WO2022263181A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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Thomas Strauss
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Mahle International GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell system, which comprises at least one fuel cell and a cooling circuit for cooling the fuel cell.
  • the invention also relates to such a fuel cell system and a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • a cathode gas and a fuel are supplied to the fuel cell in order to generate electrical energy. This creates heat.
  • several such fuel cells are usually combined to form a stack. The heat generated in the respective fuel cell or the stack can lead to damage to the fuel cell or neighboring components. Cooling of the at least one fuel cell is therefore generally provided in the associated fuel cell system.
  • a cooling circuit is usually used for this purpose, through which a coolant flows during operation and cools the at least one fuel cell.
  • coolant coolers are usually used, through which the coolant flows during operation and, fluidically separated from the coolant, a coolant gas, generally referred to below as air, flows through them. This means that heat is transferred from the coolant to the air in the coolant cooler, so that the coolant is cooled.
  • At least one fan is usually used to convey air through the coolant cooler. In order to vary the flow of air through the coolant cooler, it is therefore possible to operate the fan with different outputs.
  • the fan is designed to operate between a minimum power and a maximum power. If maximum cooling of the at least one fuel cell is required, the fan is therefore operated with the maximum possible power. The maximum possible power leads to a correspondingly high energy consumption of the fan, which leads to a reduced efficiency of the fuel cell system.
  • fans of this type are generally and increasingly driven electrically, they represent an electrical energy consumer in the entire fuel cell system or in an application in which the fuel cell system is used. The operation of the fan therefore leads to a correspondingly reduced total available electrical energy .
  • the energy consumption of the fan leads to a correspondingly reduced, maximum available electrical power and/or to a reduced range.
  • the present invention is therefore concerned with the task of improving a method for operating a fuel cell system of the type mentioned initially, for such a fuel cell system and for a motor vehicle with such a fuel cell system, or at least different ones Specify embodiments, which are characterized in particular by increased efficiency.
  • the present invention is based on the general idea, in a fuel cell system, which has a cooling circuit for cooling at least one fuel cell and a coolant cooler through which air flows for cooling a coolant circulating through the cooling circuit, to increase the cooling capacity of the cooler, the flow of air through the coolant cooler by means of at least of a fan and to increase the rate of water, which is introduced into the air by means of an evaporative cooling device, these increases being made in such a way that a maximum rate at which water is introduced is reached earlier than a maximum air mass flow, which with which at least one fan can be reached.
  • the cooling capacity increasing by means of the evaporative cooling device is first utilized to the maximum before the maximum possible increase in the cooling capacity with the at least one fan is used.
  • the flow of air that is already given before the maximum air mass flow that can be conveyed with the at least one fan is reached leads to an increase in the cooling capacity achieved by means of the evaporation heat.
  • the at least one fan is only operated to deliver the maximum possible air mass flow if the cooling capacity thus achieved is not sufficient. This results in a reduced total or average energy consumption of the at least one fan.
  • the Maximum available power of the fuel cell system especially at peak loads, increased. In mobile applications, in particular in a motor vehicle, this results in an increased service life and/or an increased maximum available power and in an increased range.
  • the fuel cell system comprises at least one fuel cell, the cooling circuit, the coolant cooler, the at least one fan and the evaporative cooling device.
  • the fuel cell system advantageously comprises at least two, in particular several, fuel cells which are combined in a stack.
  • the coolant circulates through the cooling circuit during operation.
  • the at least one fuel cell is integrated into the cooling circuit in such a way that the coolant cools the at least one fuel cell.
  • the coolant and, fluidically separated from the coolant air flow through the coolant cooler.
  • the coolant transfers heat to the air and is thus cooled.
  • the at least one fan is used to convey the air through the coolant cooler.
  • the fuel cell system thus includes a fan arrangement comprising at least one fan.
  • the evaporative cooling device introduces water upstream of the coolant cooler into the air conveyed by the fan arrangement. This is done in such a way that the water evaporates and thus extracts heat from the air and/or the coolant cooler.
  • the water can be introduced into the air at a rate which is also referred to below as the introduction rate.
  • the evaporative cooling device is designed in such a way that water can be introduced between a minimum rate and a maximum rate, hereinafter referred to as minimum rate and maximum rate.
  • the introduction rate and the air mass flow increases. According to the invention, this takes place in such a way that the maximum rate at which water is introduced into the air is reached before the maximum mass flow which the fan arrangement can promote.
  • any means can be provided for varying the introduction rate.
  • At least one valve to vary the introduction rate.
  • the output of an associated conveying device for example a pump, a compressor and the like, can be changed in order to vary the introduction rate.
