WO2020025292A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents

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WO2020025292A1
WO2020025292A1 PCT/EP2019/068805 EP2019068805W WO2020025292A1 WO 2020025292 A1 WO2020025292 A1 WO 2020025292A1 EP 2019068805 W EP2019068805 W EP 2019068805W WO 2020025292 A1 WO2020025292 A1 WO 2020025292A1
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fuel cell
cooling medium
flow direction
temperature
cell stack
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Mirjam GRIMM
Mark Hellmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell stack with an anode side and a cathode side, through which an air flow flows and which is cooled by a cooling medium, and to an apparatus for carrying out the method.
  • Fuel cells in particular PEM fuel cells, represent an alternative drive option for a C02-free energy industry, are distinguished by their relatively low operating temperature and appear for mobile devices
  • the membrane of the PEM fuel cell is
  • the proton conductivity strongly depends on the membrane moisture.
  • the highest possible membrane moisture is essential for stable operation of the fuel cell. An accumulation of liquid water can, however, clog channels in a fuel cell and lead to local poverty of reactants.
  • Operating temperatures between 80 ° C and 300 ° C is called a system that includes at least one stack and possibly a cooling system with cooling medium.
  • the waste heat from the stack is used at least for the evaporation and / or preheating of a process medium.
  • Direct current are carried.
  • direct current means that the cooling medium is conducted in direct current with the process medium or processes. After the cold start, a temperature profile in the stack that is as uniform as possible is obtained by switching to countercurrent.
  • DE 10 2007 034 300 Al relates to an additional coolant system for a fuel cell stack system.
  • This includes a reversible coolant pump, a control valve and pipes.
  • the pump enables the coolant flow direction to be reversed in the fuel cell stack system.
  • Auxiliary coolant system is arranged parallel to a primary coolant system and is connected to the primary coolant system via valves.
  • Auxiliary coolant system is used to control the temperature difference between the inlet and the outlet to the stack, the
  • Stack operating temperature is between 50 ° C and 80 ° C.
  • Flow switching cycle time of the fuel cell stack is determined by the
  • DE 11 2014 003 055 T5 discloses an integrated gas management device for a fuel cell system, which has a gas-to-gas humidifier for the transfer of water from a second gas to a first gas, one
  • a first gas inlet opening and a second gas inlet opening can be connected to one another on the heat exchanger
  • Coolant connection piece at opposite ends of the
  • Heat exchanger can be arranged so that the coolant
  • Coolant passage flows in countercurrent or in cocurrent with the first gas.
  • Proposed fuel cell system with at least one fuel cell stack, with an anode side and a cathode side, through which an air flow flows and through which a cooling medium flows, with at least the following method steps: a) cooling the at least one fuel cell stack by a cooling medium, which is in a first flow direction flows,
  • Cooling medium by switching two valves or reversing the pumping direction of the cooling medium.
  • the temperature rise of the cooling medium within the at least one fuel cell stack can be changed for the best possible by switching the flow direction
  • Humidification can be used. Following the method proposed according to the invention, the cooling medium flows in the first flow direction through the at least one fuel cell stack in cocurrent with respect to the air flow, while in the second flow direction the cooling medium flows through the at least one
  • Cooling medium through the at least one fuel cell stack when reaching a first temperature value of the cooling medium. Switching to the second flow direction of the cooling medium through the at least one fuel cell stack takes place when a second temperature value of the cooling medium is reached when it enters the at least one fuel cell stack.
  • Temperature value is approximately 80 ° C as the coolant temperature.
  • Counter-current operation in the first direction of flow, the direct-current operation, elapses a minimum time period At min .
  • the method proposed according to the invention can be used for both
  • Fuel cell systems with large heat capacity are used, as well as in fuel cell systems with a relatively small heat capacity.
  • the cooling medium switches to the second when a second temperature value is reached
  • Fuel systems with a small heat capacity are switched over from the first flow direction, the direct current, into the second flow direction, the counterflow, and vice versa at the same temperature values, with a minimum time period At min between the individual changeover processes so that the cooling medium flows through the cooler and can be cooled there.
  • the method proposed according to the invention can be used for both
  • the relative humidity f can either be measured with a sensor, or by means of a model for water management in a control unit, which a
  • Cathode outlet moisture is calculated, determined.
  • the invention also relates to a device for cooling the at least one fuel cell stack of a fuel cell system with large or small heat capacity according to the preceding method, wherein the at least one fuel cell stack of the fuel cell system is integrated into a cooling circuit in which a delivery unit is included
  • Conveying direction reversal is included, or a first valve and a second valve are present, with which a first flow direction of the
  • Cooling medium can be represented in countercurrent.
  • the present invention relates to the use of the method proposed according to the invention as an operating strategy for switching flow directions of a cooling medium in at least one fuel cell stack of a fuel cell system.
  • the operating strategy proposed according to the invention ensures that the membranes are moistened as well as possible in a fuel cell system, be it a fuel cell system with a large heat capacity or a fuel cell system with a small heat capacity.
  • the uniformly good humidification is due to a high relative humidity on both the
  • the flow direction of the cooling medium can be varied. Depending on the operating point, the cooling medium flows either in cocurrent or in countercurrent, relative to the air flow on the cathode side of the at least one fuel cell stack. By switching the respective flow direction of the cooling medium, the temperature rise of the cooling medium within the at least one fuel cell stack can be used to achieve the best possible humidity.
  • either the conveying direction of the delivery unit connected to a cooling circuit can be reversed, or the flow direction of the cooling medium through the at least one
  • Fuel cell stacks can be changed via valves.
  • DC operation can be realized, in particular at low temperatures which are below 80 ° C, for example at a coolant temperature of about 70 ° C.
  • the moisture profiles are on the anode side and the cathode side in the case of a cooling medium
  • the cooling medium which flows in counterflow, has an evenly distributed and predominantly higher relative humidity in the at least one Fuel cell stack before.
  • the countercurrent operation of the cooling medium is thus advantageously carried out at operating temperatures of over 80 ° C.
  • Fuel cell system with a large heat capacity prevents constant switching processes from occurring in relation to the flow direction of the cooling medium due to small temperature fluctuations.
  • Heat capacity can switch the flow direction of the
  • Cooling medium also depending on the relative humidity f am
  • the cathode outlet can be regulated as an alternative to the temperature of the cooling medium.
  • Either the relative humidity f can be measured with a sensor or the relative humidity f can be measured using a model for the
  • Figure 1 shows a coolant circuit with a fuel cell stack
  • Cooling medium flows in countercurrent or cocurrent, which is done by switching the conveying direction of a delivery unit for the cooling medium
  • Figure 2 shows another cooling circuit in which a first valve and a second
  • Valve are integrated, which serve to switch the pump direction.
  • FIGS 6.1, 6.2 and 6.3 an operating strategy for switching the
  • FIG. 1 shows a cooling medium circuit with a delivery unit, the delivery direction of which is reversible.
  • the circuit of the cooling medium shown in FIG. 1 comprises, in addition to the delivery unit 20 and the fuel cell stack 10, a cooler 18.
  • the fact that the delivery unit 20 is reversible with respect to its delivery direction enables a first flow direction 22 of the cooling medium to be represented, and also a second one Flow direction 24.
  • first flow direction 22 of the cooling medium to be represented, and also a second one Flow direction 24.
  • Flow direction 22 flows the cooling medium in relation to the air flow 16 in cocurrent, i.e. parallel to the air flow 16 through the fuel cells of the at least one fuel cell stack 10 on a cooling medium side 14. In the second flow direction 24 of the cooling medium, this flows in the
  • Cooling medium outlet 15 represents the inlet for the cooling medium which flows in counterflow, i.e. passes the fuel cell stack 10 in the second flow direction 24.
  • FIG. 2 an alternative embodiment variant of a cooling medium circuit is shown.
  • the second flow direction 24, i.e. the counterflow is represented by a first valve 26 and a second valve 28.
  • the two valves 26 and 28 are advantageously designed as three-way valves.
  • a first line 30 and a second line 32 are connected to the third connection points of the first valve 26 and the second valve 28, via which the two in this embodiment variant
  • Flow directions 22 and 24 can be shown with appropriate actuation of the valves 26 and 28.
  • the tube lengths between the fuel cell stack 10 and the valves 26 and 28 are very short.
  • Fuel cell stack 10 Air flows on the cathode side 12 in a positive X- Direction. The hydrogen supply on the anode side takes place in the
  • Fuel cells of the fuel cell stack 10 are heated by 10 K and thereby assume an exit temperature of 80 ° C. Furthermore, it is assumed that the temperature of the gases on the anode side and on the cathode side 12 reach the temperature of the cooling medium after 10% of the length of the fuel cells and follow the temperature of the cooling medium during the remaining flow-through length of the fuel cells of the fuel cell stack 10.
  • FIG. 3 shows moisture profiles 34 at an inlet temperature of the cooling medium of 70 ° C. and an outlet temperature of the cooling medium of 80 ° C. 3, a curve 44 of the relative humidity f is plotted over a curve 46 of the normalized cell length X.
  • Inlet temperature of 70 ° C of the cooling medium corresponds to a first one
  • Inlet temperature value of 70 ° C increases the relative humidity f on the
  • Cathode side 12 cooling medium in direct current.
  • Moisture profiles on the anode side are shown with reference number 36 for direct current and with reference number 40 for countercurrent. From Figure 3 it follows that condensation in the case of
  • Direct current operation in the first flow direction 22 (direct current) of the cooling medium at an inlet temperature for the cooling medium of approximately 70 ° C., which is below 80 ° C., condensation of water is reliably avoided.
  • the moisture profiles on the anode side, both for cocurrent and for countercurrent, are not critical, there is no liquid water here; at
  • FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3 show an operating strategy with regard to switching the flow direction for a cooling medium
  • FIG. 5.1 shows a power curve over the time axis
  • FIG. 5.2 shows a temperature curve 94, also plotted over the time axis
  • FIG. 5.3 shows the curve of the relative humidity 44, plotted over the time axis.
  • the normal operating phase 84 follows the warm-up phase 82. According to FIG. 5.1, the performance curve remains the same, and there is also an approximately constant temperature 102 of the coolant during DC operation during the normal operating phase 84.
  • the curve of the relative humidity f identified by reference symbol 106 is 84 during the normal operating phase
  • Position 92 denotes a second power maximum; At the second switchover point 116 according to FIG. 5.3, there is no switchover of the flow direction of the cooling medium. This remains in countercurrent since the cooling medium temperature does not drop below 70 ° C.
  • Flow direction of the cooling medium is switched from the first flow direction 22 (direct current) to the second flow direction 24 (counter current).
  • first flow direction 22 direct current
  • second flow direction 24 counter current
  • Flow direction 24 continues to flow according to temperature profile 104. At the same time, the relative humidity f decreases during the high-load phase 86 according to the course 106.
  • the relative humidity f at the cathode outlet can be increased according to the course 112 and is thus within an optimal operating range 124. Without a switchover process, the relative humidity f at the cathode outlet would drop sharply due to the temperature rise according to the course 104, compare course 109 of the relative humidity without switching the flow direction of the cooling medium.
