WO2020064210A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2020064210A1
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coolant pump
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Markus Ruf
Hannah Staub
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Audi AG
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system which has at least one fuel cell which is integrated into a coolant circuit comprising a cooler, in which there is a first coolant pump for circulating a coolant, and to which a bypass line is assigned, in which a second coolant pump connected in parallel to the first coolant pump is integrated.
  • the invention further relates to a fuel cell system.
  • Fuel cell systems are used to provide electrical energy in the context of an electrochemical reaction, with this electrochemical reaction generating heat in the fuel cell in addition to the generation of electrical energy and product water.
  • the fuel cell works most efficiently in a certain temperature interval, so that the heat generated is dissipated by the cooler through the cooler.
  • US 2017/0346109 A1 therefore proposes to connect two coolant pumps in the cooling circuit in series, which are smaller in size than the use of a single coolant pump.
  • US Pat. No. 7,368,196 B2 also describes a fuel cell system which has a heat store in order to to be able to quickly put the fuel cell or a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack into normal operation in frost start conditions.
  • the heat accumulator is integrated in a bypass line of the cooling circuit, to which a second coolant pump is assigned, so that the temperature interval required for efficient operation of the fuel cell can be reached quickly.
  • Operating states can occur in a fuel cell system, in which the result is a low coolant volume flow or a high heat input into the coolant. This does not result in optimal conditions for the fuel cells in the fuel cell stack or for the cooler, in particular the main water cooler, of a motor vehicle. Such operating states can occur, for example, after driving uphill, driving in extreme heat, driving under full load and in various dynamic operating cases.
  • the volume flow through the cooler can be increased without the operating conditions of the fuel cell or the fuel cell stack being changed. This contributes to improved cooling in the fuel cell system.
  • the cooler circuit can be implemented in particular in that the volume flow through the cooler is increased by a part of the coolant emerging downstream from the cooler being sucked into the bypass line by the second coolant pump and being fed back to the cooler past the fuel cell.
  • the coolant conducted through the bypass line and drawn in by the second coolant pump is not heated by waste heat from the fuel cell, so that when the cooler flows through again, it has to absorb a smaller amount of heat. Overall, a significantly lower temperature can be achieved for the coolant.
  • a control unit which regulates a speed of the first coolant pump and / or the speed of the second coolant pump as a function of a maximum cooling capacity that can be provided by the cooler and as a function of a cooling capacity currently required by the cooler .
  • an additional operation of the second coolant pump is determined depending on the currently possible cooling capacity (including increasing the volume flow) and the necessary cooling capacity.
  • the sensor data of the temperature sensor in particular the thermometer, can be used to determine when the cooler has to provide increased cooling capacity.
  • the increased cooling capacity of the cooler is preferably required when the coolant temperature measured by the temperature sensor reaches or exceeds a limit temperature.
  • the cooler can also provide sufficient cooling capacity, which is typically operated as a recuperator with outside air flowing past the coolant lines of the cooler, possibly with the aid of a fan. If the coolant temperature is too close to the outside temperature, efficient cooling is no longer possible and is no longer desirable if the outside temperature is very low. In this case it has proven to be advantageous if the one with the bypass line and the one in it second coolant pump realized cooler circuit is weakened or made inactive.
  • the required increased cooling capacity of the cooler is determined predictively and / or in relation to the power model, in particular on the basis of data from an operating history of the fuel cell system or in particular on the basis of forecast data. Visible temperatures or traffic conditions.
  • expected route data entered in a navigation system of the motor vehicle to infer an expected increased cooling capacity requirement, for example because a mountain journey or journeys under full loads are to be expected.
  • the fuel cell system which is particularly suitable for carrying out the method described above, has at least one fuel cell which is integrated in a coolant circuit comprising a cooler, in which there is a first coolant pump for circulating a coolant, and to which a bypass line is assigned is integrated into which a second coolant pump connected in parallel to the first coolant pump.
  • This fuel cell system is characterized in that the coolant circuit has a branch to the bypass line upstream of the fuel cell, upstream of the first coolant pump and upstream of the second coolant pump, and that there is an opening in the coolant circuit into the coolant circuit downstream of the fuel cell.
  • This fuel cell system shows the advantage of improved cooling, the integration of the second coolant pump in a bypass can cause a significant increase in the volume flow conducted through the cooler, which has the effect similar to an enlarged coolant reservoir.
