WO2020038791A1 - Verfahren zur startvorbereitung eines abgestellten brennstoffzellensystems - Google Patents

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Pere Antoni Pastor Nigorra
Sven Schmalzriedt
Armin MÜTSCHELE
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Definitions

  • the invention relates to a method for preparing a parked vehicle
  • Fuel cell systems are known from the general prior art. For example, they can be used in vehicles to provide electrical drive power.
  • One of the problems of fuel cell systems is the creation of very pure water in the fuel cell system during operation. If temperatures now drop below freezing, which will inevitably occur in vehicle applications in particular, this can happen
  • Fuel cell system can be started. This is because, due to condensed and frozen moisture, gas line channels and / or valves, for example, may be blocked and other components may be impaired in their function due to the formation of ice.
  • Fuel cell system a start preparation routine is carried out to discharge water and moisture from the fuel cell system. Typically, the fuel cell system is flushed with gas, which, for example, by the
  • Fuel cell system for example, wakes up when the ambient temperature drops below a predetermined limit, then the start preparation routine
  • the start preparation routine always follows the same pattern, in that a predetermined amount of gas, for example air and / or hydrogen, is conveyed through the fuel cell system in order to discharge moisture and blow out water.
  • a predetermined amount of gas for example air and / or hydrogen
  • all gas delivery devices are run at a constant speed for a fixed predetermined time.
  • the time and the associated amount of gas are typically always designed so that safe and reliable drying can be achieved in any case.
  • this is relatively complex, since the time and the amount of gas, and thus the energy required and the noise emissions caused, must always be designed for the maximum humidity. If the fuel cell system has been switched off after operation with minimal moisture, the drying takes place too much, which affects the service life of the fuel cell system or its fuel cell.
  • the object of the present invention is to create one
  • Fuel cell system enables.
  • Airflow is dried.
  • a larger part of the air flow is passed through the fuel cell and a smaller part of the air flow through the system bypass.
  • the fuel cell is primarily dried and only a little air passes through the system bypass.
  • this is reversed, in which a larger part of the air flow through the system bypass and smaller part of the air flow is passed through the fuel cell. This supports a very efficient drying of the fuel cell system.
  • heating devices in the fuel cell system are already in one before the first time phase
  • the operation of the heating device can in particular be the operation of existing electrical heating devices, via which, for example, valves, line elements, water separators or the like can be heated.
  • Any other type of heating device can also be used, for example a heat exchanger which is operated with residual heat from the cooling water or a heat store. It is also conceivable, for example, to operate actuators for valve devices or the like in such a way that excessive waste heat is generated in order to heat the valve or the like connected to the actuator.
  • Such heating means that water is evaporated or, if the first parts of the water have already frozen, thawed again in order to make drying particularly efficient.
  • the operation of the heater can be done during the entire
  • Start preparation routine i.e. the two phases in series with the conveyed air flow, are maintained.
  • the conveyed air flow is ramped up to a constant value and thus a constant pressure at the beginning of the first phase and kept constant until the end of the second phase, even if the volume of air flow between the system bypass and the fuel cell is first in one and then in of the other kind. All of this contributes to efficient drying of the fuel cell system.
  • the air flow can in particular be passed through the cathode side of the fuel cell, while for the duration of the first and second phases
  • Anode compartment of the fuel cell is supplied with hydrogen at pulsating pressure when the anode drain valve is open.
  • the anode side is thus flushed with hydrogen, for which purpose an anode drain valve, for example after the anode or in a fundamentally known anode circuit, is opened accordingly.
  • the pulsating pressure of the hydrogen ensures that even with a relatively low volume flow of hydrogen, moisture and in particular liquid water are very well discharged from the anode compartment of the fuel cell, so that with minimal hydrogen consumption a efficient drying is achieved.
  • the hydrogen is then brought into the exhaust air line in the usual way, for example, and can be released into the environment in a correspondingly diluted manner with the volume flow of the exhaust air flowing through the system bypass and the cathode chamber of the fuel cell, so that none
  • Emission limit values are exceeded and no flammable or even explosive mixtures can arise.
  • the pulsating pressure is adjusted by the value of the constant pressure of the air flow, preferably such that its mean value is greater than or equal to the value of the constant pressure. An ideal discharge of moisture from the entire fuel cell system can thus be achieved.
  • the start of the entire start preparation routine can take place as a function of a temperature limit.
  • the start preparation routine is therefore not started immediately after the fuel cell system has been switched off, but in the manner described at the outset in the sense of a standstill conditioning in the switched off fuel cell system as soon as a temperature limit value has been reached.
  • a temperature limit value for example, the ambient temperature or the temperature inside the fuel cell system, in particular in the area of the fuel cell or in the coolant for the fuel cell, is measured.
  • the first phase can be started accordingly, or if an upstream heating phase is planned, this phase, the start of the first phase then taking place after the start of the heating phase, for example after a constant or temperature-dependent heating-up time.
  • a temperature limit for example a temperature limit of 5 ° C
  • Fig. 1 shows a vehicle with a fuel cell system which is suitable for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram of the temperature T over time T, to illustrate the
  • FIG. 3 shows a diagram of various states over time t, to explain the sequence of the method according to the invention.
  • a vehicle 1 is indicated in a very highly schematic manner.
  • the vehicle 1 can be used, for example, as a passenger car, a truck or a truck
  • vehicle 1 rail-bound vehicle or as an industrial truck for logistics purposes.
  • vehicle 1 could just as well be used, for example, as a ship or an aircraft.
