WO2016005029A1 - Verfahren zur startvorbereitung einer brennstoffzelle - Google Patents

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WO2016005029A1
WO2016005029A1 PCT/EP2015/001273 EP2015001273W WO2016005029A1 WO 2016005029 A1 WO2016005029 A1 WO 2016005029A1 EP 2015001273 W EP2015001273 W EP 2015001273W WO 2016005029 A1 WO2016005029 A1 WO 2016005029A1
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heating
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Gustav Boehm
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Daimler Ag
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for starting preparation of a fuel cell.
  • Fuel cells for example, a start at temperatures of -30 ° C quite possible. However, the start requires a certain start time until the fuel cell or the fuel cell system connected to it has warmed up sufficiently. The waiting times that occur as a result are highest when used in motor vehicles
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for starting preparation of a fuel cell, which via a cooling medium in a
  • Cooling circuit is tempered with a coolant pump to specify which avoids the disadvantages mentioned.
  • this object is achieved by a method with the features in
  • the time required to temper the cooling circuit of a fuel cell to a sufficiently high temperature for a quick start of the fuel cell is deliberately accepted.
  • the start of the cooling circuit of a fuel cell is deliberately accepted.
  • Coolant pump for heating the cooling medium by means of appropriate
  • Coolant pump according to the invention is started via a controller, which in turn uses at least one of the following explained to generate the start signal.
  • the start signal can be generated in the controller, for example, depending on programming by the user.
  • the fuel cell or the fuel cell system is thus informed about this programming when it should be prepared for a start.
  • the start preparation then starts, in particular as a function of different environmental parameters, corresponding to earlier so that the start at the desired start time is possible quickly and efficiently.
  • At least one temperature value of the environment and / or the cooling medium can be used to generate such a start signal.
  • a radio-transmitted specification can be transmitted to the controller, for example by radio, in particular via a radio remote control or via mobile radio or mobile telephone or mobile Internet.
  • a user can initiate a preheating of the system for a sufficient time before the actual desired start.
  • Another requirement which can be taken into account, in particular in combination with other specifications, is the state of charge of the battery for operating the coolant pump. This is of course crucial to determine whether the desired heating is still possible. The start of the heating is typically controlled in dependence on this state of charge of the battery from which the coolant pump is operated, or, if the state of charge does not give it, also blocked.
  • a battery according to the invention may be a high-voltage battery, which is used very often for hybridization of fuel cell systems in vehicles.
  • a battery according to the invention may also be a low-voltage battery, in particular a starter battery with a rated voltage of 12V, 24V or 48V be.
  • a battery in the sense of the invention could also be a so-called
  • the energy would be used primarily from the low-voltage battery. If the state of charge of the low-voltage battery is no longer sufficient, it could be recharged by the high-voltage battery.
  • such a construction would also consist of two mutually recharging batteries
  • the temperature value is used as a default, in such a way that the temperature never drops below a predetermined limit. It is known that PEM fuel cells can start very well and very quickly at temperatures of up to about -5 ° C. If the temperature in the fuel cell falls below this value, then the start is correspondingly more time-consuming and loads the entire system energetically much more. In addition, such starts, for example, at temperatures of -20 ° C or -30 ° C have a negative impact on the life of the fuel cell. All in all, by the above-described particularly favorable embodiment of the Thus, a significant advantage achieved by the method according to the invention in that whenever the charge of the battery allows, the temperature of the cooling medium is raised via the coolant pump, if this is below a default value of
  • Ambient conditions are kept “warm” to prevent temperatures below -5 ° C from being set in the area of the fuel cell.
  • the heating energy for the fuel cell including the relevant part of your fuel cell
  • Cooling circuit for a stroke of -30 ° C to minus -5 ° C can be estimated with about 400 Wh. Assuming that the total energy of a 800 W
  • Coolant pump is ultimately converted into heat, the coolant pump would therefore be operated for about half an hour to realize the corresponding heating.
  • the required electrical power requirement would be in the
  • the coolant pump can be started earlier accordingly, so as to keep the system warm, without having to cope with the above-described temperature of 25 K each time. With relatively little electrical power, the system can thus over a longer period, such as a night at very low ambient temperatures, in which a vehicle with the
  • Fuel cell is turned off, kept warm.
  • an additional heating device such as, for example, an electric heater.
  • Fuel cell for example, for driving off one with the fuel cell
  • a time start for the heating can be determined, in such a way that at the programmed start time, a predetermined limit value for the temperature is achieved.
  • the necessary amount of energy, which must be entered to achieve the necessary temperature in the cooling medium can be calculated.
  • the time start of the heating can be set so that the desired
  • temperature values it is also possible to use data from a weather forecast which, for example, predict corresponding temperatures for the next desired or expected starting time. If these are below the temperature limit value, a corresponding heating can be carried out and / or the user is asked to program.
  • this requirement can be given priority, so that, for example, in a fall in temperatures at night no warming of the fuel cell in the sense described above, but is waited accordingly to the system then accurately to warm up to the programmed start time.
  • it may further be provided that when the state of charge of the battery under a
  • Fuel cell or equipped with her vehicle over skin can not start.
  • the query thus ensures that a start is possible in any case, even if it takes longer if necessary.