  • the cooling medium reaches its first temperature value 98, the cooling medium flow is switched from the second flow direction 24 (counterflow) to the first flow direction 22 (direct current) at a second changeover point 116. After the second switching point 116, the
  • the relative humidity f also runs in this operating phase, i.e. after the second switching point 116, within the optimum
  • Heat capacity of the fuel cell system 120 with a time offset At.
  • the relative humidity f depends on the temperature and decreases as the temperature rises.
  • the temperature of the cooling medium reaches 80 ° C, i.e. the second temperature value 100, the flow direction of the
  • Cooling medium switched from the first flow direction 22 (direct current) into the second flow direction 24 (counter current). This reduces the
  • the temperature at the cathode outlet and the relative humidity f increases and then remains within an optimal range. Without switching between
  • Cooling medium In this case, a switch is made from the second flow direction 24 (countercurrent) to the first flow direction 22 (direct current). This avoids that the relative humidity f increases too much on the cathode side 12 and water condenses out. The hysteresis during the changeover prevents a constant changeover of the flow directions 22, 24 due to small temperature fluctuations.
  • the measuring position changes since the entry and exit sides are exchanged with respect to the coolant side 14, compare FIGS. 1 and 2.
  • a minimum period of time At m in waiting until a new switching of the directions of flow 22, may take place 24th
  • the minimum time period At min depends on how long it takes for the cooling medium to reach the fuel cell stack 10 from the cooler 18; this applies to the embodiment variant according to FIG. 1
  • the minimum time period At min is made dependent on how long the cooling medium from the valves 26, 28 to the fuel cell stack 10 takes.
  • the minimum time period At min is required, since otherwise at a first temperature value 98 of 70 ° C. from the second flow direction 24 (counterflow) to the first flow direction 22
  • Temperature value 100 80 ° C.
  • the minimum time period At min prevents the flow directions from switching back immediately. As soon as the cooling medium from cooler 18 flows through the at least one fuel cell stack 10, the temperature decreases significantly.
  • the thermal capacity determines the thermal inertia of the system. At the same load, systems with a larger heat capacity heat up more slowly.
  • the switching time is from circuit the time between the start of the changeover and the time after the switch, back from the heat from the
  • Fuel cell stack 10 can be removed.
  • heating > 5 shutdown
  • Fuel cell systems 122 with a small heat capacity apply at heating ⁇ 5
  • the system needs at least 10s for the 10K temperature difference at full load, i.e. the temperature change rate dT / dt ⁇ 1 K / s, then it is a fuel cell system 120 with a large heat capacity.
  • FIG. 6.1 shows the performance curve of the
  • Fuel cell system 122 with a small heat capacity plotted over the time axis, FIG. 6.2 the temperature curve 94 of the cooling medium, also plotted over the time axis, and FIG. 6.3 the curve 44 of the relative humidity f, also plotted over the time axis.
  • Warm-up phase 82 the normal operating phase 84 and the subsequent high-load phase 86.
  • Fuel cell system 122 with a small heat capacity is approximately constant, while the relative humidity f during the warm-up phase 82 drops sharply due to the temperature rise, see FIG. 6.2, as shown in FIG. 6.3.
  • High-load phase 86 there is a sharp rise in the temperature of the cooling medium and at the first changeover point 114 the flow direction of the cooling medium is switched from the first flow direction 22 (direct current) to the second flow direction 24 (counter current).
  • the temperature profile 104 the temperature of the cooling medium increases sharply.
  • the second flow direction 24 will switch at a second switchover instant 116 (Counterflow) to the first flow direction 22 (direct current) of the
  • Cooling medium switched. Thereafter, a temperature profile 102 of the cooling medium is established, so that the second section 110 of the relative humidity is approximately constant.
  • Fuel cell system 122 with small heat capacity can switch from the first flow direction 22 (direct current) to the second
  • Switching processes pass sufficient time so that the cooling medium flows through the cooler 18 and can be cooled there. This avoids that the switching processes take place at too short time intervals and the cooling medium continues to heat up without the heat being able to be released to the environment or to a medium via the cooler 18.
  • the operating strategy for fuel cell systems 122 with a small heat capacity which is illustrated with reference to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3 for fuel cell systems 120 with a large heat capacity and with the aid of FIGS. 6.1, 6.2 and 6.3, can also be regulated as a function of the relative humidity f at the cathode outlet, instead of the temperature profile of the cooling medium consulted.
  • the relative humidity f can be measured with a sensor or determined by a model for water management in the control unit, which calculates the moisture at the cathode outlet.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system (120, 122) having at least one fuel cell stack (10) having an anode side and a cathode side (12), through which fuel cell stack an air flow (16) flows and a cooling medium flows, comprising at least the following method steps: a) cooling the at least one fuel cell stack (10) by means of a cooling medium, which flows in a first flow direction (22), b) performing method step a) during a heat-up phase (82) and/or a normal operation phase (84) of the fuel cell system (120, 122), c) switching from the first flow direction (22) of the cooling medium to a second flow direction (24) of the cooling medium as soon as the temperature of the cooling medium exceeds a certain limit temperature, d) according to method step c) a reversal of the flow directions (22, 24) of the cooling medium being accomplished by switching two valves (26, 28).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems  Method for operating a fuel cell system
Technisches Gebiet Technical field
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite, der von einer Luftströmung durchströmt und von einem Kühlmedium gekühlt wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The present invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell stack with an anode side and a cathode side, through which an air flow flows and which is cooled by a cooling medium, and to an apparatus for carrying out the method.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen, stellen eine alternative Antriebsmöglichkeit für eine C02-freie Energiewirtschaft dar, zeichnen sich durch ihre relativ niedrige Betriebstemperatur aus und erscheinen für mobile Fuel cells, in particular PEM fuel cells, represent an alternative drive option for a C02-free energy industry, are distinguished by their relatively low operating temperature and appear for mobile devices
Antriebssysteme geeignet. Die Membran der PEM-Brennstoffzelle ist Drive systems suitable. The membrane of the PEM fuel cell is
protonenleitend. Die Protonenleitfähigkeit hängt stark von der Membranfeuchte ab. Eine möglichst hohe Membranfeuchte ist für einen stabilen Betrieb der Brennstoffzelle unabdingbar. Eine Ansammlung von flüssigem Wasser kann allerdings Kanäle in einer Brennstoffzelle verstopfen und so zu einer lokalen Armut von Reaktanten führen. proton-conducting. The proton conductivity strongly depends on the membrane moisture. The highest possible membrane moisture is essential for stable operation of the fuel cell. An accumulation of liquid water can, however, clog channels in a fuel cell and lead to local poverty of reactants.
Bei den innerhalb der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktionen reagiert Reacts to the reactions taking place within the fuel cell
Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Das Wasser entsteht an der Kathode. Durch den Elektroosmotischen Zug wandern neben den Protonen auch Hydrogen with oxygen to water. The water is created at the cathode. The electroosmotic train also moves alongside the protons
Wassermoleküle von der Anodenseite der Brennstoffzelle zu deren Water molecules from the anode side of the fuel cell to its
Kathodenseite. Zusätzlich wird Wasser durch Diffusion durch die PEM- Membranen transportiert. Der Entfeuchtung der Anode ist durch das Design der Brennstoffzelle, insbesondere eine Hydrophobierung, und systemische Cathode side. In addition, water is transported through the PEM membranes by diffusion. The dehumidification of the anode is due to the design of the fuel cell, in particular a hydrophobization, and systemic
Maßnahmen, so zum Beispiel Rezirkulation des Anodengasgemisches, Measures, such as recirculation of the anode gas mixture,
Befeuchtung der Kathodenseite etc. entgegenzuwirken. DE 199 45 715 Al hat eine Direkt- Methanol- Brennstoffzellenanlage und ein Betriebsverfahren zum Gegenstand. Als Brennstoffzellenanlage, die bei Counteract moistening of the cathode side etc. DE 199 45 715 Al relates to a direct methanol fuel cell system and an operating method. As a fuel cell system that at
Betriebstemperaturen zwischen 80°C und 300°C betrieben wird, wird ein System bezeichnet, das zumindest einen Stack und gegebenenfalls ein Kühlsystem mit Kühlmedium umfasst. Die Abwärme des Stacks wird zumindest zur Verdampfung und/oder Vorwärmung eines Prozessmediums benutzt. Zur Erzeugung eines stärkeren Temperaturgradienten kann das Kühlmedium beim Kaltstart im Operating temperatures between 80 ° C and 300 ° C is called a system that includes at least one stack and possibly a cooling system with cooling medium. The waste heat from the stack is used at least for the evaporation and / or preheating of a process medium. To generate a stronger temperature gradient, the cooling medium during cold start in
Gleichstrom geführt werden. Im Gleichstrom bedeutet, dass das Kühlmedium mit dem oder den Prozessmedien im Gleichstrom geführt wird. Anschließend an den Kaltstart wird durch ein Umschalten auf Gegenstrom ein möglichst gleichmäßiges Temperaturprofil im Stack erhalten. Direct current are carried. In direct current means that the cooling medium is conducted in direct current with the process medium or processes. After the cold start, a temperature profile in the stack that is as uniform as possible is obtained by switching to countercurrent.
DE 10 2007 034 300 Al bezieht sich auf ein Zusatzkühlmittelsystem für ein Brennstoffzellenstapelsystem. Dieses umfasst eine reversible Kühlmittelpumpe, ein Steuerventil sowie Rohrleitungen. Die Pumpe ermöglicht die Umkehr der Kühlmittelströmungsrichtung in dem Brennstoffzellenstapelsystem. Das DE 10 2007 034 300 Al relates to an additional coolant system for a fuel cell stack system. This includes a reversible coolant pump, a control valve and pipes. The pump enables the coolant flow direction to be reversed in the fuel cell stack system. The
Zusatzkühlmittelsystem ist parallel zu einem Primärkühlmittelsystem angeordnet und steht über Ventile mit dem Primärkühlmittelsystem in Verbindung. Auxiliary coolant system is arranged parallel to a primary coolant system and is connected to the primary coolant system via valves.