  • a fuel cell system 2 indicated in principle, the core of which forms a fuel cell 3.
  • This fuel cell 3 is to be constructed as a stack of PEM single cells, as a so-called fuel cell stack or fuel cell stack. Is symbolic within the
  • Fuel cell 3 a cathode compartment 4 and an anode compartment 5 are indicated.
  • air is supplied to the cathode compartment 4 via an air delivery device 13 as an oxygen supplier.
  • Exhaust air arrives from the fuel cell system 2 via an exhaust air line and an exhaust air turbine 15.
  • Hydrogen is supplied to the anode compartment 5 of the fuel cell 3 from a compressed gas store 6 via a pressure control and metering unit 7.
  • Unused hydrogen as well as inert gases and water, which arise in the area of the anode space 5, are returned via a recirculation line 8 and can be fed to the anode space 5 again mixed with fresh hydrogen. There is one in the recirculation line 8
  • Embodiment is designed as a gas jet pump.
  • Recirculation conveyor 9 could just as well
  • Hydrogen recirculation blower or HRB (Hydrogen Recirculation Blower) or as a combination of a gas jet pump and a blower.
  • a water separator 10 in the recirculation line 8 which is connected to the exhaust air line via an outlet line 12 with an anode drain valve 11.
  • Water can thus be collected via the water separator 10 and the valve 11 and, for example, drained from time to time. It is equally conceivable to drain the water as a function of a fill level in the water separator 10 or as a function of concentrations in the so-called anode circuit. Gas can also be discharged together with the water, since there is water in the Anode circuit enriches with the time inert gas which has diffused through the membranes of the fuel cell 3 from the cathode chamber 4 into the anode chamber 5. Since this would reduce the hydrogen concentration in the volume of the anode circuit, this gas must also be released. This can be done via a separate line or together with the water via the drain line 12 and the valve 11.
  • the purpose of such a so-called electric turbocharger or motor-assisted turbocharger is that energy from the exhaust air can be used to supply the air conveying device 13 with supporting power and thus to minimize the electrical power required for the air conveying device 13.
  • the fuel cell system 2 in the indicated vehicle 1 has a humidifier 14 between the supply air line and the exhaust air line, which can be designed, for example, as a gas / gas humidifier known per se, and which in normal operation contains moisture from the moist exhaust air from the cathode chamber 4 in transfers the dry and hot supply air to the cathode compartment 4.
  • a humidifier 14 between the supply air line and the exhaust air line, which can be designed, for example, as a gas / gas humidifier known per se, and which in normal operation contains moisture from the moist exhaust air from the cathode chamber 4 in transfers the dry and hot supply air to the cathode compartment 4.
  • System bypass arranged, which consists of a bypass line 17 and a bypass valve 18.
  • This system bypass allows extracted air to be discharged again without flowing through the fuel cell 3 or the cathode space 4. In the case of flow compressors, this can be useful and necessary, for example, in order to ensure that the air conveying device 13 does not exceed the surge limit during operation.
  • the system bypass can also be opened in other situations in order to guide air past the fuel cell 3, for example in the event of a highly dynamic load step down or the like.
  • the air conducted via the system bypass then reaches the surroundings via the exhaust air turbine 15, so that at least some of the energy used for compression can also be recovered.
  • Circulation of exhaust gas can now accumulate in the operation of the fuel cell, which acts as product water in the conversion of oxygen and
  • Moisture which is pure water, is also associated with the potential risk of freezing of the fuel cell 3, the lines, the valves 11, 18 and the like if the temperatures in the vicinity of the vehicle 1 and thus also after a long period of inactivity the vehicle 1 and in particular in the
  • Fuel cell system 2 fall below freezing.
  • the fuel cell system 2 or the fuel cell 3 can of course also be thawed when restarting.
  • heating elements 19 can be provided in the fuel cell system for this purpose. These are indicated in the illustration in FIG. 1 as electrical heating elements 19 which can optionally also be used for the method described later. It could just as well be heat exchangers which heat with the residual energy from the fuel cell system, which is stored, for example, in the cooling water.
  • Fuel cell system 2 in regular operation.
  • Fuel cell system 2 fluctuates around the usually occurring average Temperature of the fuel cell system 2, which is referred to here as To and can, for example in the case of a fuel cell system 2 with a PEM fuel cell 3, be in the order of 65 ° C.
  • the ambient temperature Tu should be below the freezing point, i.e. below the indicated line at 0 ° C. Temperature T thus cools over time t
  • a temperature limit T G which is, for example, just above the freezing point of water, for example at 3 ° C. to 10 ° C., in particular at 5 ° C.
  • the start preparation routine is started. In the illustration in FIG. 2, this should be the case at time t 2 .
  • the method according to the invention is now specified in the illustration in FIG. 3.
  • Various variables are shown over time t, starting from time t 2 , analogous to the representation in FIG. 2.
  • pressure p 4 is shown on the cathode side of fuel cell system 2, which is built up by a conveyed air flow V. It is indicated with a broken line in the diagram.
  • the solid line indicates the corresponding pressure on the anode side and denotes p 5 .
  • the entire start preparation routine is now divided into three different phases in the preferred exemplary embodiment shown here.
  • the first phase between times t 2 and t 2i represents an upstream heating phase.
  • the second time phase between times t 22 and t 23 .
  • the heating elements 19 which are ideally present in the fuel cell system 2, a line above the time axis t also indicating that the heating is switched on and a line on the time axis t stopped operation of the heating elements 19 indicates.
  • the start preparation routine which is carried out here as so-called standstill conditioning, starts at time t 2 .