  • Method may also be provided that when the state of charge of the battery falls below a predetermined limit, the fuel cell is started to recharge the battery after heating.
  • the fuel cell in particular when keeping the fuel cell warm, the
  • Another very favorable embodiment of the method according to the invention can also provide that the drive of the coolant pump is cooled via the cooling medium.
  • the drive of the coolant pump is cooled via the cooling medium.
  • a cooling of the drive motor of the coolant pump via the cooling medium ie a flow around the entire - ideally together with their drive encapsulated coolant pump through the cooling medium, it can be achieved that not only the power loss when pumping the cooling medium itself to
  • Heating of the cooling medium can be used, but also that of the
  • the fuel cell is not dried when it is switched off.
  • conventional operating methods for fuel cells it is well known and customary for them to be dried accordingly when they are switched off to create ideal conditions for a reboot.
  • the inventor has now shown that just this drying, especially if it is a very strong drying of the fuel cell, with a clear
  • Lifespan loss of the fuel cell is associated. This is disproportionate to the additional energy required, for example, for keeping the cooling medium of the fuel cell kept warm by recurring operation of the coolant pump when the fuel cell system is at a standstill and the temperatures are below critical temperature values. In this case, the fuel cell is in fact kept “warm” in order to be able to start so quickly and efficiently, even if the fuel cell has not been dried or not excessively dried prior to the actual shutdown. So in return allows a waiver of drying or severe drying of the fuel cell, as for example by a
  • a 12 V, 24 V or 48 V starter battery (low-voltage battery) can be used.
  • a so-called high-voltage battery which is typically installed as a hybridization battery in parallel to a fuel cell system in electrically powered vehicles anyway.
  • a high-voltage battery is used as the battery for hybridizing a fuel cell system comprising the fuel cell, in order to operate the coolant pump for heating the cooling medium as required. If the cooling water pumps are operated via a low-voltage battery, any high-voltage if necessary, recharge the low-voltage battery via the existing charging device if the energy content of the latter is insufficient.
  • This arrangement is also referred to as a battery cascade.
  • the sole attached figure shows a vehicle indicated in principle with a fuel cell and a cooling circuit with a coolant pump for controlling the temperature of the fuel cell.
  • vehicle 1 In the illustration of the figure is very strongly schematized a vehicle 1 indicated.
  • the vehicle 1 is to be driven by electric drive power, which
  • the fuel cell 2 should be designed as a so-called fuel cell stack or fuel cell stack, preferably in PEM technology of the individual cells.
  • the fuel cell 2 is tempered via a cooling circuit 3 during operation, in particular, waste heat is dissipated.
  • the cooling circuit 3 comprises a cooler 4, which is also referred to as an ambient cooler and which dissipates waste heat to the surroundings of the vehicle 1.
  • a coolant pump 5 is provided in the cooling circuit, which is driven by an electric drive motor 6.
  • a bypass 7 is typically provided in such cooling circuits 3, which can be controlled by a bypass valve 8 accordingly. This bypass 7 runs parallel to the radiator 4, so that in the event that the
  • Fuel cell 2 is to be warmed up, the radiator 4 can be bypassed.
  • the temperature of the cooling medium in the fuel cell 2 can be controlled by influencing the flow through the radiator 4 on the one hand and the bypass 7 on the other hand. In addition or as an alternative to this, regulation via the rotational speed of the coolant pump 5 would also be conceivable.
  • the cooling circuit 3 for the fuel cell 2 now deliberately dispensed with an electric heater, which is otherwise common practice. Instead, the heating of the
  • Cooling medium as a start preparation for the fuel cell 2 in that the
  • Coolant pump 5 is operated. Optionally it can do this, as indicated by the dashed Lines is indicated, be provided that the cooling medium in addition to the actual coolant pump 5 and the drive motor 6 flows around the same, so that the entire waste heat generated in the region of the coolant pump 5 and its drive 6 for heating the cooling medium can be used.
  • Fuel cell 2 a battery 9 is also provided, in particular a
  • high-voltage battery which is used for hybridization of the fuel cell 2 in the vehicle 1.
  • a starter battery with low voltage such as 12 V, 24 V or 48 V, would also be conceivable.
  • control unit 10 By means of a control unit 10, various default values are evaluated in order to start the coolant pump 5 or its drive motor 6 as required, as indicated by the control line 11, in order to heat the cooling medium and the fuel cell 2.
  • the bypass valve 8 will typically always be switched so that the radiator 4 is bypassed in the bypass, to provide the smallest possible cooling circuit, the cooling medium has to be warmed up.
  • the default values which are evaluated by the controller 10, typically include in each case a state of charge of the battery 9, the detection of which is indicated accordingly via a charge state sensor 12.
  • a temperature or a temperature value typically include in each case a state of charge of the battery 9, the detection of which is indicated accordingly via a charge state sensor 12.
  • a temperature sensor 13 in the region of the cooling medium is indicated. Additionally or alternatively, a temperature in the environment, in the fuel cell 2 or the like could be detected.
  • a designated 14 block which is to symbolize programming by the user, for example, the programming of a start time for the vehicle 1.