Insbesondere sind Brennstoffzellen des PEM-Typs beschrieben. Es wird auf experimentelle Ergebnisse verwiesen, die zeigen, dass, wenn Kühlmittel ein Gebiet des Stapels in der Nähe des Kühlmitteleinlasses zu stark kühlt, die Stromdichte von dem kalten Abschnitt zu dem warmen Abschnitt getrieben wird. Eine breite Temperaturverteilung in einer Zelle kann dazu führen, dass die Membran in der Hochtemperatur relativ zu trocken ist, während die Membran in der Mitteltemperatur zu feucht ist, wodurch die Haltbarkeit der In particular, fuel cells of the PEM type are described. Reference is made to experimental results which show that when coolant cools too much an area of the stack near the coolant inlet, the current density is driven from the cold section to the warm section. A wide temperature distribution in a cell can lead to the membrane being too dry at high temperature, while the membrane is too moist at medium temperature, which increases the durability of the membrane
Membranelektronenanordnung beeinträchtigt wird. Ein Ventil des Membrane electron arrangement is affected. A valve of the
Zusatzkühlmittelsystems wird dazu verwendet, die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass zum Stapel zu steuern, wobei die Auxiliary coolant system is used to control the temperature difference between the inlet and the outlet to the stack, the
Stapelbetriebstemperatur zwischen 50°C und 80°C liegt. Die Stack operating temperature is between 50 ° C and 80 ° C. The
Strömungsumschalttaktzeit des Brennstoffzellenstapels wird durch die Flow switching cycle time of the fuel cell stack is determined by the
Aufheizanforderung und das Kühlmittelvolumen des Heating request and the coolant volume of the
Brennstoffzellenstapelsystems sowie das Kühlmittelvolumen in dem Fuel cell stack system and the coolant volume in the
Zusatzkühlmittelsystem bestimmt. Die Strömungsumschaltung des Kühlmittels wird insbesondere beim Gefrierstart eingesetzt, um die Stapelhaltbarkeit und einen Schnellstart zu unterstützen. DE 11 2014 003 055 T5 offenbart eine integrierte Gasmanagementvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, die einen Gas-Zu-Gas Befeuchter für den Übertrag von Wasser aus einem zweiten Gas an ein erstes Gas, einen Additional coolant system determined. The flow switch of the coolant is used in particular at the start of freezing in order to support the stack durability and a quick start. DE 11 2014 003 055 T5 discloses an integrated gas management device for a fuel cell system, which has a gas-to-gas humidifier for the transfer of water from a second gas to a first gas, one
Wärmetauscher, der an einem ersten Ende des Befeuchterkerns befestigt ist zum Kühlen des ersten Gases, enthält. Am Wärmetauscher können eine erste Gaseinlassöffnung und eine zweite Gaseinlassöffnung an einander Includes heat exchanger attached to a first end of the humidifier core for cooling the first gas. A first gas inlet opening and a second gas inlet opening can be connected to one another on the heat exchanger
entgegengesetzten Enden angeordnet sein. Alternativ können die opposite ends may be arranged. Alternatively, the
Kühlmittelanschlussstutzen an einander entgegengesetzten Enden des Coolant connection piece at opposite ends of the
Wärmetauschers eingeordnet sein, so dass das Kühlmittel den Heat exchanger can be arranged so that the coolant
Kühlmitteldurchlass im Gegenstrom oder im Gleichstrom mit dem ersten Gas durchströmt. Coolant passage flows in countercurrent or in cocurrent with the first gas.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines According to the invention, a method for operating a
Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel, mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite vorgeschlagen, der von einer Luftströmung durchströmt wird und der von einem Kühlmedium durchströmt wird, mit zumindest den nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Kühlen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels durch ein Kühlmedium, welches in eine erste Strömungsrichtung strömt, Proposed fuel cell system with at least one fuel cell stack, with an anode side and a cathode side, through which an air flow flows and through which a cooling medium flows, with at least the following method steps: a) cooling the at least one fuel cell stack by a cooling medium, which is in a first flow direction flows,
b) Durchführen des Verfahrensschrittes a) während einer Aufwärmphase b) performing process step a) during a warm-up phase
und/oder einer Normalbetriebsphase des Brennstoffzellensystems, c) Umschalten von der ersten Strömungsrichtung des Kühlmediums auf eine zweite Strömungsrichtung des Kühlmediums, sobald ein erster  and / or a normal operating phase of the fuel cell system, c) switching from the first flow direction of the cooling medium to a second flow direction of the cooling medium as soon as a first one
Temperaturwert des Kühlmediums überschritten wird,  Temperature of the cooling medium is exceeded,
d) wobei gemäß Verfahrensschritt c) eine Strömungsrichtungsumkehr des d) whereby according to method step c) a flow direction reversal of the
Kühlmediums durch Schaltung zweier Ventile oder einer Umkehr der Pumprichtung des Kühlmediums erfolgt.  Cooling medium by switching two valves or reversing the pumping direction of the cooling medium.
In vorteilhafter Weise kann erfindungsgemäß durch eine Umschaltung der Strömungsrichtung der Temperaturanstieg des Kühlmediums innerhalb des mindestens einen Brennstoffzellenstapels für eine möglichst optimale Advantageously, according to the invention, the temperature rise of the cooling medium within the at least one fuel cell stack can be changed for the best possible by switching the flow direction
Befeuchtung genutzt werden. Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weiter folgend, durchströmt das Kühlmedium in der ersten Strömungsrichtung den mindestens einen Brennstoffzellenstapel im Gleichstrom in Bezug auf die Luftströmung, während in der zweiten Strömungsrichtung das Kühlmedium den mindestens einen Humidification can be used. Following the method proposed according to the invention, the cooling medium flows in the first flow direction through the at least one fuel cell stack in cocurrent with respect to the air flow, while in the second flow direction the cooling medium flows through the at least one
Brennstoffzellenstapel im Gegenstrom in Bezug auf die Luftströmung Countercurrent fuel cell stack in relation to air flow
durchströmt. flows through.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, erfolgt das This follows the method proposed according to the invention
Umschalten der Strömungsrichtung des Kühlmediums in Abhängigkeit von der relativen Feuchte f am Kathodenaustritt der Kathodenseite des mindestens einen Brennstoffzellenstapels. Switching the flow direction of the cooling medium depending on the relative humidity f at the cathode outlet on the cathode side of the at least one fuel cell stack.
Alternativ kann ein Umschalten auf die erste Strömungsrichtung des Alternatively, switching to the first flow direction of the
Kühlmediums durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel bei Erreichen eines ersten Temperaturwertes des Kühlmediums erfolgen. Ein Umschalten auf die zweite Strömungsrichtung des Kühlmediums durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel erfolgt bei Erreichen eines zweiten Temperaturwertes des Kühlmediums bei Eintritt in den mindestens einen Brennstoffzellenstapel. Cooling medium through the at least one fuel cell stack when reaching a first temperature value of the cooling medium. Switching to the second flow direction of the cooling medium through the at least one fuel cell stack takes place when a second temperature value of the cooling medium is reached when it enters the at least one fuel cell stack.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren beträgt der erste In the method proposed according to the invention, the first is
Temperaturwert ca. 70°C als Kühlmitteltemperatur, während der zweite Temperature value about 70 ° C as the coolant temperature, while the second
Temperaturwert ca. 80°C als Kühlmitteltemperatur beträgt. Temperature value is approximately 80 ° C as the coolant temperature.
Zwischen einem Umschalten von der zweiten Strömungsrichtung, dem Between switching from the second flow direction, the
Gegenstrombetrieb, in die erste Strömungsrichtung, den Gleichstrombetrieb, verstreicht eine Mindestzeitspanne At min. Counter-current operation, in the first direction of flow, the direct-current operation, elapses a minimum time period At min .
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann sowohl bei The method proposed according to the invention can be used for both
Brennstoffzellensystemen mit großer Wärmekapazität angewandt werden, wie auch bei Brennstoffzellensystemen mit relativ kleiner Wärmekapazität. Fuel cell systems with large heat capacity are used, as well as in fuel cell systems with a relatively small heat capacity.
Bei Brennstoffzellensystemen mit großer Wärmekapazität wird bei Erreichen eines zweiten Temperaturwertes durch das Kühlmedium auf die zweite In the case of fuel cell systems with a large heat capacity, the cooling medium switches to the second when a second temperature value is reached
Strömungsrichtung des Kühlmediums, den Gegenstrom, umgeschaltet, während bei Unterschreiten des ersten Temperaturwertes durch das Kühlmedium in die erste Strömungsrichtung des Kühlmediums geschaltet wird. Bei Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens bei Flow direction of the cooling medium, the counterflow, switched, while switching below the first temperature value by the cooling medium in the first flow direction of the cooling medium. When using the method proposed by the invention
Brennstoffsystemen mit kleiner Wärmekapazität erfolgt die Umschaltung von der ersten Strömungsrichtung, dem Gleichstrom, in die zweite Strömungsrichtung, dem Gegenstrom, und umgekehrt bei gleichen Temperaturwerten, wobei zwischen den einzelnen Umschaltvorgängen eine Mindestzeitspanne At min einzuhalten ist, so dass das Kühlmedium durch den Kühler strömt und dort abgekühlt werden kann. Fuel systems with a small heat capacity are switched over from the first flow direction, the direct current, into the second flow direction, the counterflow, and vice versa at the same temperature values, with a minimum time period At min between the individual changeover processes so that the cooling medium flows through the cooler and can be cooled there.
In einer weiteren temperaturunabhängigen Ausführungsvariante des In a further temperature-independent variant of the
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann sowohl bei The method proposed according to the invention can be used for both
Brennstoffzellensystemen mit großer Wärmekapazität als auch bei Fuel cell systems with large heat capacity as well
Brennstoffzellensystemen mit einer relativ kleinen Wärmekapazität der Fuel cell systems with a relatively small heat capacity
Umschaltvorgang der Strömungsrichtungen des Kühlmediums abhängig von der relativen Feuchte f am Kathodenaustritt erfolgen. Die relative Feuchte f kann entweder mit einem Sensor gemessen werden, oder mittels eines Modells für Wassermanagement in einem Steuergerät, welches eine Switching process of the flow directions of the cooling medium depending on the relative humidity f at the cathode outlet. The relative humidity f can either be measured with a sensor, or by means of a model for water management in a control unit, which a
Kathodenaustrittsfeuchte berechnet, bestimmt werden. Cathode outlet moisture is calculated, determined.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Vorrichtung zur Kühlung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems mit großer oder mit kleiner Wärmekapazität gemäß des vorhergehenden Verfahrens, wobei der mindestens eine Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems in einen Kühlkreislauf eingebunden ist, in dem ein Förderaggregat mit The invention also relates to a device for cooling the at least one fuel cell stack of a fuel cell system with large or small heat capacity according to the preceding method, wherein the at least one fuel cell stack of the fuel cell system is integrated into a cooling circuit in which a delivery unit is included
Förderrichtungsumkehr aufgenommen ist, oder ein erstes Ventil und ein zweites Ventil vorhanden sind, mit denen eine erste Strömungsrichtung des Conveying direction reversal is included, or a first valve and a second valve are present, with which a first flow direction of the
Kühlmediums im Gleichstrom oder eine zweite Strömungsrichtung des Cooling medium in direct current or a second flow direction of the
Kühlmediums im Gegenstrom darstellbar sind. Cooling medium can be represented in countercurrent.
Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens als Betriebsstrategie für die Umschaltung von Strömungsrichtungen eines Kühlmediums in mindestens einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems. Vorteile der Erfindung In addition, the present invention relates to the use of the method proposed according to the invention as an operating strategy for switching flow directions of a cooling medium in at least one fuel cell stack of a fuel cell system. Advantages of the invention
Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegen vor allem darin, dass durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Betriebsstrategie eine möglichst gute Befeuchtung der Membranen in einen Brennstoffzellensystem sichergestellt ist, sei es ein Brennstoffzellensystem mit großer Wärmekapazität, sei es ein Brennstoffzellensystem mit kleiner Wärmekapazität. Die gleichmäßig gute Befeuchtung wird durch eine hohe relative Feuchte sowohl auf der The advantages of the solution proposed according to the invention lie above all in that the operating strategy proposed according to the invention ensures that the membranes are moistened as well as possible in a fuel cell system, be it a fuel cell system with a large heat capacity or a fuel cell system with a small heat capacity. The uniformly good humidification is due to a high relative humidity on both the
Anodenseite als auch auf der Kathodenseite erreicht, ohne dass es zu Reached the anode side as well as the cathode side without it too
Auskondensation von Wasser kommt. Durch die erfindungsgemäß Condensation of water is coming. By the invention
vorgeschlagene Lösung kann die Strömungsrichtung des Kühlmediums variiert werden. Je nach Betriebspunkt strömt das Kühlmedium entweder im Gleichstrom oder im Gegenstrom, relativ zur Luftströmung auf der Kathodenseite des mindestens einen Brennstoffzellenstapels. Durch eine Umschaltung der jeweiligen Strömungsrichtung des Kühlmediums kann der Temperaturanstieg des Kühlmediums innerhalb des mindestens einen Brennstoffzellenstapels für die Realisierung einer möglichst optimalen Feuchte genutzt werden. proposed solution, the flow direction of the cooling medium can be varied. Depending on the operating point, the cooling medium flows either in cocurrent or in countercurrent, relative to the air flow on the cathode side of the at least one fuel cell stack. By switching the respective flow direction of the cooling medium, the temperature rise of the cooling medium within the at least one fuel cell stack can be used to achieve the best possible humidity.