  • the start begins with an upstream heating phase between times t 2 and t 2i . In this phase, only those are
  • Heating elements 19 in operation, in particular to heat water and ideally to evaporate it.
  • a volume flow V of air is then conveyed via the air conveying device 13 or an alternative blower or a pressure accumulator.
  • this is divided into the two air streams V 4 indicated in the diagram in FIG. 3 through the cathode compartment 4 and V 17 through the system bypass.
  • the regulation can be achieved in particular by opening or closing the bypass valve 18 to a greater or lesser extent, for example as
  • Bypass valve 18 is designed as a pure open / close valve. In the first phase of the flow of air flow V, that is between times t 2i and t 22 , the larger part V 4 of the air flow V is passed through the cathode chamber 4, while only a smaller part V 17 of the air flow V flows through the system bypass.
  • the pressure p 4 which is built up by the air flow V, is after the
  • Air delivery device 13 and the hydrogen metering are then switched off and the pressures p and volume flows V decrease accordingly.
  • Start-up routine i.e. the upstream heating phase as well as the first and second time phases, remain in operation. They are only switched off again at time t 23 , it also being conceivable that the heating elements 19 were already in operation the second phase, that is to say to switch off at a point in time between times t 22 and t 23 .
  • the anode drain valve 11 is open continuously during the first and the second time phase, that is to say between the times t 2i and t 23 .
  • Hydrogen from the compressed gas storage 6 is pulsed through the anode compartment 5, as is indicated by the pressure p 5 accordingly.
  • This pulsed metering in particular liquid water but also moisture, is carried away much better, so that the anode compartment 5 can be dried very efficiently with a minimal amount of hydrogen.
  • the individual pressure peaks and pressure drops of the pulsating pressure p 5 fluctuate around the pressure value p 4 in the cathode chamber 4, which is kept constant accordingly.
  • the mean value of the pressure Ps is slightly above the constant pressure value p 4 during the start preparation routine in order to efficiently prevent the penetration of oxygen through the membranes of the fuel cell 3 from the cathode compartment 4 into the anode compartment 5.
  • the water is then discharged via line 12 and passes together with the hydrogen and mixed or diluted by the
  • Air flow V which flows through the cathode chamber 4 and the system bypass, into the environment.
  • the anode drain valve 11 is also closed again. Drying the
  • the fuel cell system is then complete.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Startvorbereitung eines Brennstoffzellensystems (2) in einem Fahrzeug (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und wenigstens einem Systembypass, wobei zumindest ein Luftstrom (V̇) durch Teile des Brennstoffzellensystems (2) gefördert wird, um dieses zu trocknen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten zeitlichen Phase (t22-t21) ein größerer Teil des Luftstroms (V̇) durch die Brennstoffzelle (3) und ein kleinerer Teil des Luftstroms durch den Systembypass (15) geleitet wird, wonach in einer zweiten zeitlichen Phase (t23-t22) ein größerer Teil des Luftstroms durch den Systembypass (15) und ein kleinerer Teil des Luftstroms (V̇) durch die Brennstoffzelle (3) geleitet wird.

Description

Verfahren zur Startvorbereitung eines abgestellten Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten eines abgestellten
Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug auf einen Startvorgang nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise in Fahrzeugen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Eines der Probleme von Brennstoffzellensystemen liegt dabei in der Entstehung von sehr reinem Wasser in dem Brennstoffzellensystem während des Betriebs. Kommt es nun zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, was insbesondere bei Fahrzeuganwendungen unvermeidbar auftreten wird, dann kann das
Brennstoffzellensystem einfrieren und macht bei einem erneuten Startvorgang dann entsprechende Probleme beziehungsweise es benötigt sehr lange, bis das
Brennstoffzellensystem gestartet werden kann. Dies liegt daran, dass aufgrund von auskondensierter und gefrorener Feuchtigkeit beispielsweise Gasleitungskanäle und/oder Ventile blockiert und andere Bauteile durch die Eisbildung in ihrer Funktion beeinträchtigt sein können.
Um dieser Problematik entgegenzuwirken ist es aus zum Beispiel aus der DE 101 50 386 A1 sowie aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass zum Vorbereiten eines Brennstoffzellensystems auf einen Startvorgang beim Abschalten des
Brennstoffzellensystems eine Startvorbereitungsroutine durch geführt wird, um Wasser und Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellensystem auszutragen. Typischerweise wird das Brennstoffzellensystem dabei mit Gas gespült, welches beispielsweise durch die
Luftfördereinrichtung und/oder ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse oder ein
andersartiges Gebläse gefördert wird. Hierdurch wird Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellensystem ausgeblasen und eventuelle Wasserabscheider und dergleichen können geleert und durchspült werden, um auch hier möglichst viel Feuchtigkeit auszutragen. Nun ist es so, dass Brennstoffzellensysteme beim Abstellen und dem danach folgenden Abschaltprozess typischerweise noch sehr warm sind, sodass gegebenenfalls Dampf in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, welcher später noch auskondensiert, und, sofern die Temperaturen dann unter den Gefrierpunkt fallen, ebenfalls zu den oben beschriebenen Problemen führen kann. Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es daher ergänzend oder alternativ zu der oben beschriebenen Startvorbereitungsroutine auch bekannt, eine Startvorbereitungsroutine im Stillstand des Brennstoffzellensystems durchzuführen. Hierfür wird das
Brennstoffzellensystem beispielsweise beim Abfall der Umgebungstemperatur unter einen vorgegebenen Grenzwert aufgeweckt, um dann die Startvorbereitungsroutine
durchzuführen und das System zu trocknen. Im Gegensatz zum Trocknen unmittelbar nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems hat diese häufig auch als
Konditionierung bzw. Stillstandskonditionierung bezeichnete Startvorbereitungsroutine den Vorteil, dass später noch auskondensiertes Wasser mit entfernt werden kann. In diesem Zusammenhang kann beispielweise auf die DE 10 2016 1 16 214 A1 verwiesen werden.