  • the block denoted 15 symbolizes a weather forecast, which can be provided for example by the vehicle manufacturer or other service providers. This will make it possible to estimate to what extent
  • Another box marked 16 indicates that radio signals are being processed and the controller 10 can be supplied. This may be a direct radio contact, for example, with a remote control, or even a radio contact via mobile networks, so as to influence the controller 10, for example via smartphone applications or the like and / or in return to be able to query their corresponding state. This can in particular also with the data of the weather forecast 15 and the programming 14 accordingly
  • controller 10 requests the user depending on the weather forecast 15, possibly to a programming 14. It is conceivable to use a software based decision tree, e.g. in the event of non-response by the user and a corresponding weather forecast for a vehicle that can always be started, by means of a named warm-up or warm-up strategy.
  • On-board measures such as thermal insulation of the relevant parts, can significantly reduce the energy requirement if this greatly delays cooling, and e.g. cooling at night, even at low temperatures, does not take place or only to a small extent, e.g. at -30 ° C reach the relevant parts overnight only -10 ° C.
  • the postheating need e.g. from -10 ° C to - 5 ° C require significantly less energy than that from -30 ° C to -5 ° C.
  • Also advantageous is an embodiment which has the lowest possible mass of components to be heated or kept warm, e.g. However, it may also be useful to envelop the entire or a suitable part of the drive train with a thermal insulation in order to form a large thermal mass, which counteracts the cooling. This would lead to a longer cooling time, but would not worsen the heating of the relevant components in the event of cooling due to a long service life at minus temperatures.
  • a start signal from the controller 10 can be generated to the
  • Coolant pump 5 to start accordingly and thereby warm the cooling medium in the cooling circuit 3.
  • the fuel cell 2 is ultimately heated, for example, to a temperature value of more than -5 ° C, so that a faster and gentler start of the fuel cell 2 is possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Startvorbereitung einer durch einen Kühlkreislauf (3) mit einer Kühlmittelpumpe (5) temperierten Brennstoffzelle (2), wobei bei Bedarf das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf (3) durch einen Betrieb der Kühlmittelpumpe (5) aufgeheizt wird, wozu der Kühlmittelpumpe (5) Leistung aus einer Batterie (9) zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (5) zum Aufheizen des Kühlmediums über eine Steuerung (10) gestartet wird, welche zur Generierung eines Startsignals wenigstens eine der nachfolgenden Vorgaben auswertet: - eine Programmierung (14) durch den Nutzer; - wenigstens einen Temperaturwert (Temperatursensor 13) der Umgebung und/oder des Kühlmediums; - Daten einer Wettervorhersage (15); - per Funk (16) übermittelte Vorgaben; und/oder - einen Ladezustand (Ladezustandssensor 12) der Batterie (9) zum Betrieb der Kühlmittelpumpe.

Description

Verfahren zur Startvorbereitung einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Startvorbereitung einer Brennstoffzelle.
Der Einsatz von Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Da Kraftfahrzeuge häufig sehr unterschiedlichen
Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, kommt es bei derartigen Brennstoffzellen, welche zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sehr häufig zu der Notwendigkeit, die Brennstoffzelle bei Temperaturen, teilweise weit unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, zu starten. So ist bei heutigen
Brennstoffzellen beispielsweise ein Start bei Temperaturen von -30° C durchaus möglich. Der Start bedarf jedoch einer gewissen Startzeit, bis die Brennstoffzelle bzw. das mit ihr verbundene Brennstoffzellensystem sich ausreichend erwärmt hat. Die hierdurch auftretenden Wartezeiten sind bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen höchst
unerwünscht und stellen für die Nutzer derartiger Fahrzeuge einen erheblichen Nachteil dar.
Aus diesem Grund werden verschiedene Strategien angewandt, um die Brennstoffzelle, typischerweise über das sie temperierende Kühlmedium, schnellstmöglich aufzuheizen, wenn die Brennstoffzelle bzw. das typischerweise mit ihr ausgestattete Fahrzeug gestartet werden soll. So sind beispielsweise elektrische Heizer im Kühlkreislauf der Brennstoffzelle allgemein bekannt und üblich. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die US 2006/0147772 A1 verwiesen. In dieser Schrift sind verschiedene Szenarien zum Aufheizen einer Brennstoffzelle erläutert und dargestellt. Einige dieser Szenarien nutzen dabei eine elektrische Heizeinrichtung, welche jedoch entsprechend aufwändig, teuer, platz- und leistungsintensiv ist. Eine Alternative in der genannten US-Schrift ist die Aufheizung über die Kühlmedienpumpe, welche die von ihr unweigerlich erzeugte Verlustwärme an das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle abgibt und dieses hierdurch erwärmt. Die vergleichsweise geringen Verlustleistung und die ohnehin eher geringen Leistungsaufnahme einer derartigen Kühlmittelpumpe von beispielsweise weniger als 1 kW bei einer Brennstoffzelle zum Antreiben eines Personenkraftwagens, ist in diesem Zusammenhang jedoch sehr nachteilig, da eine sehr lange Zeit zum Aufheizen des Kühlmediums benötigt wird, was aus den oben beschriebenen Gründen einen erheblichen Nachteil darstellt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Startvorbereitung einer Brennstoffzelle, welche über ein Kühlmedium in einem
Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe temperiert wird, anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so, dass die Zeit, welche benötigt wird, um den Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle auf eine ausreichend hohe Temperatur für einen schnellen Start der Brennstoffzelle zu temperieren, bewusst in Kauf genommen wird. Um die Nachteile für den Benutzer hierdurch zu minimieren, erfolgt der Start der
Kühlmittelpumpe zum Aufheizen des Kühlmediums anhand entsprechender
Vorgabewerte unabhängig vom eigentlichen Start der Brennstoffzelle oder zumindest eine ausreichend lange Zeit vor einem solchen geplanten Start. Hierfür wird die
Kühlmittelpumpe erfindungsgemäß über eine Steuerung gestartet, welche ihrerseits zur Generierung des Startsignals wenigstens eine der nachfolgend erläuterten Vorgaben nutzt. Das Startsignal kann in der Steuerung beispielsweise in Abhängigkeit einer Programmierung durch den Nutzer generiert werden. Der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellensystem wird also über diese Programmierung mitgeteilt, wann es für einen Start vorbereitet sein soll. Die Startvorbereitung startet dann, insbesondere in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsparametern, entsprechend soviel früher, dass der Start zum gewünschten Startzeitpunkt schnell und effizient möglich ist.