  • a temperature sensor is provided upstream of the mouth for measuring the coolant temperature emerging from the fuel cell.
  • FIG. 1 is a highly schematic representation of a fuel cell system comprising a coolant circuit
  • FIG. 2 shows a time-dependent representation of the volume flow conveyed by the cooler (Q104, top) and a time-dependent representation of the speed of the coolant present in the cooler (V104, bottom), one at the entrance at approx. 497 seconds the coolant temperature required by the fuel cell is reduced.
  • FIG. 1 shows the part of a fuel cell system 100 that is required to explain the invention, the fuel cell system 100 comprising a coolant circuit 102, in which a cooler 104 is integrated and which has a first coolant pump 108 for circulating a coolant.
  • a fuel cell 106 in particular a plurality of fuel cells 106 combined to form a fuel cell stack, is also integrated in the coolant circuit 102.
  • Each of the fuel cells 106 comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane that separates the anode from the cathode.
  • the membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA).
  • PTFE sulfonated tetrafluoroethylene polymer
  • PFSA perfluorinated sulfonic acid
  • the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.
  • a catalyst can additionally be admixed to the anodes and / or the cathodes, the membrane preferably being on its first side and / or on its second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like are coated, which serve as reaction accelerators in the reaction of the respective fuel cell 106.
  • Fuel for example hydrogen
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.
  • the PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons.
  • the reaction takes place at the anode: 2H2 -> 4H + + 4e _ (oxidation / electron donation).
  • the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.
  • the cathode gas for example oxygen or oxygen-containing air
  • the cathode gas can be supplied to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: O2 + 4H + + 4e _ -> 2H2O (reduction / electron absorption).
  • the cathode gas in particular is humidified before it is fed to the fuel cell in order to bring about a moisture saturation of the PEM.
  • cathode gas Since a plurality of fuel cells 106 are combined in the fuel cell stack, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available, so that a large cathode gas mass flow is provided by a compressor, the temperature of which greatly increases as a result of the compression of the cathode gas .
  • the conditioning of the cathode gas i.e. its setting with regard to the desired parameters, takes place in a charge air cooler and in a humidifier.
  • a single fuel cell 106 is shown in FIG. 1 purely by way of example, to which reactants are supplied so that the electrochemical reaction for generating electrical energy can take place in a controlled manner in the fuel cell 106.
  • a coolant circuit 102 with a cooler 104 is assigned to the fuel cell 106 to regulate the temperature of the fuel cell 106, and in particular to dissipate the heat generated during the electrochemical reaction, so that the cooler 104 can ensure that the coolant temperature at the inlet of the fuel cell 106 has the desired value.
  • the coolant is heated as it passes through the fuel cell 106 or the fuel cell stack, so that the temperature of the coolant increases.
  • the coolant circuit 102 is assigned a bypass line 110, in which a second coolant pump 112 connected in parallel with the first coolant pump 108 is integrated.
  • the coolant circuit 102 has a branch 118 to the bypass line 110 upstream of the fuel cell 106, upstream of the first coolant pump 108 and upstream of the second coolant pump 112, an opening 120 being provided in the coolant circuit 102, through which the bypass line 110 enters the coolant circuit 102 opens downstream of the fuel cell 106.
  • This configuration creates an additional cooler circuit 116 for the circulation of coolant, which can be controlled or actuated as required, which is formed from the bypass line 110 with the second coolant pump 112 integrated therein and the part of the coolant circuit 102 in which the cooler is located 104 is involved.
  • the part of the coolant conveyed by the cooler circuit 116 is guided past the fuel cell 106, so that this part of the coolant does not pass through the fuel cell 106 and therefore does not absorb any heat.
  • the volume flow through the cooler 104 can be increased without the operating conditions of the fuel cell 106 being significantly impaired or changed.
  • the volume flow of the coolant conveyed by the cooler 104 is increased by increasing the speed of the second coolant pump 112 integrated in the bypass line 110.
  • control unit that pumps a speed of the first coolant pump 108 and / or the speed of the second coolant pump 112 as a function of a maximum cooling capacity that can be provided by the cooler 104 and as a function of a cooling capacity that is currently required by the cooler 104 regulates.