Typischerweise wird gemäß dem allgemeinen Stand der Technik die
Startvorbereitungsroutine immer nach demselben Muster ablaufen, indem eine vorgegebene Menge an Gas, beispielsweise an Luft und/oder Wasserstoff, durch das Brennstoffzellensystem gefördert wird, um Feuchtigkeit auszutragen und Wasser auszublasen. Um dies zu erreichen lässt man zum Beispiel alle Gasfördereinrichtungen bei konstanter Drehzahl für eine fest vorgegebene Zeit laufen. Die Zeit und die damit verbundene Gasmenge ist dabei typischerweise immer so ausgelegt, dass eine sichere und zuverlässige Trocknung in jedem Fall erzielt werden kann. Dies ist einerseits relativ aufwändig, da die Zeit und die Gasmenge und damit die benötigte Energie und die verursachte Lärmemission immer auf die maximale Feuchtigkeit ausgelegt werden muss. Ist das Brennstoffzellensystem nach einem Betrieb mit minimaler Feuchtigkeit abgeschaltet worden, erfolgt die Trocknung viel zu stark, was die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems bzw. seiner Brennstoffzelle beeinträchtigt.
Aus der DE 1 1 2007 002 603 T5 ist es außerdem bekannt, dass Brennstoffzellensysteme hinsichtlich ihres Betriebsmodus so betrieben werden können, dass sie einen feuchteren oder einen trockneren Betrieb haben. Im trockneren Betrieb ist jedoch typischerweise die Lebensdauer eingeschränkt. Dennoch schlägt die genannte Schrift vor, im Falle eines bevorstehenden Abstellens des Brennstoffzellensystems dieses eher in einem trockenen Betrieb zu betreiben, um so auf eine Startvorbereitungsroutine weitgehend verzichten zu können. In der Praxis führt dies zu Einschränkungen hinsichtlich der Lebensdauer, da eine ausreichende Befeuchtung ein entscheidendes Kriterium für einen schonenden Betrieb eines Brennstoffzellensystems bzw. seiner Brennstoffzelle ist, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen und den damit einhergehenden hohen Anforderungen an die Leistungsdynamik.
Es wäre daher wünschenswert, ein Brennstoffzellensystem und seine Brennstoffzelle immer bei der idealen Befeuchtung betreiben zu können. Um im Falle eines Gefrierstarts später keine Blockaden durch Eis oder dergleichen befürchten zu müssen, ist
dementsprechend eine möglichst effiziente Startvorbereitungsroutine im oben
beschriebenen Sinn vorzusehen, um das Brennstoffzellensystem bei Bedarf zu trocknen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine eben solche
Startvorbereitungsroutine anzugeben, welche eine sehr effiziente und damit hinsichtlich Emissionen und Energie sparsame Methode zur Trocknung eines
Brennstoffzellensystems ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es bei einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einem Systembypass vor, dass das
Brennstoffzellensystem, wie auch im Stand der Technik, durch einen geförderten
Luftstrom getrocknet wird. Um das Verfahren möglichst effizient durchzuführen, ist es dabei vorgesehen, dass in einer ersten zeitlichen Phase ein größerer Teil des Luftstroms durch die Brennstoffzelle und ein kleinerer Teil des Luftstroms durch den Systembypass geleitet wird. In dieser Phase wird also primär die Brennstoffzelle getrocknet und nur wenig Luft gelangt durch den Systembypass. In einer zeitlich darauffolgenden Phase wird dies umgekehrt, in dem ein größerer Teil des Luftstroms durch den Systembypass und ein kleinerer Teil des Luftstroms durch die Brennstoffzelle geleitet wird. Dies unterstützt eine sehr effiziente Trocknung des Brennstoffzellensystems.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee werden dabei Heizeinrichtungen in dem Brennstoffzellensystem bereits vor der ersten zeitlichen Phase in einer
vorgeschalteten Heizphase betrieben. Der Betrieb der Heizeinrichtung kann insbesondere der Betrieb von vorhandenen elektrischen Heizeinrichtungen sein, über welche beispielsweise Ventile, Leitungselemente, Wasserabscheider oder dergleichen beheizt werden können. Auch jede andere Art von Heizeinrichtung kann Verwendung finden, beispielsweise ein Wärmetauscher, welcher mit Restwärme aus dem Kühlwasser oder einem Wärmespeicher betrieben wird. Auch beispielsweise ein Betrieb von Aktuatoren für Ventileinrichtungen oder dergleichen in der Art, dass übermäßige Abwärme anfällt, um das mit dem Aktuator in Verbindung stehende Ventil oder dergleichen zu beheizen, ist dabei denkbar. Durch eine solche Beheizung wird Wasser verdampft oder im Falle, dass bereits erste Teile des Wassers eingefroren sind, wieder aufgetaut, um so die Trocknung besonders effizient zu machen.