Ergänzend oder alternativ hierzu kann wenigstens ein Temperaturwert der Umgebung und/oder des Kühlmediums verwendet werden, um ein derartiges Startsignal zu generieren. Ergänzend oder alternativ hierzu sind auch die Daten einer Wettervorhersage, und hier insbesondere Daten über eine Vorhersage des
Temperaturverlaufs, denkbar. Eine weitere ergänzende oder alternative Möglichkeit ist eine per Funk übermittelte Vorgabe. Eine solche Vorgabe kann beispielsweise per Funk, insbesondere über eine Funkfernbedienung oder auch über Mobilfunk bzw. Mobiltelefon oder mobiles Internet an die Steuerung übermittelt werden. Hierdurch kann ein Benutzer beispielsweise eine ausreichende Zeit vor dem eigentlichen gewünschten Start eine Vorwärmung des Systems auslösen. Eine weitere Vorgabe, welche, insbesondere in Kombination mit anderen Vorgaben, berücksichtigt werden kann, ist der Ladezustand der Batterie zum Betreiben der Kühlmittelpumpe. Dieser ist selbstverständlich entscheidend um festzustellen, ob die gewünschte Erwärmung überhaupt noch möglich ist. Der Start der Erwärmung wird typischerweise in Abhängigkeit dieses Ladezustands der Batterie, aus welcher die Kühlmittelpumpe betrieben wird, gesteuert, oder, falls der Ladezustand dies nicht hergibt, auch blockiert werden.
Unter einer Batterie im Sinne der Erfindung kann eine Hochvoltbatterie sein, welche zur Hybridisierung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen sehr häufig eingesetzt wird. Eine Batterie im Sinne der Erfindung kann jedoch auch eine Niedervoltbatterie, insbesondere eine Starterbatterie mit einer Nennspannung von 12V, 24V oder 48V, sein. Ebenfalls eine Batterie im Sinne der Erfindung könnte auch eine sogenannte
Batteriekaskade sein. Hierbei würde die Energie primär aus der Niedervoltbatterie genutzt. Sofern der Ladezustand der Niedervoltbatterie nicht mehr ausreicht, könnte diese durch die Hochvoltbatterie nachgeladen werden. Im Sinne der Erfindung wäre auch ein solcher Aufbau aus zwei sich gegenseitig nachladenden Batterien, welche
insbesondere auf unterschiedlichen Spannungsniveaus arbeiten, als„eine Batterie" zu verstehen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Temperaturwert als Vorgabe genutzt wird, und zwar so, dass die Temperatur nie unter einen vorgegebenen Grenzwert abfällt. Man weiß, dass PEM- Brennstoffzellen bei Temperaturen von bis zu in etwa -5° C sehr gut und sehr schnell starten können. Fällt die Temperatur in der Brennstoffzelle unter diesen Wert, dann wird der Start entsprechend zeitaufwändiger und belastet das Gesamtsystem energetisch deutlich mehr. Außerdem haben solche Starts, beispielsweise bei Temperaturen von -20° C oder -30° C negative Auswirkungen auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle. Alles in allem wird durch die oben beschriebene besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens also ein erheblicher Vorteil dadurch erzielt, dass, wann immer die Ladung der Batterie dies zulässt, über die Kühlmittelpumpe die Temperatur des Kühlmediums angehoben wird, wenn diese unter einen Vorgabewert von
beispielsweise -5° C abfällt. Das System wird also bei sehr kalten
Umgebungsbedingungen„warm" gehalten, um zu verhindern, dass sich Temperaturen von weniger als -5° C im Bereich der Brennstoffzelle einstellen.