  • the volume flow of the coolant conveyed by the cooler 104 is increased, the volume flow of the coolant conveyed by the fuel cell 106 is preferably essentially maintained in a state which existed at the time of determining the increased cooling capacity required by the cooler 104.
  • one or more actuators and / or valves can be integrated in the bypass line 110, so that the bypass line 110 can be decoupled from the coolant circuit 102 by a corresponding configuration of the actuators and / or valves, which is achieved by the dashed line is indicated.
  • a temperature sensor 114 in particular a thermometer is present.
  • FIG. 2 shows the volume flow Q104 conveyed by the cooler 104 and the speed of the coolant V104 flowing through the cooler 104, each in arbitrary units (au). Both the volume flow and the speed of the coolant increase significantly at about 497 seconds, since a lower temperature at the inlet of the fuel cell 106 is required here.
  • the speed of the second coolant pump 112 is increased in such a way that the subsequently increased coolant flow and the subsequently increased speed of the coolant result.
  • the second coolant pump 112 can initially be set from zero speed to an increased speed or from a predetermined speed to an even higher speed.
  • the fuel cell system 100 is characterized by improved cooling, the integration of the second coolant pump 112 in the bypass line 110 forming a smaller cooler circuit 116, which creates an additional setting option for reaching low temperatures with a low load on the fuel cell 106.
  • This system is therefore subject to increased dynamics and has an effect similar to that of an enlarged coolant store.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), welches mindestens eine Brennstoffzelle (106) aufweist, die in einen einen Kühler (104) umfassenden Kühlmittelkreislauf (102) eingebunden ist, in welchem eine erste Kühlmittelpumpe (108) zur Zirkulation eines Kühlmittels vorliegt, und welchem eine Bypassleitung (110) zugeordnet ist, in die eine zur ersten Kühlmittelpumpe (108) parallel geschaltete zweite Kühlmittelpumpe (112) eingebunden ist, umfassend die Schritte: - Feststellen, dass der Kühler (104) eine erhöhte Kühlleistung bereitzustellen hat, die gegenüber einer momentanen Kühlleistung des Kühlers (104) erhöht ist, und - Erhöhen eines Volumenstroms des durch den Kühler (104) geförderten Kühlmittels durch Erhöhen einer Drehzahl der in die Bypassleitung (110) eingebundenen zweiten Kühlmittelpumpe (112). Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (100).

Description

Brennstoffzellensystem
und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys- tems, welches mindestens eine Brennstoffzelle aufweist, die in einen einen Kühler umfassenden Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, in welchem eine erste Kühlmittelpumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels vorliegt, und wel- chem eine Bypassleitung zugeordnet ist, in die eine zur ersten Kühlmittel pumpe parallel geschaltete zweite Kühlmittelpumpe eingebunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellensysteme dienen dazu, im Rahmen einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei in dieser elektrochemi- schen Reaktion neben der Generierung von elektrischer Energie und Pro- duktwasser auch Wärme in der Brennstoffzelle anfällt. Die Brennstoffzelle arbeitet in einem bestimmten Temperaturintervall am effizientesten, so dass die entstehende Wärme mittels des Kühlmittelkreislaufes durch den Kühler abgeführt wird.
Beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug sind die baulichen Gegebenheiten limitiert, so dass die Kühlmittelpumpe des Kühl- kreislaufs ebenfalls einer Begrenzung hinsichtlich ihrer Abmessung unterliegt und deshalb auch in ihrer Leistung begrenzt ist. Die US 2017/0346109 A1 schlägt daher vor, zwei Kühlmittelpumpen im Kühlkreislauf in Reihe zu schal- ten, die gegenüber dem Einsatz einer einzelnen Kühlmittelpumpe mit gerin- geren Abmessungen gebildet sind. In der US 7,368,196 B2 ist außerdem ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das einen Wärmespeicher aufweist, um bei Froststartbedingungen die Brennstoffzelle oder eine Mehrzahl von in ei- nem Brennstoffzellenstapel zusammengefasste Brennstoffzellen schnell in einen Normalbetrieb versetzen zu können. Hierzu ist der Wärmespeicher in eine Bypassleitung des Kühlkreislaufes eingebunden, dem eine zweite Kühlmittelpumpe zugeordnet ist, so dass schnell das für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle benötigte Temperaturintervall erreicht werden kann.