Der Betrieb der Heizeinrichtung kann dabei während der gesamten
Startvorbereitungsroutine, also den beiden zeitlich hintereinander geschalteten Phasen mit dem geförderten Luftstrom, aufrechterhalten werden. Der geförderte Luftstrom wird dabei zu Beginn der ersten Phase auf einen konstanten Wert und damit einen konstanten Druck hochgefahren und bis zum Ende der zweiten Phase konstant gehalten, auch wenn der Luftstrom hinsichtlich seines Volumenstroms zwischen dem Systembypass und der Brennstoffzelle zuerst in der einen und dann in der anderen Art aufgeteilt wird. All dies trägt zu einer effizienten Trocknung des Brennstoffzellensystems bei.
Der Luftstrom kann dabei insbesondere durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle geleitet werden, während für die Dauer der ersten und der zweiten Phase ein
Anodenraum der Brennstoffzelle bei geöffnetem Anodenablassventil mit Wasserstoff bei pulsierendem Druck versorgt wird. Die Anodenseite wird also mit Wasserstoff durchspült, wozu ein Anodenablassventil beispielsweise nach der Anode oder in einem grundlegend bekannten Anodenkreislauf entsprechend geöffnet wird. Der pulsierende Druck des Wasserstoffs sorgt dafür, dass auch bei relativ geringem Volumenstrom an Wasserstoff Feuchtigkeit und insbesondere flüssiges Wasser sehr gut aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle ausgetragen wird, sodass mit minimalem Wasserstoffverbrauch eine effiziente Trocknung erzielt wird. Der Wasserstoff wird dann auf dem üblichen Weg beispielsweise in die Abluftleitung gebracht und kann mit der durch den Systembypass und den Kathodenraum der Brennstoffzelle strömenden Volumenstrom der Abluft entsprechend verdünnt in die Umgebung abgegeben werden, sodass keine
Emissionsgrenzwerte überschritten werden und keine brennbaren oder gar explosiven Gemische entstehen können.
Der pulsierende Druck wird dabei um den Wert des konstanten Drucks des Luftstroms eingestellt, vorzugsweise so, dass sein Mittelwert größer oder gleich dem Wert des konstanten Drucks ist. Somit kann ein idealer Austrag von Feuchtigkeit aus dem gesamten Brennstoffzellensystem erzielt werden.
Der Beginn der gesamten Startvorbereitungsroutine kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee in Abhängigkeit eines Temperaturgrenzwerts erfolgen. Die Startvorbereitungsroutine wird also nicht unmittelbar nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems gestartet, sondern in der eingangs beschriebenen Art und Weise im Sinne einer Stillstandskonditionierung beim abgestellten Brennstoffzellensystem sobald ein Temperaturgrenzwert erreicht worden ist. Hierzu wird beispielsweise die Umgebungstemperatur oder die Temperatur im Inneren des Brennstoffzellensystems, insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle oder im Kühlmittel für die Brennstoffzelle gemessen. Fällt der Temperaturwert unter einen Temperaturgrenzwert, beispielsweise einen Temperaturgrenzwert von 5° C, dann kann die erste Phase entsprechend gestartet werden, oder falls eine vorgeschaltete Heizphase eingeplant ist, eben diese, wobei der Start der ersten Phase dann zeitlich nach dem Start der Heizphase erfolgt, beispielsweise nach einer konstanten oder temperaturabhängigen Aufheizzeit.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist; Fig. 2 ein Diagramm der Temperatur T über der Zeit T, zur Verdeutlichung des
Zeitpunkts der Startvorbereitung; und
Fig. 3 ein Diagramm verschiedener Zustände über der Zeit t, zur Erläuterung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Fahrzeug 1 sehr stark schematisiert angedeutet. Das Fahrzeug 1 kann beispielsweise als Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, als
schienengebundenes Fahrzeug oder als Flurförderfahrzeug für Logistikzwecke ausgebildet sein. Genauso gut könnte das Fahrzeug 1 beispielsweise als Schiff oder Luftfahrzeug eingesetzt werden. In dem Fahrzeug 1 befindet sich ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 2, dessen Kern eine Brennstoffzelle 3 bildet. Diese Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Einzelzellen aufgebaut sein, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack. Symbolisch ist innerhalb der
Brennstoffzelle 3 ein Kathodenraum 4 sowie ein Anodenraum 5 angedeutet. Dem
Kathodenraum 4 wird für den regulären Betrieb Luft über eine Luftfördereinrichtung 13 als Sauerstofflieferant zugeführt. Abluft gelangt über eine Abluftleitung und eine Abluftturbine 15 aus dem Brennstoffzellensystem 2. Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 7 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff sowie Inertgase und Wasser, welche im Bereich des Anodenraums 5 entstehen, werden über eine Rezirkulationsleitung 8 zurückgeführt und können vermischt mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 5 erneut zugeführt werden. In der Rezirkulationsleitung 8 ist dabei eine
Rezirkulationsfördereinrichtung 9 angeordnet, welche in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel als Gasstrahlpumpe ausgebildet ist. Die
Rezirkulationsfördereinrichtung 9 könnte dabei genauso gut als
Wasserstoffrezirkulationsgebläse bzw. HRB (Hydrogen Recirculation Blower) oder als Kombination aus einer Gasstrahlpumpe und einem Gebläse realisiert sein.