Um die Strömungsrichtung des Kühlmediums durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel umzuschalten, kann entweder die Förderrichtung des in einen Kühlkreislauf angebundenen Förderaggregates umgekehrt werden, oder die Strömungsrichtung des Kühlmediums durch den mindestens einen In order to switch the flow direction of the cooling medium through the at least one fuel cell stack, either the conveying direction of the delivery unit connected to a cooling circuit can be reversed, or the flow direction of the cooling medium through the at least one
Brennstoffzellenstapel kann über Ventile geändert werden. Beide Fuel cell stacks can be changed via valves. Both
Ausführungsvarianten sind möglich. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise ein Strom vom Kühlmedium im Design variants are possible. By means of the solution proposed according to the invention, a current from the cooling medium can advantageously be in the
Gleichstrombetrieb realisiert werden, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, die unterhalb von 80°C liegen, beispielsweise bei einer Kühlmitteltemperatur von etwa 70°C. DC operation can be realized, in particular at low temperatures which are below 80 ° C, for example at a coolant temperature of about 70 ° C.
Liegt die Kühlmitteltemperatur beispielsweise bei 80°C, d.h. leicht erhöht im Vergleich zur zuvor genannten Kühlmitteltemperatur, liegen die Feuchteverläufe auf der Anodenseite und der Kathodenseite bei einem Kühlmedium im For example, if the coolant temperature is 80 ° C, i.e. slightly increased compared to the previously mentioned coolant temperature, the moisture profiles are on the anode side and the cathode side in the case of a cooling medium
Gegenstrom betrieb derart, dass kein Wasser auskondensiert. Auf der anderen Seite liegt beim Kühlmedium, welches im Gegenstrom strömt, eine gleichmäßig verteilt und überwiegend höhere relative Feuchte in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel vor. Somit wird der Gegenstrombetrieb des Kühlmediums vorteilhaft bei Betriebstemperaturen von über 80°C durchgeführt. Counterflow operated in such a way that no water condensed out. On the other hand, the cooling medium, which flows in counterflow, has an evenly distributed and predominantly higher relative humidity in the at least one Fuel cell stack before. The countercurrent operation of the cooling medium is thus advantageously carried out at operating temperatures of over 80 ° C.
In vorteilhafter Weise kann bei Brennstoffzellensystemen mit großer Advantageously, fuel cell systems with large
Wärmekapazität bei einer Kühlmitteltemperatur von 80°C die Strömungsrichtung vom Gleichstrom auf Gegenstrom umgeschaltet werden. Dadurch sinkt die Austrittstemperatur auf der Kathodenseite und die relative Feuchte liegt höher. Ohne Umschaltung der Strömungsrichtung würde die relative Feuchte am Kathodenaustritt durch den Temperaturanstieg stark abfallen. Liegt in diesem Fall die Kühlmitteltemperatur unter 70°C wird die Strömungsrichtung des Kühlmediums auf Gleichstrom umgeschaltet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass die Feuchte auf der Kathodenseite zu hoch wird und Wasser auskondensiert, was die Versorgungskanäle verstopfen könnte. Heat capacity at a coolant temperature of 80 ° C the flow direction can be switched from cocurrent to countercurrent. As a result, the outlet temperature on the cathode side drops and the relative humidity is higher. Without changing the flow direction, the relative humidity at the cathode outlet would drop sharply due to the temperature rise. In this case, if the coolant temperature is below 70 ° C, the flow direction of the cooling medium is switched to direct current. This advantageously prevents the moisture on the cathode side from becoming too high and water condensing out, which could clog the supply channels.
Eine bei der Umschaltung vorliegende Hysterese bei einem A hysteresis in the case of a switchover
Brennstoffzellensystem mit großer Wärmekapazität vermeidet, dass durch geringe Temperaturschwankungen ständige Umschaltungsvorgänge in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kühlmediums auftreten. Fuel cell system with a large heat capacity prevents constant switching processes from occurring in relation to the flow direction of the cooling medium due to small temperature fluctuations.
Bei Brennstoffzellensystemen mit relativ kleiner Wärmekapazität wird die Umschaltung der Strömungsrichtung des Kühlmediums durch eine Vorsteuerung geregelt. Die Umschaltung von Gleichstrom in Gegenstrom und umgekehrt kann bei der gleichen Temperatur stattfinden, wobei zwischen den einzelnen In fuel cell systems with a relatively small heat capacity, the changeover of the flow direction of the cooling medium is regulated by a pilot control. Switching from direct current to counter current and vice versa can take place at the same temperature, being between the individual
Umschaltvorgängen ausreichend Zeit vergehen sollte, so dass das Kühlmedium durch den Kühler strömen kann und abgekühlt werden kann. Switching processes should pass enough time so that the cooling medium can flow through the cooler and can be cooled.
Bei Brennstoffzellensystemen sowohl mit großer als auch mit kleiner In fuel cell systems with both large and small
Wärmekapazität, kann die Umschaltung der Strömungsrichtung des Heat capacity, can switch the flow direction of the
Kühlmediums auch in Abhängigkeit von der relativen Feuchte f am Cooling medium also depending on the relative humidity f am
Kathodenaustritt alternativ zur Temperatur des Kühlmediums geregelt werden. Entweder kann dazu die relative Feuchte f mit einem Sensor gemessen werden oder die relative Feuchte f kann mittels eines Modells für das The cathode outlet can be regulated as an alternative to the temperature of the cooling medium. Either the relative humidity f can be measured with a sensor or the relative humidity f can be measured using a model for the
Wassermanagement im Steuergerät, welches die Kathodenaustrittsfeuchte berechnet, bestimmt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Water management in the control unit, which calculates the cathode outlet moisture, can be determined. Brief description of the drawings
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. The invention is described in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigt: It shows:
Figur 1 einen Kühlmittelkreislauf mit einem Brennstoffzellenstapel, der vom Figure 1 shows a coolant circuit with a fuel cell stack from
Kühlmedium im Gegenstrom oder Gleichstrom durchströmt wird, was durch Umschaltung der Förderrichtung eines Förderaggregates für das Kühlmedium erfolgt,  Cooling medium flows in countercurrent or cocurrent, which is done by switching the conveying direction of a delivery unit for the cooling medium,
Figur 2 einen weiteren Kühlkreislauf, in dem ein erstes Ventil und ein zweites Figure 2 shows another cooling circuit in which a first valve and a second
Ventil integriert sind, welche der Umschaltung der Pumprichtung dienen.  Valve are integrated, which serve to switch the pump direction.
Figur 3 mittlere Feuchteverläufe entlang einer Brennstoffzelle des mindestens einen Brennstoffzellenstapels bei einer Eintrittstemperatur des Kühlmediums von 70°C und einer Austrittstemperatur des 3 shows average moisture profiles along a fuel cell of the at least one fuel cell stack at an inlet temperature of the cooling medium of 70.degree. C. and an outlet temperature of the
Kühlmediums von 80°C,  Coolant of 80 ° C,
Figur 4 mittlere Feuchteverläufe entlang einer Brennstoffzelle des mindestens einen Brennstoffzellenstapels bei einer Eintrittstemperatur des Kühlmediums von 80°C und einer Austrittstemperatur des 4 shows average moisture profiles along a fuel cell of the at least one fuel cell stack at an inlet temperature of the cooling medium of 80.degree. C. and an outlet temperature of the
Kühlmediums von 90°C,  Cooling medium of 90 ° C,
Figur 5.1 , 5.2 und 5.3 eine Betriebsstrategie für die Umschaltung der Figure 5.1, 5.2 and 5.3 an operating strategy for switching the
Strömungsrichtung des Kühlmediums für Brennstoffzellensysteme mit großer Wärmekapazität und  Flow direction of the cooling medium for fuel cell systems with large heat capacity and
Figuren 6.1 , 6.2 und 6.3 eine Betriebsstrategie für die Umschaltung der Figures 6.1, 6.2 and 6.3 an operating strategy for switching the
Strömungsrichtung des Kühlmediums für Brennstoffzellensysteme mit kleiner Wärmekapazität. Ausführungsformen der Erfindung Flow direction of the cooling medium for fuel cell systems with small heat capacity. Embodiments of the invention
Figur 1 zeigt einen Kühlmediumkreislauf mit einem Förderaggregat, dessen Förderrichtung umkehrbar ist. FIG. 1 shows a cooling medium circuit with a delivery unit, the delivery direction of which is reversible.
Der in der Figur 1 dargestellte Kreislauf des Kühlmediums umfasst neben dem Förderaggregat 20 und dem Brennstoffzellenstapel 10 einen Kühler 18. Durch den Umstand, dass das Förderaggregat 20 hinsichtlich seiner Förderrichtung umkehrbar ist, lässt sich eine erste Strömungsrichtung 22 des Kühlmediums darstellen, ferner auch eine zweite Strömungsrichtung 24. In der ersten The circuit of the cooling medium shown in FIG. 1 comprises, in addition to the delivery unit 20 and the fuel cell stack 10, a cooler 18. The fact that the delivery unit 20 is reversible with respect to its delivery direction enables a first flow direction 22 of the cooling medium to be represented, and also a second one Flow direction 24. In the first
Strömungsrichtung 22 strömt das Kühlmedium in Bezug auf die Luftströmung 16 im Gleichstrom, d.h. parallel zur Luftströmung 16 durch die Brennstoffzellen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 10 auf einer Kühlmediumseite 14. Bei der zweiten Strömungsrichtung 24 des Kühlmediums strömt dieses im Flow direction 22 flows the cooling medium in relation to the air flow 16 in cocurrent, i.e. parallel to the air flow 16 through the fuel cells of the at least one fuel cell stack 10 on a cooling medium side 14. In the second flow direction 24 of the cooling medium, this flows in the
Gegenstrom durch den Brennstoffzellenstapel 10, d.h. entgegengesetzt zur Luftströmung 16. Im Falle der zweiten Strömungsrichtung 24 stellt der Counterflow through the fuel cell stack 10, i.e. opposite to the air flow 16. In the case of the second flow direction 24, the
Kühlmediumaustritt 15 den Eintritt für das Kühlmedium dar, das im Gegenstrom, d.h. in der zweiten Strömungsrichtung 24 den Brennstoffzellenstapel 10 passiert. Cooling medium outlet 15 represents the inlet for the cooling medium which flows in counterflow, i.e. passes the fuel cell stack 10 in the second flow direction 24.