Bei einem Brennstoffzellensystem können Betriebszustände eintreten, bei denen ein geringer Kühlmittelvolumenstrom oder ein hoher Wärmeeintrag in das Kühlmittel die Folgen sind. Hierdurch ergeben sich nicht optimale Zu stände für die Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel bzw. für den Kühler, insbesondere den Hauptwasserkühler, eines Kraftfahrzeugs. Solche Be- triebszustände können beispielsweise nach Bergfahrten, bei Fahrten bei großer Hitze, bei Fahrten unter Volllast und in diversen dynamischen Be- triebsfällen auftreten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellen- system und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensys- tems anzugeben, die eine effizientere und dynamischere Einstellung der Kühlmitteltemperatur ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
Feststellen, dass der Kühler eine erhöhte Kühlleistung bereitzustellen hat, die gegenüber einer momentanen Kühlleistung des Kühlers er- höht ist, bei welcher insbesondere der Betrieb der ersten Kühlmittel- pumpe alleine nicht ausreicht, und Erhöhen eines Volumenstroms des durch den Kühler geförderten Kühlmittels durch Erhöhen einer Drehzahl der in die Bypassleitung eingebundenen zweiten Kühlmittelpumpe.
Aufgrund dieser Integration einer weiteren Kühlmittelpumpe kann der Volu- menstrom über den Kühler erhöht werden, ohne dass die Betriebsbedingun- gen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels verändert werden. Dies trägt zu einer verbesserten Kühlung bei dem Brennstoffzellensystem bei.
In diesem Zusammenhang hat es sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, wenn beim Erhöhen des Volumenstroms des durch den Kühler geförderten Kühl mittels der Volumenstrom des durch die Brennstoffzelle geförderten Kühlmit- tels im Wesentlichen beibehalten wird in einem Zustand, der im Zeitpunkt des Feststellens der vom Kühler benötigten erhöhten Kühlleistung vorlag. Auch hierdurch kann der Volumenstrom durch den Kühler erhöht werden, ohne dass die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle oder des Brennstoff- zellenstapels verändert werden. Es ist daher möglich, dass eine komplett separate und unter Umständen sehr viel niedrigere Temperatur am vorderen, neu entstandenen Kühlerkreislauf eingestellt werden kann, die zur Erniedri- gung der Temperatur des der Brennstoffzelle zugeführten Kühlmittels bei trägt.
Der Kühlerkreislauf lässt sich insbesondere dadurch realisieren, dass der Volumenstrom durch den Kühler erhöht wird, indem ein Teil des stromab aus dem Kühler tretenden Kühlmittels von der zweiten Kühlmittelpumpe in die Bypassleitung gesaugt und vorbei an der Brennstoffzelle dem Kühler erneut zugeführt wird. Damit wird also das über die Bypassleitung geleitete, von der zweiten Kühlmittelpumpe angesaugte Kühlmittel nicht durch eine Abwärme der Brennstoffzelle erwärmt, so dass beim erneuten Durchströmen des Küh- lers dieser eine geringere Wärmemenge aufzunehmen hat. Insgesamt ist also eine deutlich niedrigere Temperatur für das Kühlmittel erzielbar. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Steuergerät vorhanden ist, das eine Drehzahl der ersten Kühlmittelpumpe und/oder die Drehzahl der zweiten Kühl mittel pumpe in Abhängigkeit einer vom Kühler bereitstellbaren Maximal- kühlleistung und in Abhängigkeit einer vom Kühler abverlangten, momentan benötigten Kühlleistung regelt. Mit anderen Worten wird also in Abhängigkeit der aktuell möglichen Kühlleistung (inklusive Anhebung des Volumenstroms) und der notwendigen Kühlleistung ein zusätzlicher Betrieb der zweiten Kühl- mittelpumpe bestimmt.
Um diese Drehzahlregelung noch effizienter gestalten zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn eine Kühlmitteltemperatur stromab der Brenn- stoffzelle stromauf des Kühlers und stromauf der Bypassleitung mittels eines Temperatursensors gemessen wird. Damit kann erfasst werden, welche Temperatur das Kühlmittel am Austritt des Brennstoffzellenstapels oder am Austritt der Brennstoffzelle besitzt, ohne dass das Ergebnis durch einen an der Brennstoffzelle vorbeigeführten Teil des Kühlmittels beeinflusst wird.