Die Aufheizenergie für die Brennstoffzelle inklusive dem relevanten Teil ihres
Kühlkreislaufs, für einen Hub von -30° C auf minus -5° C kann mit in etwa 400 Wh abgeschätzt werden. Unter der Annahme, dass die gesamte Energie einer 800 W
Kühlmittelpumpe letztlich in Wärme umgewandelt wird, müsste die Kühlmittelpumpe also für ca. eine halbe Stunde betrieben werden, um die entsprechende Erwärmung zu realisieren. Der dafür benötigte elektrische Leistungsbedarf würde bei den
angesprochenen 400 Wh liegen. Eine solche Erwärmung wäre also bei den aktuell üblichen Batteriekapazitäten mehrmals denkbar. Wird über eine entsprechende intelligente Steuerung bei einem Abfallen des Temperaturwerts anhand des
Temperaturwerts oder seines Gradienten festgestellt, dass die Temperatur unter den vorgegebenen Grenzwert abfällt, kann die Kühlmittelpumpe entsprechend früher gestartet werden, um so das System warm zu halten, ohne jedes mal den oben beschriebenen Temperaturhub von 25 K bewältigen zu müssen. Mit vergleichsweise wenig elektrischer Leistung kann das System also über einen längeren Zeitraum, beispielsweise eine Nacht bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, in denen ein Fahrzeug mit der
Brennstoffzelle abgestellt ist, warm gehalten werden. Durch ein solches Warmhalten der Brennstoffzelle über die Kühlmittelpumpe als einzige Heizeinrichtung kann also sehr einfach und unter Verzicht auf eine zusätzliche Heizeinrichtung wie beispielsweise einen elektrischen Heizer, eine sehr vorteilhafte Startvorbereitung durch ein Warmhalten des Systems realisiert werden.
Ergänzend oder alternativ hierzu kann bei einer Programmierung durch den Nutzer der Brennstoffzelle insbesondere die gewünschte Startzeit für das Starten der
Brennstoffzelle, beispielsweise für das Losfahren eines mit der Brennstoffzelle
ausgestatteten Fahrzeugs, programmiert werden. In Abhängigkeit der Temperatur in der Umgebung und/oder im Kühlmedium kann dann ein zeitlicher Beginn für das Aufheizen ermittelt werden, und zwar so, dass zur programmierten Startzeit ein vorgegebener Grenzwert für die Temperatur erzielt wird. Entsprechend der oben aufgeführten Beispielrechnung kann also die notwendige Energiemenge, welche zum Erzielen des notwendigen Temperaturhubs in das Kühlmedium eingetragen werden muss, ermittelt werden. Je nach Verlustleistung in der Kühlmittelpumpe, welche beispielsweise als Erfahrungs-, Messwert oder über ein Kennfeld hinterlegt werden kann, kann dann der zeitliche Beginn der Aufheizung festgelegt werden, sodass zum gewünschten
Startzeitpunkt die entsprechende Temperatur erreicht worden ist. Selbstredend ist dabei bei einer zum erwarteten zeitlichen Beginn des Aufheizens gemessenen Temperatur oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts für die Temperatur zum Startzeitpunkt, keine Aufheizung notwendig und wird dementsprechend auch nicht durchgeführt, auch wenn eine entsprechende Programmierung für die Startzeit vorliegt.
Wie bereits erwähnt liegt ein geeigneter Grenzwert für die Temperatur in der
Größenordnung zwischen -15° C und 0° C, bevorzugt bei in etwa -5° C, da bei diesen Temperaturen PEM-Brennstoffzellen ohne nennenswerte Nachteile hinsichtlich der Lebensdauer sehr schnell und effizient gestartet werden können.
Als weitere Möglichkeit, Temperaturwerte zu berücksichtigen, können auch Daten einer Wettervorhersage verwendet werden, welche beispielsweise für den nächsten gewünschten oder erwarteten Startzeitpunkt entsprechende Temperaturen vorhersagen. Liegen diese unterhalb des Temperaturgrenzwerts, kann eine entsprechende Erwärmung vorgenommen, und/oder der Nutzer zu einer Programmierung aufgefordert werden.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass eine Programmierung durch den Nutzer oder eine durch Funk übermittelte Vorgabe Vorrang haben. Eine Temperatursteuerung wie beispielsweise das oben beschriebene Warmhalten des Systems ist trotz allem vergleichsweise
energieintensiv. Wenn eine entsprechende Programmierung durch den Nutzer vorliegt oder eine entsprechende Vorgabe durch Funk übermittelt worden ist, welche
beispielsweise einen Startzeitpunkt am nächsten Morgen um 7 Uhr angibt, dann kann dieser Vorgabe entsprechend Vorrang eingeräumt werden, sodass beispielsweise bei einem Abfallen der Temperaturen in der Nacht kein Warmhalten der Brennstoffzelle im oben beschriebenen Sinne erfolgt, sondern entsprechend abgewartet wird, um dass System dann zielgenau auf die programmierte Startzeit aufzuwärmen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass, wenn der Ladezustand der Batterie unter einen
vorgegebenen Grenzwert fällt, keine Aufheizung erfolgt. Über eine solche idealerweise mit Vorrang gegenüber allen anderen Vorgaben programmierte Abfrage des
Ladezustands der Batterie wird sichergestellt, dass durch das Aufheizen kein Zustand herbeigeführt wird, in dem, aufgrund einer vollständig entladenen Batterie, die