In der Darstellung gemäß Figur 2 ist eine alternative Ausführungsvariante eines Kühlmediumkreislaufes dargestellt. Im Unterschied zur in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante wird gemäß Figur 2 die zweite Strömungsrichtung 24, d.h. der Gegenstrom durch ein erstes Ventil 26 und ein zweites Ventil 28 dargestellt. In vorteilhafter Weise sind die beiden Ventile 26 und 28 als Dreiwegeventile ausgeführt. An den jeweils dritten Anschlussstellen des ersten Ventils 26 sowie des zweiten Ventils 28 sind eine erste Leitung 30 bzw. eine zweite Leitung 32 angeschlossen, über welche in dieser Ausführungsvariante die beiden In the illustration according to FIG. 2, an alternative embodiment variant of a cooling medium circuit is shown. In contrast to the embodiment variant shown in FIG. 1, the second flow direction 24, i.e. the counterflow is represented by a first valve 26 and a second valve 28. The two valves 26 and 28 are advantageously designed as three-way valves. A first line 30 and a second line 32 are connected to the third connection points of the first valve 26 and the second valve 28, via which the two in this embodiment variant
Strömungsrichtungen 22 bzw. 24 bei entsprechender Betätigung der Ventile 26 und 28 dargestellt werden können. Optimalerweise sind die Rohrlängen zwischen dem Brennstoffzellenstapel 10 und den Ventilen 26 bzw. 28 sehr kurz. Flow directions 22 and 24 can be shown with appropriate actuation of the valves 26 and 28. Optimally, the tube lengths between the fuel cell stack 10 and the valves 26 and 28 are very short.
Für die in den Figuren 3 und 4 dargestellten mittleren Feuchteverläufe 34 bzw. 48 werden folgende Annahmen getroffen: Die Abbildungen 3 und 4 zeigen mittlere Feuchteverläufe 34 bzw. 48 entlang der Brennstoffzellen eines The following assumptions are made for the average moisture profiles 34 and 48 shown in FIGS. 3 and 4: Figures 3 and 4 show average moisture profiles 34 and 48 along the fuel cells of one
Brennstoffzellenstapels 10. Auf der Kathodenseite 12 strömt Luft in positiver X- Richtung. Die Wasserstoffversorgung auf der Anodenseite erfolgt im Fuel cell stack 10. Air flows on the cathode side 12 in a positive X- Direction. The hydrogen supply on the anode side takes place in the
Gegenstrombetrieb. Der Wasserstoffeintritt auf der Anodenseite ist somit bei X=1 und der Austritt bei X=0. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums wird variiert. Im Gleichstrombetrieb liegt der Eintritt des Kühlmediums bei X=0, im Countercurrent operation. The hydrogen entry on the anode side is thus at X = 1 and the exit at X = 0. The direction of flow of the cooling medium is varied. In DC operation, the inlet of the cooling medium is X = 0, in
Gegenstrombetrieb bei X=l. In Figur 1 beträgt die Eintrittstemperatur des Kühlmediums einen ersten Temperaturwert 98, nämlich 70°C. Es wird angenommen, dass sich das Kühlmedium beim Durchströmen der Counterflow operation at X = 1. In Figure 1, the inlet temperature of the cooling medium is a first temperature value 98, namely 70 ° C. It is assumed that the cooling medium flows through the
Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 um 10 K erwärmt und dadurch eine Austrittstemperatur von 80°C annimmt. Ferner wird angenommen, dass die Temperatur der Gase auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite 12, nach 10% der Länge der Brennstoffzellen die Temperatur des Kühlmediums erreichen und während der verbleibenden Durchströmungslänge der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 der Temperatur des Kühlmediums folgen. Fuel cells of the fuel cell stack 10 are heated by 10 K and thereby assume an exit temperature of 80 ° C. Furthermore, it is assumed that the temperature of the gases on the anode side and on the cathode side 12 reach the temperature of the cooling medium after 10% of the length of the fuel cells and follow the temperature of the cooling medium during the remaining flow-through length of the fuel cells of the fuel cell stack 10.
Figur 3 zeigt Feuchteverläufe 34 bei einer Eintrittstemperatur des Kühlmediums von 70°C und einer Austrittstemperatur des Kühlmediums von 80°C. In der Darstellung gemäß Figur 3 ist ein Verlauf 44 der relativen Feuchte f über einen Verlauf 46 der normierten Zellenlänge X aufgetragen. Die in den mittleren Feuchteverläufen 34 gemäß der Darstellung in Figur 3 angenommene FIG. 3 shows moisture profiles 34 at an inlet temperature of the cooling medium of 70 ° C. and an outlet temperature of the cooling medium of 80 ° C. 3, a curve 44 of the relative humidity f is plotted over a curve 46 of the normalized cell length X. The one assumed in the average moisture profiles 34 as shown in FIG. 3
Eintrittstemperatur von 70°C des Kühlmediums entspricht einem ersten Inlet temperature of 70 ° C of the cooling medium corresponds to a first one
Temperaturwert 98. Bei diesem angenommenen niedrigen Temperature value 98. At this assumed low
Eintrittstemperaturwert von 70°C steigt die relative Feuchte f auf der Inlet temperature value of 70 ° C increases the relative humidity f on the
Kathodenseite 12 durch das produzierte Wasser stark an, vergleiche die mittleren Feuchteverläufe 38 für Kühlmedium im Gleichstrom sowie der Cathode side 12 due to the water produced, compare the mean moisture profiles 38 for cooling medium in direct current and the
Feuchteverlauf 42 auf der Kathodenseite 12 für Kühlmedium im Gegenstrom.Humidity curve 42 on the cathode side 12 for cooling medium in counterflow.
Wie aus dem Feuchteverlauf 42 auf der Kathodenseite 12, Kühlmedium im Gegenstrom, hervorgeht, nimmt die Temperatur entlang der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 ab und die relative Feuchte f steigt noch stärker an im Vergleich zum Gleichstrombetrieb, vergleiche Feuchteverlauf 38 As can be seen from the moisture profile 42 on the cathode side 12, cooling medium in counterflow, the temperature along the fuel cells of the fuel cell stack 10 decreases and the relative humidity f increases even more compared to direct current operation, compare moisture profile 38
Kathodenseite 12, Kühlmedium im Gleichstrom. In diesem Falle kann es zum Auskondensieren von Wasser kommen, angedeutet in Figur 3 durch die etwa dreieckförmig ausgebildete schraffierte Fläche 43, wo die relative Feuchte 44 über f = 1 ansteigt. Kommt es zum Auskondensieren von Wasser, können die Versorgungskanäle verstopfen. Feuchteverläufe auf der Anodenseite sind mit Bezugszeichen 36 für Gleichstrom und mit Bezugszeichen 40 für Gegenstrom dargestellt. Aus der Figur 3 ergibt sich, dass Kondensation im Falle des Cathode side 12, cooling medium in direct current. In this case, water can condense out, indicated in FIG. 3 by the approximately triangular hatched area 43, where the relative humidity 44 rises above f = 1. If water condenses out, the supply channels can become blocked. Moisture profiles on the anode side are shown with reference number 36 for direct current and with reference number 40 for countercurrent. From Figure 3 it follows that condensation in the case of
Gleichstrombetriebes, bei erster Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) des Kühlmediums bei Eintrittstemperatur für das Kühlmedium von ca. 70°C, die unterhalb von 80°C liegt, Kondensation von Wasser sicher vermieden wird. Die Feuchteverläufe auf der Anodenseite, sowohl für Gleichstrom als auch für Gegenstrom, sind unkritisch, hier entsteht kein flüssiges Wasser; bei Direct current operation, in the first flow direction 22 (direct current) of the cooling medium at an inlet temperature for the cooling medium of approximately 70 ° C., which is below 80 ° C., condensation of water is reliably avoided. The moisture profiles on the anode side, both for cocurrent and for countercurrent, are not critical, there is no liquid water here; at
Gegenstrombetrieb kommt es auf der Kathodenseite 12, vgl. Feuchteverlauf 42, Pos. 43, zu Kondensation. Counter-current operation occurs on the cathode side 12, cf. Humidity curve 42, item 43, for condensation.
Der Darstellung gemäß Figur 4 sind Feuchteverläufe 48 zu entnehmen, für eine Eintrittstemperatur von 80°C des Kühlmediums und eine Austrittstemperatur desselben von 90°C. 4 shows moisture profiles 48 for an inlet temperature of 80 ° C. of the cooling medium and an outlet temperature of the same of 90 ° C.
Wie sich aus den Feuchteverläufen für die Kathodenseite 12, vergleiche Feuchteverläufe 52 und 56, ergibt, bleiben diese auch bei Gegenstrom, d.h. Realisierung der zweiten Strömungsrichtung 24 des Kühlmediums im As can be seen from the moisture profiles for the cathode side 12, compare moisture profiles 52 and 56, these also remain in countercurrent, i.e. Realization of the second flow direction 24 of the cooling medium in
Gegenstrom unterhalb der relativen Feuchte von cp=l. Damit ist eine Counterflow below the relative humidity of cp = l. So that's one
Auskondensation von Wasser aus der feuchten Luft sicher ausgeschlossen. Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht weiter hervor, dass auf der Anodenseite, vergleiche Feuchteverläufe 50 bzw. 54 im Gegenstrom des Kühlmediums, d.h. bei Realisierung der zweiten Strömungsrichtung 24 eine gleichmäßig verteilte relative Feuchte 44 erreicht wird. Damit ist ein Betrieb des Kühlkreislaufes in der zweiten Strömungsrichtung 24, d.h. im Gegenstrom, vorteilhaft bei Condensation of water from the humid air is safely excluded. 4 further shows that on the anode side, compare moisture profiles 50 and 54 in the counterflow of the cooling medium, i.e. when the second flow direction 24 is realized, a uniformly distributed relative humidity 44 is achieved. Operation of the cooling circuit in the second flow direction 24, i.e. in counterflow, advantageous at
Betriebstemperaturen oberhalb von 80°C. Operating temperatures above 80 ° C.
Den Figuren 5.1, 5.2 und 5.3 ist eine Betriebsstrategie hinsichtlich einer Umschaltung der Strömungsrichtung für ein Kühlmedium bei FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3 show an operating strategy with regard to switching the flow direction for a cooling medium
Brennstoffzellensystemen 120 mit großer Wärmekapazität zu entnehmen. To take fuel cell systems 120 with large heat capacity.