  • the air mass flow conveyed with the fan arrangement is changed by a corresponding change in the power at which the fan arrangement is operated.
  • the fan arrangement can be operated between a minimum power and a maximum power, which are also referred to below as minimum power and maximum power.
  • minimum power and maximum power are also referred to below as minimum power and maximum power.
  • the fan arrangement is therefore operated with the minimum power and in order to convey the maximum mass flow with the maximum power.
  • the air mass flow and the fan output are expediently related substantially or approximately cubically.
  • Changing the air mass flow conveyed with the fan arrangement is expediently achieved by a corresponding change in a speed of the at least one fan.
  • the fan arrangement has a single fan, the fan is operated at a minimum speed, also referred to below as minimum speed, to deliver the minimum mass flow, and at a maximum speed, also referred to below as maximum speed, to deliver the maximum mass flow.
  • minimum speed also referred to below as minimum speed
  • maximum speed also referred to below as maximum speed
  • the fan assembly has two or more fans, this applies appropriately to the sum of the speeds of the fans. This sum corresponds to a total speed of the fans. Consequently, the fans are operated at a minimum total speed, also referred to below as the minimum speed for simplified purposes, for delivering the minimum mass flow, and at a maximum total speed, also referred to below as the maximum speed for simplified purposes.
  • the total speed is also referred to as speed in simplified form.
  • the rotational speed or the total rotational speed and the air mass flow are expediently related essentially or approximately
  • the fan power between the minimum power and the maximum power leads to an air mass flow through the coolant cooler that increases from the minimum power to the maximum power. Analogous to this, operating the fan arrangement between the minimum speed and the maximum speed leads to an increasing air mass flow through the coolant cooler.
  • Air is actively conveyed by operating the fan arrangement. In this case, it is possible for air to flow through the coolant cooler even without the use of the fan arrangement, for example by means of other conveying devices, due to relative wind and the like.
  • At least one of the at least one fan is advantageously operated electrically. In particular, this permits simple implementation and autonomous operation of the fuel cell system.
  • Embodiments are preferred in which the fan arrangement is put into operation before the evaporative cooling device.
  • the overall result of this is that the switch-on characteristic of the evaporative cooling device is steeper than the switch-on characteristic of the fan arrangement. Consequently, before the introduction of water, the fan arrangement is operated at the minimum rate for delivering an air mass flow which at least corresponds to the minimum mass flow and is below the maximum mass flow.
  • This air mass flow is also referred to below as the threshold mass flow.
  • the associated speed is also referred to below as the threshold speed.
  • the threshold mass flow can correspond to any air mass flow. The same applies to the threshold speed.
  • the threshold mass flow is advantageously between 30% and 90% of the maximum mass flow.
  • the threshold mass flow is preferably between 50% and 80% of the maximum mass flow.
  • the operation of the fan arrangement for conveying with the threshold mass flow before introduction at the minimum rate is advantageously implemented in such a way that the evaporative cooling device is operated depending on the given speed, i.e. on the actual value of the speed, or depending on the desired speed, i.e. depending on the setpoint value of the speed will.
  • the feed rate is coupled to the actual value and/or to the target value of the speed. This results in simple and reliable operation of the fuel cell system.
  • the feed rate and the rotational speed are approximately cubically related.
  • their dependency corresponds, at least in some areas, to a cubic parabolic section.
  • the fan output depends essentially cubically on the speed of the at least one fan.
  • a simplified adjustment of the feed rate can be achieved by a proportional valve.
  • an on/off valve ie a valve that can be adjusted in stages, can be used.
  • a change in the supply of the evaporative cooling device with water can be implemented by throttling.
  • the fuel cell system can thus be implemented, in particular manufactured, simply and inexpensively.
  • the introduction rate corresponds to an amount of water introduced per unit of time.
  • the total amount of water introduced during the introduction of water at the maximum rate per unit of time can be constant.
  • the total amount of water per unit of time introduced during the introduction of water at the maximum rate is adjusted as a function of parameters of the fuel cell system and/or the environment and/or the associated application. It is thus possible, in particular, to set the cooling capacity required in each case as a function of said parameters, which are also referred to below as state parameters. This results in an improved efficiency of the fuel cell system.
  • state parameters include, for example, the ambient temperature, the ambient humidity, the water supply of evaporation water and the air mass flow through the coolant cooler.
  • the fan assembly and/or the are preferred.
  • Evaporative cooling device only put into operation when a corresponding cooling of the at least one fuel cell is required. This means that the increase in the cooling capacity of the coolant cooler achieved by means of the fan arrangement and/or evaporative cooling device can only be used if a size which the temperature of the at least one fuel cell correlates, exceeds a lower limit value. This particularly avoids the fan arrangement and/or the evaporative cooling device being operated unnecessarily. This results in increased efficiency of the fuel cell system.