Anhand der Sensordaten des Temperatursensors, insbesondere des Ther- mometers, lässt sich ermitteln, wann der Kühler eine erhöhte Kühlleistung bereitzustellen hat. Die erhöhte Kühlleistung des Kühlers wird vorzugsweise dann benötigt, wenn die vom Temperatursensor gemessene Kühlmitteltem- peratur eine Grenztemperatur erreicht oder überschreitet.
Zudem ist es sinnvoll, wenn die Drehzahl der zweiten Kühlmittelpumpe ge- senkt oder die zweite Kühlmittelpumpe gestoppt wird, wenn eine Tempera- turdifferenz aus Außentemperatur und Kühlmitteltemperatur im Kühler unter eine Grenztemperaturdifferenz sinkt. Damit ist gewährleistet, dass der Kühler auch eine ausreichende Kühlleistung bereitstellen kann, der typischerweise als Rekuperator mit an den Kühlmittelleitungen des Kühlers vorbeiströmen- der Außenluft, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Ventilators, betrie- ben wird. Liegt die Kühlmitteltemperatur zu nahe an der Außentemperatur, so ist keine effiziente Kühlung mehr möglich und bei sehr niedrigen Außen- temperaturen auch nicht mehr gewünscht. In diesem Fall hat es sich als vor- teilhaft erwiesen, wenn der mit der Bypassleitung und der darin befindlichen zweiten Kühlmittelpumpe realisierte Kühlerkreislauf geschwächt oder inaktiv gestellt wird.
Wenn das Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Feststellen einer benötigten erhöhten Kühlleistung des Kühlers prädiktiv und/oder leistungsmodellbezo- gen erfolgt, insbesondere anhand von Daten aus einer Betriebshistorie des Brennstoffzellensystems oder insbesondere anhand von Prognosedaten hin- sichtlich zu erwartender Temperaturen oder hinsichtlich einer zu erwartenden Verkehrslage. Zudem ist es möglich anhand von in ein Navigationssystem des Kraftfahrzeugs eingegebenen Routendaten auf eine erwartbare erhöhte Kühlleistungsanforderung zu schließen, beispielsweise da eine Bergfahrt oder Fahrten unter Volllasten zu erwarten sind.
Das Brennstoffzellensystem, das insbesondere zur Durchführung des vor- stehend beschriebenen Verfahrens geeignet ist, weist mindestens eine Brennstoffzelle auf, die in einen einen Kühler umfassenden Kühlmittelkreis- lauf eingebunden ist, in welchem eine erste Kühlmittelpumpe zur Zirkulation eines Kühlmittels vorliegt, und welchem eine Bypassleitung zugeordnet ist, in die eine zur ersten Kühlmittelpumpe parallel geschaltete zweite Kühlmittel pumpe eingebunden ist. Dieses Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlmittelkreislauf eine Abzweigung zur Bypasslei- tung stromauf der Brennstoffzelle, stromauf der ersten Kühlmittelpumpe und stromauf der zweiten Kühlmittelpumpe aufweist, und dass im Kühlmittelkreis- lauf eine Mündung der Bypassleitung in den Kühlmittelkreislauf stromab der Brennstoffzelle vorhanden ist.
Dieses Brennstoffzellensystem zeigt den Vorteil einer verbesserten Kühlung, wobei die Einbindung der zweiten Kühlmittelpumpe in einen Bypass eine deutliche Erhöhung des durch den Kühler geführten Volumenstromes hervor- rufen kann, was den Effekt ähnlich eines vergrößerten Kühlmittelspeichers zur Folge hat. Um eine zuverlässige Stellmöglichkeit zur Erreichung niedriger Temperatu- ren bei geringer Last hervorrufen zu können, hat es sich als sinnvoll erwie- sen, wenn stromauf der Mündung ein Temperatursensor zur dortigen Mes- sung der aus der Brennstoffzelle tretenden Kühlmitteltemperatur vorhanden ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines einen Kühlmittel- kreislauf umfassenden Brennstoffzellensystems, und
Fig. 2 eine zeitabhängige Darstellung des durch den Kühler geförder- ten Volumenstroms (Q104, oben) und eine zeitabhängige Dar- stellung der im Kühler vorliegenden Geschwindigkeit des Kühl mittels (V104, unten), wobei bei ca. 497 Sekunden eine am Ein- tritt der Brennstoffzelle geforderte Kühlmitteltemperatur redu- ziert wird.