In der Darstellung gemäß Figur 5.1 ist ein Leistungsverlauf über die Zeitachse aufgetragen, Figur 5.2 zeigt einen Temperaturverlauf 94, ebenfalls aufgetragen über die Zeitachse, während Figur 5.3 den Verlauf der relativen Feuchte 44, aufgetragen über die Zeitachse, wiedergibt. Für alle 3 Figuren, Figur 5.1, 5.2 und 5.3, gelten die zeitlichen Dauern einer Aufwärmphase 82, einer 5.1 shows a power curve over the time axis, FIG. 5.2 shows a temperature curve 94, also plotted over the time axis, while FIG. 5.3 shows the curve of the relative humidity 44, plotted over the time axis. The duration of a warm-up phase 82, one, applies to all 3 figures, FIG. 5.1, 5.2 and 5.3
Normalbetriebsphase 84 sowie einer Hochlastphase 86. In Bezug auf die Figuren 5.1, 5.2 und 5.3 ist ein Leistungsverlauf 88 sowie ein langsamer Temperaturanstieg des Kühlmediums und eine damit einhergehende Abnahme der relativen Feuchte 44, vergleiche erster Abschnitt 108, während der Aufwärmphase 82, zu konstatieren. Normal operating phase 84 and a high-load phase 86. With reference to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3, a performance curve 88 as well as a slow rise in temperature of the cooling medium and a concomitant decrease in the relative humidity 44, compare first section 108 during the warm-up phase 82, can be observed.
An die Aufwärmphase 82 schließt sich die Normalbetriebsphase 84 an. Gemäß Figur 5.1 bleibt der Leistungsverlauf gleich, ferner ergibt sich eine annähernd konstante Temperatur 102 des Kühlmittels bei Gleichstrombetrieb während der Normalbetriebsphase 84. Der mit Bezugszeichen 106 gekennzeichnete Verlauf der relativen Feuchte f ist während der Normalbetriebsphase 84 The normal operating phase 84 follows the warm-up phase 82. According to FIG. 5.1, the performance curve remains the same, and there is also an approximately constant temperature 102 of the coolant during DC operation during the normal operating phase 84. The curve of the relative humidity f identified by reference symbol 106 is 84 during the normal operating phase
näherungsweise konstant. approximately constant.
Geht die Normalbetriebsphase 84 in die Hochlastphase 86 über, vergleiche erstes Leistungsmaximum 90, kommt es gemäß Figur 5.2 zu einem If the normal operating phase 84 transitions into the high-load phase 86, compare the first power maximum 90, one occurs according to FIG. 5.2
Temperaturanstieg des Kühlmediums. Parallel dazu stellt sich gemäß Figur 5.3 eine Abnahme der relativen Feuchte 44 ein. Position 92 bezeichnet ein zweites Leistungsmaximum ; am zweiten Umschaltzeitpunkt 116 gemäß Figur 5.3 findet keine Umschaltung der Strömungsrichtung des Kühlmediums statt. Dieses verbleibt im Gegenstrom, da die Kühlmediumtemperatur nicht unter 70°C fällt. Temperature rise of the cooling medium. At the same time, a decrease in the relative humidity 44 occurs according to FIG. 5.3. Position 92 denotes a second power maximum; At the second switchover point 116 according to FIG. 5.3, there is no switchover of the flow direction of the cooling medium. This remains in countercurrent since the cooling medium temperature does not drop below 70 ° C.
Erreicht die Temperatur gemäß des Temperaturverlaufes 94 einen zweiten Temperaturwert 100, wird zum ersten Umschaltzeitpunkt 114 die If the temperature according to the temperature profile 94 reaches a second temperature value 100, the temperature will change at the first changeover time 114
Strömungsrichtung des Kühlmediums von der ersten Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) in die zweite Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) umgeschaltet. Wie der Figur 5.2 entnommen werden kann, steigt die Temperatur während der Hochlastphase 86, während der das Kühlmedium in die zweite Flow direction of the cooling medium is switched from the first flow direction 22 (direct current) to the second flow direction 24 (counter current). As can be seen from FIG. 5.2, the temperature rises during the high-load phase 86, during which the cooling medium moves into the second
Strömungsrichtung 24 strömt, gemäß Temperaturverlauf 104, weiter an. Parallel dazu nimmt die relative Feuchte f während der Hochlastphase 86 gemäß des Verlaufes 106 ab. Durch die Umschaltung der Strömungsrichtung des Flow direction 24 continues to flow according to temperature profile 104. At the same time, the relative humidity f decreases during the high-load phase 86 according to the course 106. By switching the flow direction of the
Kühlmediums kann die relative Feuchte f am Kathodenaustritt gemäß des Verlaufes 112 erhöht werden und befindet sich damit innerhalb eines optimalen Betriebsbereiches 124. Ohne einen Umschaltvorgang würde die relative Feuchte f am Kathodenaustritt durch den Temperaturanstieg gemäß des Verlaufes 104 stark abfallen, vergleiche Verlauf 109 der relativen Feuchte ohne Umschaltung der Strömungsrichtung des Kühlmediums. Erreicht das Kühlmedium seinen ersten Temperaturwert 98, erfolgt zu einem zweiten Umschaltzeitpunkt 116 das Umschalten des Kühlmediumstroms von der zweiten Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) auf die erste Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom). Nach dem zweiten Umschaltzeitpunkt 116 nimmt der Cooling medium, the relative humidity f at the cathode outlet can be increased according to the course 112 and is thus within an optimal operating range 124. Without a switchover process, the relative humidity f at the cathode outlet would drop sharply due to the temperature rise according to the course 104, compare course 109 of the relative humidity without switching the flow direction of the cooling medium. When the cooling medium reaches its first temperature value 98, the cooling medium flow is switched from the second flow direction 24 (counterflow) to the first flow direction 22 (direct current) at a second changeover point 116. After the second switching point 116, the
Temperaturverlauf 102 des Kühlmediums wieder einen annähernd konstanten Verlauf an. Auch die relative Feuchte f verläuft in dieser Betriebsphase, d.h. nach dem zweiten Umschaltzeitpunkt 116, innerhalb des optimalen Temperature course 102 of the cooling medium again an approximately constant course. The relative humidity f also runs in this operating phase, i.e. after the second switching point 116, within the optimum
Betriebsbereiches 124. Operating area 124.
Wie den Darstellungen gemäß der Figuren 5.1, 5.2 und 5.3 entnommen werden kann, steigt die Temperatur gemäß des Temperaturverlaufes 94 des As can be seen from the representations according to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3, the temperature rises in accordance with the temperature profile 94 of the
Kühlmediums während der Hochlastphase 86, bedingt durch die große Cooling medium during the high load phase 86, due to the large
Wärmekapazität des Brennstoffzellensystems 120 mit einem zeitlichen Versatz At an. Die relative Feuchte f ist abhängig von der Temperatur und nimmt ab, wenn die Temperatur ansteigt. Erreicht die Temperatur des Kühlmediums 80°C, d.h. den zweiten Temperaturwert 100, wird die Strömungsrichtung des Heat capacity of the fuel cell system 120 with a time offset At. The relative humidity f depends on the temperature and decreases as the temperature rises. When the temperature of the cooling medium reaches 80 ° C, i.e. the second temperature value 100, the flow direction of the
Kühlmediums von der ersten Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) in die zweite Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) umgeschaltet. Dadurch sinkt die Cooling medium switched from the first flow direction 22 (direct current) into the second flow direction 24 (counter current). This reduces the
Temperatur am Kathodenaustritt und die relative Feuchte f steigt und bleibt dann innerhalb eines optimalen Bereiches. Ohne die Umschaltung zwischen The temperature at the cathode outlet and the relative humidity f increases and then remains within an optimal range. Without switching between
Strömungsrichtungen 22, 24 käme es zu einem starken Abfall 109 der relativen Feuchte f am Kathodenaustritt. Flow directions 22, 24 would result in a sharp drop 109 in the relative humidity f at the cathode outlet.
Fällt die Temperatur des Kühlmediums auf den ersten Temperaturwert, d.h.If the temperature of the cooling medium falls to the first temperature value, i.e.
70°C, erfolgt eine erneute Umschaltung der Strömungsrichtung des 70 ° C, the flow direction of the
Kühlmediums. In diesem Fall wird von der zweiten Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) auf die erste Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) umgeschaltet. Dadurch wird vermieden, dass die relative Feuchte f auf der Kathodenseite 12 zu stark ansteigt und Wasser auskondensiert. Durch die Hysterese bei der Umschaltung wird vermieden, dass durch kleine Temperaturschwankungen eine ständige Umschaltung der Strömungsrichtungen 22, 24 stattfindet. Bei der Umschaltung ändert sich die Messposition, da sich die Eintritts- und Austrittsseite hinsichtlich der Kühlmediumseite 14, vergleiche Figuren 1 und 2, vertauschen. Nach der Umschaltung von der zweiten Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) auf die erste Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) wird eine Mindestzeitspanne Atmin abgewartet, bis eine erneute Umschaltung der Strömungsrichtungen 22, 24 stattfinden darf. Die Mindestzeitspanne Atmin richtet sich danach, wie lange es dauert, bis das Kühlmedium vom Kühler 18 bis zu dem Brennstoffzellenstapel 10 gelangt; dies gilt für die Ausführungsvariante gemäß Figur 1. Bei der Cooling medium. In this case, a switch is made from the second flow direction 24 (countercurrent) to the first flow direction 22 (direct current). This avoids that the relative humidity f increases too much on the cathode side 12 and water condenses out. The hysteresis during the changeover prevents a constant changeover of the flow directions 22, 24 due to small temperature fluctuations. During the switchover, the measuring position changes since the entry and exit sides are exchanged with respect to the coolant side 14, compare FIGS. 1 and 2. After switching from the second flow direction 24 (counter-current) to the first flow direction 22 (direct current) a minimum period of time At m in waiting until a new switching of the directions of flow 22, may take place 24th The minimum time period At min depends on how long it takes for the cooling medium to reach the fuel cell stack 10 from the cooler 18; this applies to the embodiment variant according to FIG. 1
Ausführungsvariante gemäß Figur 2 ist die Mindestzeitspanne Atmin davon abhängig gemacht, wie lange das Kühlmedium von den Ventilen 26, 28 bis zum Brennstoffzellenstapel 10 braucht. Die Mindestzeitspanne Atmin ist erforderlich, da ansonsten bei einem ersten Temperaturwert 98 von 70°C von der zweiten Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) auf die erste Strömungsrichtung 22 2, the minimum time period At min is made dependent on how long the cooling medium from the valves 26, 28 to the fuel cell stack 10 takes. The minimum time period At min is required, since otherwise at a first temperature value 98 of 70 ° C. from the second flow direction 24 (counterflow) to the first flow direction 22
(Gleichstrom) umgeschaltet wird. Unmittelbar nach dem Umschaltvorgang strömt das am ersten Temperaturwert 98 (70°C) aufweisende Kühlmedium nochmals durch den Brennstoffzellenstapel 10 und erwärmt sich weiter. Bei Austritt könnte dann die Temperatur des Kühlmediums kurzzeitig größer als der zweite (DC) is switched. Immediately after the switching process, the cooling medium having the first temperature value 98 (70 ° C.) flows through the fuel cell stack 10 again and continues to heat up. When it emerges, the temperature of the cooling medium could briefly be higher than the second
Temperaturwert 100 (80°C) sein. Die Mindestzeitspanne Atmin vermeidet ein sofortiges Rückumschalten der Strömungsrichtungen. Sobald das Kühlmedium von Kühler 18 durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 10 strömt, nimmt die Temperatur signifikant ab. Temperature value 100 (80 ° C). The minimum time period At min prevents the flow directions from switching back immediately. As soon as the cooling medium from cooler 18 flows through the at least one fuel cell stack 10, the temperature decreases significantly.