Außerdem befindet sich in der Rezirkulationsleitung 8 ein Wasserabscheider 10, welcher über eine Ablassleitung 12 mit einem Anodenablassventil 1 1 mit der Abluftleitung verbunden ist. Über den Wasserabscheider 10 und das Ventil 1 1 kann so Wasser gesammelt und beispielsweise von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Genauso gut ist es denkbar, das Wasser in Abhängigkeit eines Füllstands in dem Wasserabscheider 10 oder in Abhängigkeit von Konzentrationen in dem sogenannten Anodenkreislauf abzulassen. Zusammen mit dem Wasser kann außerdem Gas mit abgelassen werden, da sich in dem Anodenkreislauf mit der Zeit Inertgas, welches durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundiert ist, anreichert. Da hierdurch die Wasserstoffkonzentration in dem in seinem Volumen konstanten Anodenkreislauf sinken würde, muss dieses Gas ebenfalls mit abgelassen werden. Dies kann über eine eigene Leitung erfolgen oder zusammen mit dem Wasser über die Ablassleitung 12 und dem Ventil 1 1.
In der Darstellung der Figur 1 ist nun außerdem in Wirkverbindung mit der
Luftfördereinrichtung 13 und der Abluftturbine 15 eine elektrische Maschine 16 zu erkennen. Diese können wie beispielhaft angedeutet auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Es wäre genauso gut denkbar, die Luftfördereinrichtung 13 mit einem Elektromotor und die Abluftturbine 15 mit einem Generator zu versehen und diese rein elektrisch zu verbinden. Der Sinn und Zweck eines solchen sogenannten elektrischen Turboladers oder motorunterstützten Turboladers liegt darin, dass Energie aus der Abluft verwendet werden kann, um die Luftfördereinrichtung 13 mit unterstützender Leistung zu versorgen und somit die benötigte elektrische Leistung für die Luftfördereinrichtung 13 zu minimieren. In speziellen Situationen bei viel Abluft und geringem Zuluftbedarf, beispielsweise beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 2, kann es auch zu einem Energieüberschuss im Bereich der Abluftturbine kommen. Dieser kann dann über die elektrische Maschine 16 generatorisch in elektrische Leistung umgewandelt und beispielsweise in einer hier nicht dargestellten Batterie gespeichert werden.
Außerdem hat das Brennstoffzellensystem 2 in dem angedeuteten Fahrzeug 1 zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung einen Befeuchter 14, welcher beispielsweise als an sich bekannter Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet sein kann, und welcher im regulären Betrieb Feuchtigkeit von der feuchten Abluft aus dem Kathodenraum 4 in die trockene und heiße Zuluft zu dem Kathodenraum 4 überträgt. Ferner ist zwischen der Druckseite der Luftfördereinrichtung 13 und der Saugseite der Abluftturbine 15 ein sogenannter
Systembypass angeordnet, welcher aus einer Bypassleitung 17 und einem Bypassventil 18 besteht. Dieser Systembypass erlaubt es, geförderte Luft, ohne dass diese durch die Brennstoffzelle 3 bzw. den Kathodenraum 4 strömt, wieder abzuführen. Dies kann bei Strömungsverdichtern beispielsweise sinnvoll und notwendig sein, um im Betrieb der Luftfördereinrichtung 13 sicherzustellen, dass diese die Pumpgrenze nicht überschreitet. Auch in anderen Situationen kann der Systembypass geöffnet werden, um Luft an der Brennstoffzelle 3 vorbeizuleiten, beispielsweise bei einem hochdynamischen Lastsprung nach unten oder dergleichen. Die über den Systembypass geleitete Luft gelangt dann über die Abluftturbine 15 in die Umgebung, sodass zumindest ein Teil der zum Verdichten aufgewendeten Energie auch wieder zurückgewonnen werden kann.
In der Brennstoffzelle 3 selbst und damit in allen in Strömungsrichtung nach der
Brennstoffzelle 3 liegenden Leitungselementen oder bei einer Kreislaufführung beispielsweise auf der Anodenseite auch in allen anderen Komponenten dieser
Kreislaufführung von Abgas kann sich nun im Betrieb der Brennstoffzelle Feuchtigkeit ansammeln, welche als Produktwasser bei der Umsetzung von Sauerstoff und
Wasserstoff zu elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 3 entsteht. Mit dieser
Feuchtigkeit, bei welcher es sich um reines Wasser handelt, geht auch die potenzielle Gefahr eines Einfrierens der Brennstoffzelle 3, der Leitungen, der Ventile 11 , 18 und dergleichen einher, wenn die Temperaturen in der Umgebung des Fahrzeugs 1 und damit nach längerer Stillstandszeit auch in dem Fahrzeug 1 und insbesondere in dem
Brennstoffzellensystem 2 unter den Gefrierpunkt fallen. Grundsätzlich lässt sich das Brennstoffzellensystem 2 bzw. die Brennstoffzelle 3 natürlich auch beim Wiederstart auftauen. Dies ist jedoch relativ zeitaufwändig. Dennoch können zu diesem Zweck Heizelemente 19 in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein. Diese sind in der Darstellung der Figur 1 jeweils als elektrische Heizelemente 19 welche optional auch für das später beschriebene Verfahren genutzt werden können angedeutet. Genauso gut könnte es sich dabei um Wärmetauscher handeln, welche mit der Restenergie aus dem Brennstoffzellensystem, welche beispielsweise im Kühlwasser gespeichert ist, die Beheizung vornehmen.
Dennoch ist der Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts mit einem Auftauen der Brennstoffzelle 3, der Leitungen und der Komponenten sehr aufwändig. Um dem entgegenzuwirken kann, wie es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, eine Startvorbereitungsroutine eingesetzt werden, um das Brennstoffzellensystem 2 und seine Komponenten so weit zu trocknen, dass ein Einfrieren keine ernstzunehmende
Behinderung des Startprozesses der Brennstoffzelle mehr verursacht.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein Diagramm der Temperatur T über der Zeit t gezeigt. Zum Zeitpunkt to ist das Brennstoffzellensystem 2 bzw. das Fahrzeug 1 mit dem
Brennstoffzellensystem 2 im regulären Betrieb. Die mittlere Temperatur des
Brennstoffzellensystems 2 schwankt dabei um die üblicherweise auftretende mittlere Temperatur des Brennstoffzellensystems 2, welche hier mit To bezeichnet ist und beispielsweise bei einem Brennstoffzellensystem 2 mit einer PEM-Brennstoffzelle 3 in der Größenordnung von 65° C liegen kann.