  • the fan arrangement is advantageously put into operation above the lower limit value in order to convey air.
  • the fan arrangement conveys air between the minimum mass flow and the maximum mass flow above the lower limit value as a function of a target value of the variable.
  • the fan arrangement is advantageously put into operation when the lower limit value is exceeded. This means that the fan arrangement conveys air between the minimum mass flow and the maximum mass flow above the lower limit value.
  • Operation of the fan arrangement is advantageously stopped when the value falls below the lower limit value.
  • the fan arrangement therefore advantageously does not convey any air in the case of values of the size below the lower limit.
  • the evaporative cooling device is not operated at values of the size below the lower limit, ie does not actively introduce any water.
  • Embodiments are preferred in which the value to be achieved and thus the setpoint value of the variable in at least one range between the minimum mass flow and the maximum mass flow depends on the actual value of the air mass flow or on a parameter related thereto, such as the speed and/or the fan output.
  • the target value is essentially constant up to a limit mass flow between the minimum mass flow and the maximum mass flow and rises above the limit mass flow up to an upper limit of the size. According to the above explanation, this limiting mass flow is reached at a corresponding speed limit, which is also referred to below as the speed limit. The result of this is that the air mass flow is increased from the lower limit of the variable up to the limit mass flow in order to keep the desired value essentially constant.
  • the target value of the variable is permitted to rise up to the upper limit value.
  • said range is limited or defined by the limit mass flow up to the maximum mass flow.
  • the fan arrangement conveys air with the maximum mass flow when the upper limit value of the variable is reached.
  • the air mass flow can increase at will from the limit mass flow to the maximum mass flow.
  • the air mass flow can be increased abruptly, that is to say in one step, from the limit mass flow to the maximum mass flow. It is preferred if the air mass flow is increased above the limit mass flow up to the maximum mass flow. In particular, it is conceivable to increase the air mass flow above the limit mass flow up to the maximum mass flow in a constant, multi-stage, continuous and the like manner.
  • the limit mass flow is between 30% and 90% of the maximum mass flow.
  • the limit mass flow is particularly preferably between 50% and 80% of the maximum mass flow.
  • Embodiments are advantageous in which the desired value in the range increases linearly with the air mass flow and thus with the speed.
  • the threshold mass flow is expediently smaller than the limit mass flow. Accordingly, the threshold speed is lower than the limit speed.
  • the maximum rate is introduced when the limit mass flow is reached.
  • the mass flow limit increases the increase in the cooling capacity of the coolant cooler achieved by means of the evaporative cooling device.
  • the result of this is that the size above the limit mass flow increases less sharply. Consequently, an increase in the air mass flow is prevented or at least delayed. As a result, the energy required and consumed by the fan assembly is further reduced.
  • the fuel cell system can be designed in any way to carry out the method.
  • the fuel cell system can include a control device which is designed accordingly.
  • the fuel cell system can be used in any application.
  • the fuel cell system, in particular the at least one fuel cell, can serve to drive the motor vehicle.
  • Fig. 1 is a greatly simplified, circuit diagram-like representation of a
  • a fuel cell system 1 as shown for example in Figure 1 greatly simplified and like a circuit diagram, has at least one fuel cell 2 on.
  • the fuel cell system 1 has a plurality of fuel cells 2 which are combined to form a stack 3 .
  • the at least one fuel cell 2 requires a fuel and a cathode gas, for example air.
  • the fuel is fed to the stack 2 via a fuel feed system 4 .
  • the cathode gas is fed to the at least one fuel cell 2 with the aid of a cathode gas feed system 5 .
  • the cathode gas supply system 5 has a conveying device 6 , which is also referred to below as a cathode gas conveying device 6 .
  • the cathode gas conveying device 6 can compress the cathode gas for conveying the cathode gas.
  • exhaust gas containing water, in particular steam is produced. This exhaust gas is discharged using an exhaust system 7 of a motor vehicle 25 . Heat is also generated during operation of the at least one fuel cell 2, so that during operation of the Motor vehicle 25 cooling of the at least one fuel cell 2 may be required.
  • the fuel cell system 1 To cool the at least one fuel cell 2, the fuel cell system 1 has a cooling circuit 8 through which a coolant circulates during operation.
  • the at least one fuel cell 2, in the exemplary embodiment shown the stack 3, is integrated in the cooling circuit 8 in such a way that it is cooled by the coolant during operation.