Brennstoffzelle bzw. das mit ihr ausgerüstete Fahrzeug überhaut nicht mehr starten kann. Die Abfrage stellt also sicher, dass ein Start in jedem Fall möglich ist, auch wenn er dann gegebenenfalls länger dauert.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass, wenn der Ladezustand der Batterie unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, die Brennstoffzelle zum Nachladen der Batterie nach dem Aufheizen gestartet wird. Bei dieser alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird, insbesondere bei einem Warmhalten der Brennstoffzelle, die
Brennstoffzelle unterhalb eines vorgegebenen Ladezustands der Batterie nach einer erfolgten Aufwärmung kurzzeitig gestartet, um die Batterie nachzuladen und so ausreichende Energie für das weitere Warmhalten und/oder spätere Starten der
Brennstoffzelle vorhalten zu können.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorsehen, dass über das Kühlmedium der Antrieb der Kühlmittelpumpe gekühlt wird. Über eine solche Kühlung des Antriebsmotors der Kühlmittelpumpe über das Kühlmedium, also ein Umströmen der gesamten -idealerweise zusammen mit ihrem Antrieb gekapselten- Kühlmittelpumpe durch das Kühlmedium, kann erreicht werden, dass nicht nur die Verlustleistung beim Umpumpen des Kühlmediums selbst zur
Aufheizung des Kühlmediums genutzt werden kann, sondern auch diejenige des
Antriebsmotors der Kühlmittelpumpe. Hierdurch wird die im Bereich der Kühlmittelpumpe und ihres Antriebs eingetragene Leistung noch besser genutzt, um das Kühlmedium aufzuwärmen.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle beim Abstellen nicht getrocknet wird. Bei herkömmlichen Betriebsverfahren für Brennstoffzellen ist es allgemein bekannt und üblich, dass diese beim Abstellen entsprechend getrocknet werden, um ideale Voraussetzungen für einen Wiederstart zu schaffen. Dem Erfinder hat sich nun gezeigt, dass eben dieses Trocknen, insbesondere wenn es sich dabei um ein sehr starkes Austrocknen der Brennstoffzelle handelt, mit einem deutlichen
Lebensdauerverlust der Brennstoffzelle einhergeht. Dieser steht in keinem Verhältnis zur zusätzlichen benötigten Energie beispielsweise für ein Warmhalten des Kühlmediums der Brennstoffzelle durch einen immer wieder auftretenden Betrieb der Kühlmittelpumpe, wenn das Brennstoffzellensystem sich im Stillstand befindet und die Temperaturen unterhalb von kritischen Temperaturwerten liegen. In diesem Fall wird die Brennstoffzelle faktisch„warm" gehalten, um so schnell und effizient starten zu können, auch wenn die Brennstoffzelle zuvor beim eigentlichen Abstellen nicht oder nicht übermäßig stark getrocknet worden ist. Die besondere Möglichkeit, die Startfähigkeit der Brennstoffzelle sehr gut sicherzustellen, ermöglicht also im Gegenzug einen Verzicht auf ein Trocknen bzw. starkes Austrocknen der Brennstoffzelle, wie es beispielsweise durch ein
Laufenlassen der Luftversorgungseinrichtung zum Trocknen für einen Zeitraum von einer oder mehren Minuten erzielt wird. Durch den Verzicht wird einerseits die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert und andererseits beim Abstellen das Verfahren einfacher und schneller und insbesondere energieeffizienter. Im Gegenzug wird etwas mehr Energie benötigt, um bei kritischen Temperaturen das Kühlmedium der Brennstoffzelle durch den Betrieb der Kühlmittelpumpe warm zu halten. Dies überwiegt jedoch die Nachteile, welche durch ein zu starkes Austrocknen erzielt werden, energetisch und insbesondere wirtschaftlich bei weitem.
Grundlegend ist zur Versorgung der Kühlmittelpumpe zum Aufheizen des Kühlmediums der Brennstoffzelle ein Betrieb aus annähernd jeder Batterie denkbar. So kann
beispielsweise eine 12 V, 24 V oder 48 V Starterbatterie (Niedervoltbatterie) eingesetzt werden. Um über einen längeren Zeitraum hinweg das System warm zu halten, ist jedoch ein nicht unerheblicher Energieaufwand notwendig. Dieser kann insbesondere sehr einfach und effizient aus einer sogenannten Hochvoltbatterie gedeckt werden, welche typischerweise als Hybridisierungsbatterie parallel zu einem Brennstoffzellensystem in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ohnehin verbaut ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dementsprechend vorgesehen, dass als Batterie eine Hochvoltbatterie zur Hybridisierung eines die Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellensystems verwendet wird, um die Kühlmittelpumpe bei Bedarf zur Erwärmung des Kühlmediums zu betreiben. Sollten die Kühlwasserpumpen über eine Niedervoltbatterie betrieben werden, kann eine eventuell vorhandene Hochvolt- batterie bei Bedarf die Niedervoltbatterie über die vorhandene Ladeeinrichtung nachladen, sollte der Energieinhalt der Letzteren nicht ausreichen. Diese Anordnung wird auch als Batteriekaskade bezeichnet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einem Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe zur Temperierung der Brennstoffzelle.