Je geringer die Menge des Kühlmediums ist, die bei dem Umschaltvorgang zwei Mal durch den Brennstoffzellenstapel 10 strömt, ohne das zwischendurch Wärme im Kühler 18 abgegeben werden kann, desto größer ist der Vorteil einer The smaller the amount of the cooling medium that flows through the fuel cell stack 10 twice during the switching process, without the heat in the cooler 18 being able to be released in between, the greater the advantage of one
Umschaltung zwischen den Strömungsrichtungen 22, 24 des Kühlmediums. Insbesondere ist eine Umschaltung gemäß der Ausführungsvariante in Figur 2 mit dem Einsatz der beiden Ventile 26, 28 vorteilhaft. Switching between the flow directions 22, 24 of the cooling medium. In particular, a switchover according to the embodiment variant in FIG. 2 with the use of the two valves 26, 28 is advantageous.
Den Darstellungen gemäß der Figuren 6.1, 6.2 und 6.3 ist eine Betriebsstrategie für Brennstoffzellensysteme 122 mit kleiner Wärmekapazität zu entnehmen. An operating strategy for fuel cell systems 122 with a small heat capacity can be seen from the representations according to FIGS. 6.1, 6.2 and 6.3.
Die Wärmekapazität bestimmt die thermische Trägheit des Systems. Bei gleicher Last erwärmen sich Systeme mit einer größeren Wärmekapazität langsamer. Zur Unterscheidung von Brennstoffzellensystemen 120 mit großer Wärmekapazität von Brennstoffzellensystemen 122 mit kleiner Wärmekapazität, werden die benötigte Dauer für einen Umschaltvorgang Abschaltung und eine Dauer AtErwärmung, die das jeweilige System benötigt, um ausgehend vom ersten Temperaturwert 98 den zweiten Temperaturwert 100 zu erreichen, ermittelt. Die Umschaltdauer Abschaltung ist die Zeitspanne zwischen dem Beginn der Umschaltung und dem Zeitpunkt nach der Umschaltung, ab dem wieder Wärme aus dem The thermal capacity determines the thermal inertia of the system. At the same load, systems with a larger heat capacity heat up more slowly. To differentiate between fuel cell systems 120 with a large heat capacity of fuel cell systems 122 with a small heat capacity, the time required to be a switching circuit for Ab and a duration At heating required by the particular system in order starting from the first temperature value 98 to reach the second temperature value 100. The switching time is from circuit the time between the start of the changeover and the time after the switch, back from the heat from the
Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt werden kann. Für Brennstoffzellensysteme 120 mit großer Wärmekapazität gilt AtErwärmung > = 5 Abschaltung, für Fuel cell stack 10 can be removed. For fuel cell systems 120 with a large heat capacity, the following applies at heating > = 5 shutdown , for
Brennstoffzellensysteme 122 mit kleiner Wärmekapazität gilt AtErwärmung < 5Fuel cell systems 122 with a small heat capacity apply at heating <5
Atumschaltung· Atumschaltung ·
Beispiel: Example:
Umschaltdauer: Abschaltung = 2s Switching duration: switch-off = 2s
Temperaturdifferenz zwischen erstem Temperaturwert (70°C) und zweitem Temperaturwert (80°C): DT = 10K  Temperature difference between the first temperature value (70 ° C) and the second temperature value (80 ° C): DT = 10K
Wenn das System für die 10K Temperaturdifferenz bei Volllast mindestens 10s braucht, d.h. die Temperaturänderungsrate dT/dt < 1 K/s, dann handelt es sich um ein Brennstoffzellensystem 120 mit großer Wärmekapazität. If the system needs at least 10s for the 10K temperature difference at full load, i.e. the temperature change rate dT / dt <1 K / s, then it is a fuel cell system 120 with a large heat capacity.
Analog zu den Darstellungen gemäß der Figuren 5.1, 5.2 und 5.3, wie oben stehend beschrieben, zeigt Figur 6.1 den Leistungsverlauf des Analogous to the representations according to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3, as described above, FIG. 6.1 shows the performance curve of the
Brennstoffzellensystems 122 mit kleiner Wärmekapazität, aufgetragen über die Zeitachse, Figur 6.2 den Temperaturverlauf 94 des Kühlmediums, ebenfalls aufgetragen über die Zeitachse, sowie Figur 6.3 den Verlauf 44 der relativen Feuchte f, ebenfalls aufgetragen über die Zeitachse. Fuel cell system 122 with a small heat capacity, plotted over the time axis, FIG. 6.2 the temperature curve 94 of the cooling medium, also plotted over the time axis, and FIG. 6.3 the curve 44 of the relative humidity f, also plotted over the time axis.
Analog zu den Figuren 5.1, 5.2 und 5.3 gilt auch hier die Betrachtung des Brennstoffzellensystems 122 mit kleiner Wärmekapazität während der Analogous to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3, the consideration of the fuel cell system 122 with a small heat capacity also applies here
Aufwärmphase 82, der Normalbetriebsphase 84 sowie der sich an diese anschließenden Hochlastphase 86. Warm-up phase 82, the normal operating phase 84 and the subsequent high-load phase 86.
Im Unterschied zu der anhand der Figuren 5.1, 5.2 und 5.3 beschriebenen Betriebsstrategie hinsichtlich der Kühlung eines Brennstoffzellensystems 120 mit großer Wärmekapazität, gilt für die Betriebsstrategie des In contrast to the operating strategy described with reference to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3 with regard to the cooling of a fuel cell system 120 with a large thermal capacity, the following applies to the operating strategy
Brennstoffzellensystems 122 mit kleiner Wärmekapazität gemäß Figur 6, dass auf Grund der kleinen Wärmekapazität die Aufwärmphase 82 kürzer ist als die Aufwärmphase 82 bei einem Brennstoffzellensystem 120 mit großer Wärmekapazität. Auch die Anstiege von Temperatur bzw. die Verläufe der relativen Feuchte f, vergleiche Figuren 6.2 und 6.3 verlaufen steiler auf Grund der geringeren thermischen Trägheit des Brennstoffzellensystems 122 mit kleiner Wärmekapazität, verglichen mit der anhand der Figuren 5.1, 5.2 und 5.3 beschriebenen Betriebsstrategie für einen Brennstoffzellensystem 120 mit großer Wärmekapazität. 6 that the warm-up phase 82 is shorter than the warm-up phase 82 in a fuel cell system 120 with a large one due to the small heat capacity Heat capacity. The increases in temperature and the courses of the relative humidity f, compare FIGS. 6.2 and 6.3, are steeper due to the lower thermal inertia of the fuel cell system 122 with a small heat capacity, compared with the operating strategy for a fuel cell system described with reference to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3 120 with a large heat capacity.
Während der Aufwärmphase 82 liegt ein konstanter Leistungsverlauf 88 vor und der Verlauf der Temperatur 102 steigt von Umgebungstemperatur 96, d.h. ca. 20°C, kontinuierlich an. During the warm-up phase 82 there is a constant power curve 88 and the curve of temperature 102 increases from ambient temperature 96, i.e. approx. 20 ° C, continuously on.
Während der Normalbetriebsphase 84, die sich an die Aufwärmphase 82 anschließt, ist der Temperaturverlauf 102 des Kühlmediums, welches in die erste Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) strömt, konstant. Auch der Verlauf 106 der relativen Feuchte f ist in der Normalbetriebsphase 84 des During the normal operating phase 84, which follows the warm-up phase 82, the temperature profile 102 of the cooling medium, which flows in the first flow direction 22 (direct current), is constant. The course 106 of the relative humidity f is also in the normal operating phase 84 of the
Brennstoffzellensystems 122 mit kleiner Wärmekapazität annähernd konstant, während die relative Feuchte f während der Aufwärmphase 82 auf Grund des Temperaturanstieges, siehe Figur 6.2, gemäß der Darstellung in Figur 6.3, stark fällt. Fuel cell system 122 with a small heat capacity is approximately constant, while the relative humidity f during the warm-up phase 82 drops sharply due to the temperature rise, see FIG. 6.2, as shown in FIG. 6.3.
Kommt es zu einem ersten Leistungsmaximum 90, tritt die Hochlastphase 86 ein. Mit einem geringen zeitlichen Versatz At in Bezug auf den Beginn der If a first power maximum 90 occurs, the high-load phase 86 occurs. With a slight time offset At with respect to the beginning of the
Hochlastphase 86, kommt es zu einem starken Anstieg der Temperatur des Kühlmediums und zu dem ersten Umschaltzeitpunkt 114 erfolgt ein Umschalten der Strömungsrichtung des Kühlmediums von der ersten Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) auf die zweite Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom). Entsprechend des Temperaturverlaufes 104 nimmt die Temperatur des Kühlmediums stark zu. Parallel dazu kommt es zu einem starken Abfall des Verlaufes 112 der relativen Feuchte während der Hochlastphase 86. Unterbliebe die Umschaltung beim ersten Umschaltzeitpunkt 114 der Strömungsrichtung des Kühlmediums von der ersten Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) auf die zweite Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom), stellte si(ch der mit 109 bezeichnete starke Abfall der relativen Feuchte f ein. High-load phase 86, there is a sharp rise in the temperature of the cooling medium and at the first changeover point 114 the flow direction of the cooling medium is switched from the first flow direction 22 (direct current) to the second flow direction 24 (counter current). According to the temperature profile 104, the temperature of the cooling medium increases sharply. At the same time, there is a sharp drop in the course 112 of the relative humidity during the high-load phase 86. If the switchover at the first switchover point 114 of the flow direction of the cooling medium from the first flow direction 22 (direct current) to the second flow direction 24 (counterflow) occurs, ch the strong drop in relative humidity f indicated by 109.
Kühlte das Kühlmedium wieder auf den zweiten Temperaturwert 98 ab, wird zu einem zweiten Umschaltzeitpunkt 116 von der zweiten Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) auf die erste Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) des If the cooling medium has cooled down again to the second temperature value 98, the second flow direction 24 will switch at a second switchover instant 116 (Counterflow) to the first flow direction 22 (direct current) of the
Kühlmediums umgeschaltet. Danach stellt sich ein Temperaturverlauf 102 des Kühlmediums ein, demnach verläuft der zweite Abschnitt 110 der relativen Feuchte annähernd konstant. Cooling medium switched. Thereafter, a temperature profile 102 of the cooling medium is established, so that the second section 110 of the relative humidity is approximately constant.
Anhand der in den Figuren 6.1, 6.2 und 6.3 beschriebenen Betriebsstrategie für die Umschaltung der Strömungsrichtungen 22, 24 des Kühlmediums für Using the operating strategy described in FIGS. 6.1, 6.2 and 6.3 for switching the flow directions 22, 24 of the cooling medium for
Brennstoffzellensystem 122 mit kleiner Wärmekapazität, kann die Umschaltung von der ersten Strömungsrichtung 22 (Gleichstrom) auf die zweite Fuel cell system 122 with small heat capacity, can switch from the first flow direction 22 (direct current) to the second
Strömungsrichtung 24 (Gegenstrom) und umgekehrt bei gleicher Temperatur stattfinden. Es ist jedoch sicherzustellen, dass zwischen den einzelnen Flow direction 24 (counterflow) and vice versa take place at the same temperature. However, make sure that between each
Umschaltvorgängen ausreichende Zeit vergeht, so dass das Kühlmedium den Kühler 18 durchströmt und dort abgekühlt werden kann. Dadurch wird vermieden, dass die Umschaltvorgänge in zu kurzen Zeitabständen stattfinden und sich das Kühlmedium immer weiter erwärmt, ohne dass die Wärme über den Kühler 18 an die Umgebung oder an ein Medium abgegeben werden kann. Switching processes pass sufficient time so that the cooling medium flows through the cooler 18 and can be cooled there. This avoids that the switching processes take place at too short time intervals and the cooling medium continues to heat up without the heat being able to be released to the environment or to a medium via the cooler 18.