In Figur 1 ist von einem Brennstoffzellensystem 100 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei das Brennstoffzellensystem 100 einen Kühlmittelkreislauf 102 umfasst, in welchen ein Kühler 104 eingebun- den ist und welcher eine erste Kühlmittelpumpe 108 zur Zirkulation eines Kühlmittels aufweist. Im Kühlmittelkreislauf 102 ist zudem eine Brennstoffzel- le 106, insbesondere eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 106 zusammenge- fasst zu einem Brennstoffzellenstapel, eingebunden.
Jede der Brennstoffzellen 106 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluo- rethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocar- bon-Membran gebildet sein. Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beige- mischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladi- um, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbe- schleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 106 dienen.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasser- stoff) zugeführt werden, in einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmo- leküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt bei spielsweise die Reaktion: 2H2 -> 4H+ + 4e_ (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über einen Kathodenraum kann der Katode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zu- geführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e_ -> 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
Um die lonenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewähr- leisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforder- lich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM her- beizuführen.
Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen 106 zusammen- gefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Ver- fügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter ein großer Katho- dengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionie- rung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brenn- stoffzellenstapel gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler sowie in einem Befeuchter.
In der Figur 1 ist rein exemplarisch eine einzelne Brennstoffzelle 106 gezeigt, welcher Reaktanten zugeführt wird, damit in der Brennstoffzelle 106 kontrol- liert die elektrochemische Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie ab- laufen kann. Zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle 106, und ins- besondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme, ist der Brennstoffzelle 106 ein Kühlmittelkreislauf 102 mit einem Kühler 104 zugeordnet, so dass durch den Kühler 104 sichergestellt werden kann, dass die Kühlmitteltemperatur am Zulauf der Brennstoffzelle 106 den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren der Brennstoffzelle 106 oder des Brennstoffzellenstapels erwärmt, so dass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt. Dem Kühlmittelkreislauf 102 ist vorliegend eine Bypassleitung 110 zugeordnet, in die eine zur ersten Kühlmittelpumpe 108 parallel geschaltete zweite Kühlmittelpumpe 112 ein- gebunden ist. Hierzu weist der Kühlmittelkreislauf 102 eine Abzweigung 1 18 zur Bypassleitung 110 stromauf der Brennstoffzelle 106, stromauf der ersten Kühlmittelpumpe 108 und stromauf der zweiten Kühlmittelpumpe 112 auf, wobei im Kühlmittelkreislauf 102 eine Mündung 120 vorhanden ist, an wel- cher die Bypassleitung 110 in den Kühlmittelkreislauf 102 stromab der Brennstoffzelle 106 mündet.
Durch diese Konfiguration ist ein - insbesondere bedarfsweise ansteuerbarer oder betätigbarer - zusätzlicher Kühlerkreislauf 116 zur Zirkulation von Kühlmittel geschaffen, der aus der Bypassleitung 110 mit der darin einge- bundenen zweiten Kühlmittelpumpe 112 und demjenigen Teil des Kühlmittel- kreislaufs 102 gebildet ist, in welchem der Kühler 104 eingebunden ist. Der durch den Kühlerkreislauf 116 geförderte Teil des Kühlmittels wird also mit anderen Worten an der Brennstoffzelle 106 vorbeigeführt, so dass dieser Teil des Kühlmittels die Brennstoffzelle 106 nicht passiert und damit keine Wär- me aufnimmt. Durch die Integration der zweiten Kühlmittelpumpe 112 kann der Volumen- strom über den Kühler 104 erhöht werden, ohne dass die Betriebsbedingun- gen der Brennstoffzelle 106 wesentlich beeinträchtigt oder verändert werden. Sollte sich beispielsweise heraussteilen, dass der Betrieb der ersten Kühlmit- telpumpe 108 im Kühlkreislauf 102 leistungsmäßig nicht ausreicht, um die gewünschte Zieltemperatur des Kühlmittels zu erreichen, wenn also festge- stellt wird, dass der Kühler 104 eine erhöhte Kühlleistung bereitzustellen hat, die gegenüber einer momentanen Kühlleistung des Kühlers 104 erhöht ist, so wird der Volumenstrom des durch den Kühler 104 geförderten Kühlmittels durch Erhöhen der Drehzahl der in die Bypassleitung 110 eingebundenen zweiten Kühlmittelpumpe 112 erhöht. Vorzugsweise ist ein nicht näher dar- gestelltes Steuergerät vorhanden, das eine Drehzahl der ersten Kühlmittel pumpe 108 und/oder die Drehzahl der zweiten Kühlmittelpumpe 112 in Ab- hängigkeit einer vom Kühler 104 bereitstellbaren Maximalkühlleistung und in Abhängigkeit einer vom Kühler 104 abverlangten, momentan benötigten Kühlleistung regelt. Beim Erhöhen des Volumenstroms des durch den Kühler 104 geförderten Kühlmittels wird vorzugsweise der Volumenstrom des durch die Brennstoffzelle 106 geförderten Kühlmittels im Wesentlichen in einem Zustand beibehalten, der im Zeitpunkt des Feststellens der vom Kühler 104 benötigten erhöhten Kühlleistung vorlag.