In der Darstellung der Figur ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet. Das Fahrzeug 1 soll mit elektrischer Antriebsleistung angetrieben werden, welche
insbesondere in einer Brennstoffzelle 2 erzeugt wird. Die Brennstoffzelle 2 soll dabei als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack ausgebildet sein, vorzugsweise in PEM-Technologie der Einzelzellen. Wie es allgemein bekannt und üblich ist, wird die Brennstoffzelle 2 über einen Kühlkreislauf 3 im Betrieb temperiert, insbesondere wird anfallende Abwärme abgeführt. Der Kühlkreislauf 3 umfasst hierfür einen Kühler 4, welcher auch als Umgebungskühler bezeichnet wird und die Abwärme an die Umgebung des Fahrzeugs 1 abführt. Außerdem ist eine Kühlmittelpumpe 5 in dem Kühlkreislauf vorgesehen, welche über einen elektrischen Antriebsmotor 6 angetrieben wird. Zusätzlich ist typischerweise bei derartigen Kühlkreisläufen 3 ein Bypass 7 vorgesehen, welcher über ein Bypassventil 8 entsprechend angesteuert werden kann. Dieser Bypass 7 verläuft parallel zum Kühler 4, sodass für den Fall, dass die
Brennstoffzelle 2 aufgewärmt werden soll, der Kühler 4 umgangen werden kann.
Außerdem kann durch eine Beeinflussung der Durchströmung des Kühlers 4 einerseits und des Bypass 7 andererseits die Temperatur des Kühlmediums in der Brennstoffzelle 2 geregelt werden. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Regelung über die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 5 denkbar.
Der Kühlkreislauf 3 für die Brennstoffzelle 2 verzichtet nun bewusst auf einen elektrischen Heizer, welcher sonst häufig üblich ist. Stattdessen erfolgt die Aufheizung des
Kühlmediums als Startvorbereitung für die Brennstoffzelle 2 dadurch, dass die
Kühlmittelpumpe 5 betrieben wird. Optional kann es dabei, wie es durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, vorgesehen sein, dass das Kühlmedium zusätzlich zur eigentlichen Kühlmittelpumpe 5 auch den Antriebsmotor 6 desselben umströmt, sodass die gesamte im Bereich der Kühlmittelpumpe 5 und ihres Antriebs 6 entstehende Abwärme zur Aufheizung des Kühlmediums eingesetzt werden kann.
Zum Betrieb der Kühlmittelpumpe 5 bzw. ihres Antriebs 6 unabhängig von der
Brennstoffzelle 2 ist außerdem eine Batterie 9 vorgesehen, insbesondere eine
sogenannte Hochvoltbatterie, welche zur Hybridisierung der Brennstoffzelle 2 in dem Fahrzeug 1 dient. Eine Starterbatterie mit niedriger Spannung, beispielsweise 12 V, 24 V oder 48 V, wäre jedoch ebenso denkbar.
Über ein Steuergerät 10 werden nun verschiedene Vorgabewerte ausgewertet, um bei Bedarf, wie es über die Steuerleitung 11 angedeutet ist, die Kühlmittelpumpe 5 bzw. ihren Antriebsmotor 6 entsprechend zu starten, um das Kühlmedium und die Brennstoffzelle 2 aufzuwärmen. In dieser Situation wird das Bypassventil 8 typischerweise immer so geschaltet sein, dass der Kühler 4 im Bypass umgangen wird, um einen möglichst kleinen Kühlkreislauf zu schaffen, dessen Kühlmedium aufgewärmt werden muss.
Die Vorgabewerte, welche von der Steuerung 10 ausgewertet werden, umfassen typischerweise in jedem Fall einen Ladezustand der Batterie 9, dessen Erfassung über einen Ladezustandssensor 12 entsprechend angedeutet ist. Außerdem wird in den allermeisten Fällen sicherlich auch eine Temperatur bzw. ein Temperaturwert
berücksichtigt. Hierfür ist ein Temperatursensor 13 im Bereich des Kühlmediums angedeutet. Ergänzend oder alternativ hierzu könnte auch eine Temperatur in der Umgebung, in der Brennstoffzelle 2 oder dergleichen, erfasst werden.
In Verbindung mit der Steuerung 10 sind außerdem weitere Blöcke dargestellt, beispielsweise ein mit 14 bezeichneter Block, welcher eine Programmierung durch den Nutzer, beispielsweise das Einprogrammieren einer Startzeit für das Fahrzeug 1 , symbolisieren soll. Der mit 15 bezeichnete Block symbolisiert eine Wettervorhersage, welche beispielsweise durch den Fahrzeughersteller oder andere Dienstleister bereitgestellt werden kann. Hierdurch wird es möglich abzuschätzen, inwieweit
Temperaturen sich so entwickeln, dass ein Aufheizen der Brennstoffzelle notwendig ist, und dass eine entsprechende Uhrzeit abgeschätzt werden kann, ab wann dies notwendig sein wird. Eine weitere mit 16 bezeichnete Box deutet an, dass Funksignale verarbeitet und der Steuerung 10 zugeführt werden können. Hierbei kann es sich um einen direkten Funkkontakt beispielsweise mit einer Fernbedienung handeln, oder auch um einen Funkkontakt über Mobilfunknetze, um so beispielsweise über Smartphone-Applikationen oder dergleichen die Steuerung 10 beeinflussen zu können und/oder im Gegenzug ihren entsprechenden Zustand abfragen zu können. Dies kann insbesondere auch mit den Daten der Wettervorhersage 15 und der Programmierung 14 entsprechend
zusammenwirken. Beispielsweise in der Art, dass die Steuerung 10 den Nutzer in Abhängigkeit der Wettervorhersage 15, gegebenenfalls zu einer Programmierung 14 auffordert. Es ist vorstellbar, einen Software basierten Entscheidungsbaum zu nutzen, um z.B. bei Nichtrückmeldung des Nutzers und einer entsprechenden Wettervorhersage für ein immer startbares Fahrzeug durch benannte Erwarmungs- bzw. Warmhaltestrategie zu sorgen.
