten initialen Druckdifferenz (Apini) abweicht und/oder außerhalb eines zulässigen Druckdifferenzbereichs liegt, der durch einen vorgegebenen Maximalwert (Apini, max) und einen vorgegebenen Minimalwert (Apini, min) definiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Maximalwerts (Apini, max) die Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe (4) reduziert wird, wobei vorzugsweise die Reduzierung in Schritten vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des Minimalwerts (Apini.min) die Startdrehzahl der Kühlmittelpumpe (4) erhöht wird, wobei vorzugsweise die Erhöhung in Schritten vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Startdrehzahl (nini) mit Hilfe eines Steuergeräts gewählt wird, in dem mindestens zwei Startdrehzahlen (nini) hinterlegt sind, die jeweils einer bestimmten Temperatur (Tini) zugeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Startdrehzahl (nini) mit Hilfe des Steuergeräts adaptiert wird, in dem mindestens zwei initiale Druckdifferenzen (Apini) hinterlegt sind, die jeweils einer bestimmten Temperatur (Tini) zugeordnet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Startdrehzahl (nini) mit Hilfe des Steuergeräts adaptiert wird, in dem ein Maximalwert (Apini, max) und ein Minimalwert (Apini.min) zur Definition eines zulässigen Druckdifferenzbereichs abgelegt sind.
10. Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem (1), wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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