Es sei darauf hingewiesen, dass in die Bypassleitung 110 ein oder mehrere Stellglieder und/oder Ventile eingebunden sein können, so dass die Bypass- leitung 110 vom Kühlmittelkreislauf 102 durch eine entsprechende Konfigura- tion der Stellglieder und/oder Ventile abgekoppelt werden kann, was durch die strichlierte Linie angedeutet ist. Um eine zuverlässige Information über die Kühlmitteltemperatur am Austritt der Brennstoffzelle 106, mithin also stromab der Brennstoffzelle 106 erfassen zu können, hat es sich als vorteil haft erwiesen, wenn stromab der Brennstoffzelle 106, aber stromauf des Kühlers 104, stromauf der Bypassleitung 110 und stromauf einer Leitung 122 ein Temperatursensor 114, insbesondere ein Thermometer vorhanden ist. Am Abzweig zur Leitung 122 ist vorzugsweise zusätzlich ein Thermostatven- til 124 vorhanden, das ausgelegt ist, das Kühlmittel über die Leitung 122 stromauf der ersten Kühlmittelpumpe 108 und stromab der Mündung 118 zu führen, so dass das Kühlmittel dann bei geeigneter Ventilstellung des Ther- mostatventils 124 keine Kühlung mittels des Kühlers 104 erfährt, was in be- stimmten Betriebsweisen der Brennstoffzelle 106 erforderlich sein kann. In Figur 2 sind der durch den Kühler 104 geförderte Volumenstrom Q104 und die Geschwindigkeit des durch den Kühler 104 strömenden Kühlmittels V104 dargestellt, jeweils in willkürlichen Einheiten (a. u.). Sowohl der Volumen- strom als auch die Geschwindigkeit des Kühlmittels steigen ca. bei 497 Se- kunden deutlich an, da hier eine erniedrigte Temperatur am Eintritt der Brennstoffzelle 106 gefordert wird. In diesem Zeitpunkt wird die Drehzahl der zweiten Kühlmittelpumpe 112 derart erhöht, dass sich der nachfolgend er- höhte Kühlmittelstrom und die nachfolgend erhöhte Geschwindigkeit des Kühlmittels ergibt. Die zweite Kühlmittelpumpe 112 kann dabei zunächst von der Drehzahl Null auf eine erhöhte Drehzahl oder von einer vorgegebenen Drehzahl auf eine noch höhere Drehzahl eingestellt werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 zeichnet sich durch eine verbesserte Küh- lung aus, wobei durch die Einbindung der zweiten Kühlmittelpumpe 112 in die Bypassleitung 110 ein kleinerer Kühlerkreislauf 116 gebildet wird, der eine zusätzliche Stellmöglichkeit zur Erreichung niedriger Temperaturen bei geringer Last der Brennstoffzelle 106 hervorruft. Dieses System unterliegt daher einer erhöhten Dynamik und weist einen Effekt ähnlich eines vergrö- ßerten Kühlmittelspeichers auf.