Fahrzeugseitige Maßnahmen, wie eine thermische Isolierung der maßgeblichen Teile, können den Energiebedarf deutlich reduzieren, wenn dadurch eine Auskühlung stark verzögert wird, und z.B. eine Auskühlung über Nacht selbst bei tiefen Temperaturen nicht oder nur in geringem Umfang stattfindet, also z.B. bei -30°C die maßgeblichen Teilen über Nacht nur -10°C erreichen. Somit würde der Nachwärm-Bedarf, z.B. von -10°C auf - 5°C wesentlich weniger Energie erfordern, als der von -30°C auf -5°C. Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, die eine möglichst geringe Masse an aufzuheizenden oder warm zu haltenden Komponenten aufweist, z.B. durch möglichst kurze Kühlwasserleitungen zwischen den Komponenten 2, 8, 5. Es kann aber auch sinnvoll sein, den gesamten oder einen geeigneten Teil des Antriebsstrangs mit einer thermischen Isolierung einzuhüllen, um damit eine große thermische Masse zu bilden, die der Auskühlung entgegen wirkt. Das würde zu einer längeren Auskühlzeit führen, aber die Aufheizung der maßgeblichen Komponenten im Falle einer Auskühlung wegen langer Standzeit bei Minustemperaturen nicht verschlechtern.
Aus einem oder mehren dieser Vorgabewerte, welche durch die Sensoren 12, 13 bzw. die Boxen 14, 15, 16 entsprechend angedeutet sind, kann gemäß der eingangs geschilderten Art und Weise ein Startsignal von der Steuerung 10 generiert werden, um die
Kühlmittelpumpe 5 entsprechend zu starten und hierdurch das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 3 aufzuwärmen. Hierdurch wird letztlich auch die Brennstoffzelle 2 erwärmt, beispielsweise auf einen Temperaturwert von mehr als -5° C, sodass ein schneller und schonender Start der Brennstoffzelle 2 möglich ist.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Startvorbereitung einer durch einen Kühlkreislauf (3) mit einer Kühlmittelpumpe (5) temperierten Brennstoffzelle
(2), wobei bei Bedarf das
Kühlmedium in dem Kühlkreislauf
(3) durch einen Betrieb der Kühlmittelpumpe (5) aufgeheizt wird, wozu der Kühlmittelpumpe (5) Leistung aus einer Batterie (9) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlmittelpumpe (5) zum Aufheizen des Kühlmediums über eine Steuerung (10) gestartet wird, welche zur Generierung eines Startsignals wenigstens eine der nachfolgenden Vorgaben auswertet:
- eine Programmierung (14) durch den Nutzer;
- wenigstens einen Temperaturwert (Temperatursensor 13) der Umgebung und/oder des Kühlmediums;
- Daten einer Wettervorhersage (15);
- per Funk (16) übermittelte Vorgaben; und/oder
- einen Ladezustand (Ladezustandssensor 12) der Batterie (9) zum Betrieb der Kühlmittelpumpe.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Temperaturwert als Vorgabe genutzt wird, und zwar so, dass die Temperatur nie unter einen vorgegeben Grenzwert abfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Programmierung die gewünschte Startzeit für das Starten der
Brennstoffzelle (2) programmiert wird, wobei in Abhängigkeit der Temperatur ein zeitlicher Beginn für das Aufheizen ermittelt wird, und zwar so, dass zur programmierten Startzeit ein vorgegebener Grenzwert für die Temperatur erzielt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grenzwert der Temperatur zwischen -15° C und 0° C, bevorzugt bei etwa -5° C, vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Programmierung (14) durch den Nutzer oder eine durch Funk (16) übermittelte Vorgabe Vorrang haben.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenn der Ladezustand der Batterie (9) unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, keine Aufheizung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenn der Ladezustand der Batterie (9) unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, die Brennstoffzelle (2) zum Nachladen der Batterie (9) nach dem Aufheizen gestartet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
über das Kühlmedium der Antrieb (6) der Kühlmittelpumpe (5) gekühlt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffzelle (2) beim Abstellen nicht getrocknet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass als Batterie (9) eine Hochvoltbatterie (9) zur Hybridisierung eines die Brennstoffzelle (2) umfassenden Brennstoffzellensystems verwendet wird.
PCT/EP2015/001273 2014-07-11 2015-06-24 Verfahren zur startvorbereitung einer brennstoffzelle WO2016005029A1 (de)

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