Zum Zeitpunkt ti wird das Brennstoffzellensystem 2 nun abgeschaltet. Die
Umgebungstemperatur Tu soll dabei unterhalb des Gefrierpunkts, also unterhalb der angedeuteten Linie bei 0° C liegen. Mit der Zeit t kühlt die Temperatur T also
entsprechend ab und erreicht zum Zeitpunkt t3 beispielsweise einen Temperaturwert, welcher in etwa der Umgebungstemperatur Tu entspricht. Um nun für solche Fälle ein Einfrieren des Brennstoffzellensystems 2 und insbesondere der Brennstoffzelle 3 zu verhindern, kann, wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist, beim
Erreichen eines Temperaturgrenzwerts TG, welcher beispielsweise knapp oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser, beispielsweise bei 3°C bis 10°C, insbesondere bei 5° C, liegt, die Startvorbereitungsroutine begonnen werden. In der Darstellung der Figur 2 soll dies zum Zeitpunkt t2 der Fall sein.
Der konkrete Ablauf einer bevorzugten Ausführungsvariante gemäß des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun in der Darstellung der Figur 3 angegeben. Hierbei zeigen sich verschiedene Größen jeweils über der Zeit t dargestellt, ab dem Startzeitpunkt t2, anlog zur Darstellung in Figur 2. Ganz oben ist der Druck p4 auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 2 dargestellt, welcher durch einen geförderten Luftstrom V aufgebaut wird. Er ist dabei mit gestrichelter Linie in dem Diagramm angedeutet. Mit durchgezogener Linie ist der entsprechende Druck auf der Anodenseite angedeutet und mit p5 bezeichnet. Die gesamte Startvorbereitungsroutine untergliedert sich nun in dem hier dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel in drei unterschiedliche Phasen. Die erste Phase zwischen den Zeitpunkten t2 und t2i stellt eine vorgeschaltete Heizphase dar. Dann folgt die erste zeitliche Phase zwischen den Zeitpunkten t2i und t22, anschließend die zweite zeitliche Phase zwischen den Zeitpunkten t22 und t23. Nach dem Zeitpunkt t23 werden die Drücke und Volumenströme langsam wieder auf Null zurückgefahren, der automatisierte Betrieb zur Startvorbereitung des Brennstoffzellensystems 2 für einen späteren Wiederstart ist dann abgeschlossen. Unterhalb der beiden Drücke p4, ps ist das Schaltverhalten des Anodenablassventils 1 1 dargestellt, wobei im Diagramm der Strich auf der Zeitachse t ein geschlossenes und oberhalb der Zeitachse t ein geöffnetes Anodenablassventil 11 darstellt. Darunter befinden sich zwei aufgeteilte
Teilvolumenströme X eines geförderten Luftstroms V einmal durch den Kathodenraum 4, wobei dieser Volumenstrom dann mit V4 gekennzeichnet ist und einmal durch den Systembypass, also die Bypassleitung 17 und das Systembypassventil 18, wobei dieser Luftstrom dann mit V 17 gekennzeichnet ist. Darunter befindet sich mit einer ähnlichen Logik wie beim Anodenablassventil 1 1 ein angedeuteter Betrieb der Heizelemente 19, welche idealerweise in dem Brennstoffzellensystem 2 vorhanden sind, wobei auch hier eine Linie oberhalb der Zeitachse t den eingeschalteten Betrieb der Heizung und eine Linie auf der Zeitachse t den abgestellten Betrieb der Heizelemente 19 andeutet.
Zum Zeitpunkt t2 startet also die Startvorbereitungsroutine, welche hier als sogenannte Stillstandskonditionierung durch geführt wird. Der Start beginnt mit einer vorgeschalteten Heizphase zwischen den Zeitpunkten t2 und t2i. In dieser Phase sind lediglich die
Heizelemente 19 in Betrieb, um insbesondere Wasser zu erwärmen und im Idealfall zu verdampfen. Anschließend wird über die Luftfördereinrichtung 13 oder auch ein alternatives Gebläse oder ein Druckspeicher ein Volumenstrom V an Luft gefördert.
Dieser teilt sich in der Systemarchitektur des Brennstoffzellensystems 2 in die beiden im Diagramm der Figur 3 angedeuteten Luftströme V4 durch den Kathodenraum 4 und V 17 durch den Systembypass auf. Die Regelung lässt sich insbesondere durch ein mehr oder weniger starkes Öffnen und Schließen des Bypassventils 18, beispielsweise als
Proportionalventil oder durch eine puls-weiten-modulierte Ansteuerung, falls das
Bypassventil 18 als reines Auf/Zu-Ventil ausgebildet ist, realisieren. In der ersten Phase der Durchströmung mit dem Luftstrom V, also zwischen den Zeitpunkten t2i und t22 wird der größere Teil V4 des Luftstroms V durch den Kathodenraum 4 geleitet, während lediglich ein kleinerer Teil V 17 des Luftstroms V durch den Systembypass strömt. Der Druck p4, welcher durch den Luftstrom V aufgebaut wird, wird dabei nach dem
Hochfahren konstant gehalten. In einer zweiten Phase zwischen den Zeitpunkten t22 und t23 wird dann die Luft umgekehrt strömen, nämlich nur ein kleinerer Teil V4 durch den Kathodenraum 4 und der größere Teil Vi7 des Luftstroms V durch den Systembypass. Nach Abschluss der Startvorbereitungsroutine zum Zeitpunkt t23 wird die
Luftfördereinrichtung 13 und die Wasserstoffdosierung dann abgestellt und die Drücke p und Volumenströme V bauen sich entsprechend ab.