BEZUGSZEICHENLISTE:
100 Brennstoffzellensystem
102 Kühlmittelkreislauf
104 Kühler (Hauptwasserkühler)
106 Brennstoffzelle
108 erste Kühlmittelpumpe
110 Bypassleitung
1 12 zweite Kühlmittelpumpe
1 14 Temperatursensor
1 16 Kühlerkreislauf
1 18 Abzweigung
120 Mündung
122 Leitung
124 Thermostatventil

Claims

ANSPRÜCHE:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), welches mindestens eine Brennstoffzelle (106) aufweist, die in einen einen Küh- ler (104) umfassenden Kühlmittelkreislauf (102) eingebunden ist, in welchem eine erste Kühlmittelpumpe (108) zur Zirkulation eines Kühl- mittels vorliegt, und welchem eine Bypassleitung (110) zugeordnet ist, in die eine zur ersten Kühlmittelpumpe (108) parallel geschaltete zweite Kühlmittelpumpe (112) eingebunden ist, umfassend die Schritte:
Feststellen, dass der Kühler (104) eine erhöhte Kühlleistung be- reitzustellen hat, die gegenüber einer momentanen Kühlleistung des Kühlers (104) erhöht ist, und
Erhöhen eines Volumenstroms des durch den Kühler (104) geför- derten Kühlmittels durch Erhöhen einer Drehzahl der in die By- passleitung (110) eingebundenen zweiten Kühlmittelpumpe (112).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhö- hen des Volumenstroms des durch den Kühler (104) geförderten Kühl mittels der Volumenstrom des durch die Brennstoffzelle (106) geförder- ten Kühlmittels im Wesentlichen beibehalten wird in einem Zustand, der im Zeitpunkt des Feststellens der vom Kühler (104) benötigten erhöhten Kühlleistung vorlag.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom durch den Kühler (104) erhöht wird, indem ein Teil des stromab aus dem Kühler (104) tretenden Kühlmittels von der zweiten Kühlmittelpumpe (112) in die Bypassleitung (110) gesaugt und vorbei an der Brennstoffzelle (106) dem Kühler (104) erneut zugeführt wird .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorhanden ist, das eine Drehzahl der ersten Kühlmittelpumpe (108) und/oder die Drehzahl der zweiten Kühlmittel pumpe (112) in Abhängigkeit einer vom Kühler (104) bereitstellbaren Maximalkühlleistung und in Abhängigkeit einer vom Kühler (104) abver- langten, momentan benötigten Kühlleistung regelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmitteltemperatur stromab der Brennstoffzelle (106) stromauf des Kühlers (104) und stromauf der Bypassleitung (110) mit- tels eines Temperatursensors (114) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Kühlleistung des Kühlers (104) dann benötigt wird, wenn die vom Tem- peratursensor (114) gemessene Kühlmitteltemperatur eine Grenztem- peratur erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der zweiten Kühlmittelpumpe (112) gesenkt oder die zweite Kühlmittelpumpe (112) gestoppt wird, wenn eine Temperaturdif- ferenz aus Außentemperatur und Kühlmitteltemperatur im Kühler (104) unter eine Grenztemperaturdifferenz sinkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststellen einer benötigten erhöhten Kühlleistung des Küh- lers (104) prädiktiv und/oder leistungsmodellbezogen erfolgt.
Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einer Brennstoffzelle (106), die in einen einen Kühler (104) umfassenden Kühlmittelkreislauf (102) eingebundenen ist, in welchem eine erste Kühlmittelpumpe (108) zur Zirkulation eines Kühlmittels vorliegt, und welchem eine Bypasslei- tung (110) zugeordnet ist, in die eine zur ersten Kühlmittelpumpe (108) parallel geschaltete zweite Kühlmittelpumpe (112) eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmittelkreislauf (102) eine Abzweigung (118) zur Bypassleitung (110) stromauf der Brennstoffzelle (106), stromauf der ersten Kühlmit- telpumpe (108) und stromauf der zweiten Kühlmittelpumpe (112) auf- weist, und dass im Kühlmittelkreislauf (102) eine Mündung (120) der Bypassleitung (110) in den Kühlmittelkreislauf (102) stromab der Brennstoffzelle (106) vorhanden ist.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- net, dass stromauf der Mündung (120) ein Temperatursensor (114) zur dortigen Messung der aus der Brennstoffzelle (106) tretenden Kühlmit- teltemperatur vorhanden ist.
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