Die anhand der Figuren 5.1, 5.2 und 5.3 für Brennstoffzellensysteme 120 mit großer Wärmekapazität sowie anhand der Figuren 6.1, 6.2 und 6.3 dargelegte Betriebsstrategie für Brennstoffzellensysteme 122 mit kleiner Wärmekapazität kann auch in Abhängigkeit der relativen Feuchte f am Kathodenaustritt geregelt werden, anstatt den Temperaturverlauf des Kühlmediums heranzuziehen. Dazu kann beispielsweise die relative Feuchte f mit einem Sensor gemessen werden oder durch ein Modell für das Wassermanagement im Steuergerät, welches die Feuchte am Kathodenaustritt berechnet, bestimmt werden. The operating strategy for fuel cell systems 122 with a small heat capacity, which is illustrated with reference to FIGS. 5.1, 5.2 and 5.3 for fuel cell systems 120 with a large heat capacity and with the aid of FIGS. 6.1, 6.2 and 6.3, can also be regulated as a function of the relative humidity f at the cathode outlet, instead of the temperature profile of the cooling medium consulted. For this purpose, for example, the relative humidity f can be measured with a sensor or determined by a model for water management in the control unit, which calculates the moisture at the cathode outlet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen. The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the scope specified by the claims, which lie within the framework of professional action.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (120, 122) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (10) mit mehreren 1. Method for operating a fuel cell system (120, 122) with at least one fuel cell stack (10) with several
Brennstoffzellen, die jeweils eine Anodenseite und eine Kathodenseite (12) aufweisen, die von einer Luftströmung (16) durchströmt werden und der mindestens eine Brennstoffzellenstapel (10) von einem Kühlmedium entlang der Brennstoffzellen durchströmt wird, mit zumindest  Fuel cells, each having an anode side and a cathode side (12) through which an air flow (16) flows and through which at least one fuel cell stack (10) is flowed through by a cooling medium along the fuel cells, with at least
nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Kühlen der Brennstoffzellen des mindestens einen  following process steps: a) cooling the fuel cells of the at least one
Brennstoffzellenstapels (10) durch ein Kühlmedium, welches in eine erste Strömungsrichtung (22) strömt, b) Durchführen von Verfahrensschritt a) während einer Aufwärmphase (82) und/oder einer Normalbetriebsphase (84) des Brennstoffzellen systems (120, 122), c) Umschalten von der ersten Strömungsrichtung (22) des Kühlmediums auf eine zweite Strömungsrichtung (24) des Kühlmediums, sobald die Kühlmediumtemperatur bei einem Brennstoffzellensystem (122) mit kleiner Wärmekapazität einen ersten Temperaturwert (98) und bei einem Brennstoffzellensystem (120) mit großer Wärmekapazität einen zweiten Temperaturwert (100) des Brennstoffzellensystems (120, Fuel cell stack (10) through a cooling medium which flows in a first flow direction (22), b) performing method step a) during a warm-up phase (82) and / or a normal operating phase (84) of the fuel cell system (120, 122), c) Switching from the first flow direction (22) of the cooling medium to a second flow direction (24) of the cooling medium as soon as the cooling medium temperature in a fuel cell system (122) with a small heat capacity has a first temperature value (98) and in a fuel cell system (120) with a large heat capacity a second one Temperature value (100) of the fuel cell system (120,
122) erreicht hat und d) wobei gemäß Verfahrensschritt c) eine Umkehr der 122) and d) whereby according to method step c) a reversal of the
Strömungsrichtungen (22, 24) des Kühlmediums, durch Schaltung zweier Ventile (26, 28) oder durch Änderung der Pumprichtung erfolgt.  Flow directions (22, 24) of the cooling medium, by switching two valves (26, 28) or by changing the pumping direction.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Strömungsrichtung (22) das Kühlmedium die Brennstoffzellen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (10) in Gleichstrom in Bezug auf die Luftströmung (16) durchströmt. 2. The method according to claim 1, characterized in that in the first flow direction (22), the cooling medium, the fuel cells of the flows through at least one fuel cell stack (10) in direct current with respect to the air flow (16).
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Strömungsrichtung (24) das Kühlmedium die Brennstoffzellen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (10) im Gegenstrom in Bezug auf die Luftströmung (16) durchströmt. 3. The method according to claim 1, characterized in that in the second flow direction (24), the cooling medium flows through the fuel cells of the at least one fuel cell stack (10) in countercurrent with respect to the air flow (16).
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt c) das Umschalten in Abhängigkeit vom Verlauf (44) der relativen Feuchte f am Kathodenaustritt (15) der Kathodenseite (12) erfolgt. 4. The method according to claim 1, characterized in that according to method step c) the switching takes place depending on the course (44) of the relative humidity f at the cathode outlet (15) of the cathode side (12).
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein 5. The method according to claim 2, characterized in that a
Umschalten auf die erste Strömungsrichtung (22) des Kühlmediums durch die Brennstoffzellen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (10) bei einem ersten Temperaturwert (98) des Kühlmediums erfolgt.  Switching to the first flow direction (22) of the cooling medium takes place through the fuel cells of the at least one fuel cell stack (10) at a first temperature value (98) of the cooling medium.
6. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein 6. The method according to claim 3, characterized in that a
Umschalten auf die zweite Strömungsrichtung (24) des Kühlmediums durch die Brennstoffzellen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (10) bei einem zweiten Temperaturwert (100) des Kühlmediums bei Brennstoffzellensystemen (120) mit großer Wärmekapazität und bei einem ersten Temperaturwert (98) des Kühlmediums bei  Switching to the second flow direction (24) of the cooling medium through the fuel cells of the at least one fuel cell stack (10) at a second temperature value (100) of the cooling medium in fuel cell systems (120) with a large heat capacity and at a first temperature value (98) of the cooling medium
Brennstoffzellensystem (122) mit kleiner Wärmekapazität erfolgt.  Fuel cell system (122) with a small heat capacity.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturwert (98) ca. 70°C als Kühlmediumtemperatur und der zweite Temperaturwert (100) ca. 80°C als Kühlmitteltemperatur beträgt. 7. The method according to claim 5, characterized in that the first temperature value (98) is approximately 70 ° C as the coolant temperature and the second temperature value (100) is approximately 80 ° C as the coolant temperature.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Umschalten von der zweiten Strömungsrichtung (24), dem Gegenstrombetrieb, in die erste Strömungsrichtung (22), den 8. The method according to claim 1, characterized in that between a switch from the second flow direction (24), the countercurrent operation, in the first flow direction (22)
Gleichstrombetrieb, eine Mindestzeitspanne Atmm verstreicht. DC operation, a minimum period of time At mm passes.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized
gekennzeichnet, dass bei Brennstoffzellensystemen (120) mit großer Wärmekapazität bei Erreichen eines zweiten Temperaturwertes (100) durch das Kühlmedium auf die zweite Strömungsrichtung (24) des Kühlmediums (Gegenstrom) umgestaltet wird und bei Unterschreiten des ersten Temperaturwertes (98) durch das Kühlmedium auf die erste Strömungsrichtung (22) des Kühlmediums umgeschaltet wird. characterized in that with fuel cell systems (120) with large When the cooling medium reaches a second temperature value (100), the heat capacity is converted to the second flow direction (24) of the cooling medium (counterflow) and when the temperature drops below the first temperature value (98), the cooling medium switches to the first flow direction (22) of the cooling medium.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch 10. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized
gekennzeichnet, dass bei Brennstoffzellensystemen (122) mit kleiner Wärmekapazität die Umschaltung von der ersten Strömungsrichtung (22) (Gleichstrom), in die zweite Strömungsrichtung (24) (Gegenstrom) und umgekehrt bei gleichen Temperaturwerten vorgenommen wird, wobei eine Mindestzeitspanne Atmin einzuhalten ist, so dass das Kühlmedium durch den Kühler (18) strömt und dort abgekühlt wird. characterized in that in the case of fuel cell systems (122) with a small heat capacity, the switchover from the first flow direction (22) (direct current) to the second flow direction (24) (counterflow) and vice versa is carried out at the same temperature values, with a minimum time period At min being observed, so that the cooling medium flows through the cooler (18) and is cooled there.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch 11. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized
gekennzeichnet, dass bei Brennstoffzellensystem (120) mit großer Wärmekapazität und bei Brennstoffzellensystem (122) mit kleiner Wärmekapazität eine Umschaltung der Strömungsrichtungen (22, 24) des Kühlmediums abhängig vom Verlauf (44) der relativen Feuchte f am Kathodenaustritt erfolgt.  characterized in that in the case of fuel cell systems (120) with a large heat capacity and in fuel cell systems (122) with a small heat capacity, the flow directions (22, 24) of the cooling medium are switched depending on the course (44) of the relative humidity f at the cathode outlet.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Feuchte f mit einem Sensor gemessen, oder mit einem Modell für Wassermanagement in einem Steuergerät, das eine 12. The method according to claim 11, characterized in that the relative humidity f measured with a sensor, or with a model for water management in a control unit, the one
Kathodenaustrittsfeuchte berechnet, bestimmt wird.  Cathode outlet moisture is calculated, determined.
13. Vorrichtung zur Kühlung mindestens eines Brennstoffzellenstapels (10) eines Brennstoffzellensystems (120, 122) mit großer oder kleiner Wärmekapazität gemäß des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine 13. Device for cooling at least one fuel cell stack (10) of a fuel cell system (120, 122) with large or small heat capacity according to the method according to one of claims 1 to 12, characterized in that the at least one
Brennstoffzellenstapel (10) des Brennstoffzellensystems (120, 122) in einen Kühlkreislauf eingebunden ist, in dem ein Förderaggregat (20) mit Förderrichtungsumkehr aufgenommen ist, oder ein erstes Ventil (26) und ein zweites Ventil (28) vorhanden sind, mit denen eine erste Strömungsrichtung (22) des Kühlmediums im Gleichstrom oder eine zweite Strömungsrichtung (24) des Kühlmediums im Gegenstrom darstellbar sind. Fuel cell stack (10) of the fuel cell system (120, 122) is integrated in a cooling circuit, in which a delivery unit (20) with reversed delivery direction is accommodated, or a first valve (26) and a second valve (28) are provided, with which a first Flow direction (22) of the cooling medium in Direct current or a second flow direction (24) of the cooling medium can be represented in countercurrent.
14. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Betriebsstrategie für die Umschaltung von Strömungsrichtungen (22, 24) eines Kühlmediums in mindestens einem Brennstoffzellenstapel (10) eines Brennstoffzellensystems (120, 122). 14. Use of the method according to one of claims 1 to 12 as an operating strategy for switching flow directions (22, 24) of a cooling medium in at least one fuel cell stack (10) of a fuel cell system (120, 122).
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