Dabei ist es so, dass die Heizelemente 19 während der gesamten
Startvorbereitungsroutine, also der vorgeschalteten Heizphase ebenso wie der ersten und der zweiten zeitlichen Phase, in Betrieb bleiben. Sie werden erst zum Zeitpunkt t23 wieder abgeschaltet, wobei es auch optional denkbar wäre, die Heizelemente 19 bereits während der zweiten Phase, also zu einem Zeitpunkt zwischen den Zeitpunkten t22 und t23 abzuschalten. Das Anodenablassventil 11 ist während der ersten und der zweiten zeitlichen Phase, also zwischen den Zeitpunkten t2i und t23, durchgehend geöffnet.
Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 6 wird pulsierend durch den Anodenraum 5 dosiert, wie es über den Druck p5 entsprechend angedeutet ist. Durch diese pulsierte Dosierung wird insbesondere flüssiges Wasser aber auch Feuchtigkeit sehr viel besser ausgetragen, sodass mit einer minimalen Menge an Wasserstoff der Anodenraum 5 sehr effizient getrocknet werden kann. Die einzelnen Druckspitzen und Drucksenken des pulsierenden Drucks p5 schwanken dabei um den Druckwert p4 im Kathodenraum 4, welcher entsprechend konstant gehalten wird. Idealerweise liegt der Mittelwert des Drucks Ps etwas über dem konstanten Druckwert p4 während der Startvorbereitungsroutine, um das Eindringen von Sauerstoff durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 hindurch von dem Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 effizient zu verhindern. Über das geöffnete Anodenablassventil 1 1 wird das Wasser dann über die Leitung 12 ausgetragen und gelangt zusammen mit dem Wasserstoff und vermischt bzw. verdünnt durch den
Luftstrom V, welcher durch den Kathodenraum 4 und den Systembypass strömt, in die Umgebung. Zum Zeitpunkt t23, also nach Ende der zweiten zeitlichen Phase, wird auch das Anodenablassventil 1 1 wieder geschlossen. Das Trocknen des
Brennstoffzellensystems ist dann abgeschlossen.
Durch die Aufteilung des Volumenstroms V der Luft in der beschriebenen Art und Weise wird eine sehr effiziente Trocknung erreicht. Dies gilt insbesondere wenn zusätzlich die Heizelemente 19 in einer vorgeschalteten Heizphase zwischen den Zeitpunkten t2und t2i betrieben werden. Prinzipiell funktioniert es jedoch auch ohne diese vorgeschaltete Heizphase, sodass die Startvorbereitungsroutine in der Darstellung der Figur 3 dann zum Zeitpunkt t2i starten würde, und der untere Teil des Diagramms 3 mit den Heizelementen 19 entfallen könnte.

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Verfahren zur Startvorbereitung eines Brennstoffzellensystems (2) in einem
Fahrzeug (1 ), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und wenigstens einem Systembypass, wobei zumindest ein Luftstrom (V) durch Teile des
Brennstoffzellensystems (2) gefördert wird, um dieses zu trocknen,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer ersten zeitlichen Phase (t22-t2i) ein größerer Teil des Luftstroms (V) durch die Brennstoffzelle (3) und ein kleinerer Teil des Luftstroms durch den
Systembypass (15) geleitet wird, wonach in einer zweiten zeitlichen Phase (t23-t22) ein größerer Teil des Luftstroms (V) durch den Systembypass (15) und ein kleinerer Teil des Luftstroms (V) durch die Brennstoffzelle (3) geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
Heizeinrichtungen (19) in dem Brennstoffzellensystem (2) bereits vor der ersten zeitlichen Phase (t22-t2i) in einer vorgeschalteten Heizphase (t22-t2) betrieben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Heizeinrichtungen (19) bis zum Ende der zweiten zeitlichen Phase (t23-t22) betrieben werden
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der geförderte Luftstrom (V) zu Beginn der ersten Phase (t22-t2i) auf einen konstanten Wert hochgefahren und bis zum Ende der zweiten Phase (t23-t22) konstant gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems (2) mit dem Luftstrom (V) durchströmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die während der ersten und der zweiten Phase ein Anodenraum (5) der
Brennstoffzelle (3) bei geöffnetem Anodenablassventil (11 ) mit Wasserstoff bei pulsierendem Druck (ps) versorgt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der pulsierende Druck(ps) um den Wert des konstanten Drucks des Luftstroms (V) eingestellt wird,
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Mittelwert des pulsierenden Drucks (ps) größer oder gleich dem Wert des konstanten Drucks (p4) des Luftstroms (V) ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Start der ersten Phase (t22-t2-i) in Abhängigkeit eines Temperaturgrenzwerts (TG) gestartet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Start der Heizphase (t2i-t2) in Abhängigkeit eines Temperaturgrenzwerts (TG) gestartet wird, wonach die erste Phase (t22-t2i) zeitabhängig nach dem Start der Heizphase (t2i-t2) gestartet wird.
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