  • the fuel cell system 1 To cool the coolant, the fuel cell system 1 has a cooler 9 which is also referred to below as the coolant cooler 9 .
  • the coolant cooler 9 is also integrated in the cooling circuit 8 and the coolant flows through it during operation.
  • the cooling circuit 8 expediently has further components, for example a conveying device 10 for conveying the coolant through the cooling circuit 8 , also referred to below as the coolant conveying device 10 , which are integrated in the cooling circuit 8 .
  • a flow path 11 of the coolant also referred to below as coolant path 11, therefore leads through the cooling circuit 8.
  • Air is used as a cooling gas to cool the coolant.
  • the air flows through the coolant cooler 9 along an associated flow path 12, also called cooling gas path 12 below, fluidically separated from the coolant, so that in the coolant cooler 9 the coolant transfers heat to the air fluidically separated from the air and is thus cooled.
  • the fuel cell system 1 also has an evaporative cooling device 13 with which water can be introduced into the cooling gas path 12 at the coolant cooler 9 and downstream of the coolant cooler 9 .
  • the evaporative cooling device 13 can introduce water into the cooling gas path 12 between a minimum rate 32 and a maximum rate 33 (see FIG. 2).
  • An introduction rate 29 (see FIG. 2) of the agent The water introduced by the evaporative cooling device 13 can therefore be adjusted between the minimum rate 32 and the maximum rate 33 .
  • the water supplied to the evaporative cooling device 3 comes from a water tank 14 in which water obtained from the exhaust gas is collected.
  • the water collected in the water tank 14 can be obtained from the exhaust gas, for example by means of a water separator 19 provided in the exhaust system 7 .
  • a flow path 15 leads from the water tank 14 to the evaporative cooling device 13, this flow path 15 also being referred to as the evaporation path 15 below.
  • a flow path 16 of the cathode gas leads on the pressure side of the cathode gas delivery device 6 to the water tank 14, with this flow path 16 also being referred to below as the compressed air path 16.
  • At least one valve 17 of a valve device 18 can be used to vary the introduction rate.
  • a valve 17a is arranged in the compressed air path 16 and/or a valve 17b is arranged in the evaporation path 15 .
  • the air conveyed through the coolant cooler 9 is conveyed by means of a fan arrangement 20 which comprises at least one electrically operated fan 21 .
  • a fan arrangement 20 which comprises at least one electrically operated fan 21 .
  • the fan arrangement 20 has a single fan 21 .
  • the air mass flow 28 (see FIG. 2) conveyed by the fan arrangement 20 through the coolant cooler 9 is changed.
  • the fan assembly 20 air between a minimum air mass flow 30, also referred to below as minimum mass flow 30, and a maximum air mass flow 31, also referred to below as maximum mass flow 31, promote.
  • the air mass flow 28 is linearly related to a speed of the fan 21 .
  • the air mass flow 28 and the introduction rate 29 are varied accordingly.
  • the air mass flow 28 and/or the introduction rate 29 are increased in order to increase the cooling capacity.
  • a control device 22 which is designed accordingly and is connected to the fan arrangement 20 so that it communicates (not shown).
  • the control device 22 is advantageously connected in a communicating manner to the valve device 18 .
  • the fuel cell system 1 also has a device 23 for determining a variable which correlates with the temperature of the at least one fuel cell 2 , the device 23 also being referred to below as a variable detection device 23 .
  • size detection device 23 is a temperature sensor 24, which determines the temperature of the at least one fuel cell 2, in particular stack 3, and/or the temperature of the coolant, downstream of the at least one fuel cell 2 in the exemplary embodiment shown .
  • the variable is therefore the temperature of at least one of the at least one fuel cell 3 and/or the temperature of the coolant downstream of the at least one fuel cell 2.
  • the variable detection device 23 is also communicatively connected to the control device 22.
  • the operation of the fuel cell system 1, which can be used, for example, in a motor vehicle 25, not shown, to in particular driving the motor vehicle 25 is explained below with reference to the diagrams shown in Figures 2 to 6.
  • the introduction rate 29 and the air mass flow 28 are shown in a non-dimensional form as a percentage of their respective maximum value.
  • FIG. 2 shows a diagram in which said variable, in particular the temperature of the at least one fuel cell 2, is plotted along the abscissa axis 26.
  • a percentage is plotted along the ordinate axis 27, said percentage air mass flow 28 being plotted with a dashed line and said percentage introduction rate 29 with a solid line.
  • the air mass flow 28 is between the minimum mass flow 30 at 0% and the maximum mass flow 31 at 100%. Due to the essentially linear relationship between the air mass flow 28 and the speed, the percentage curve of the air mass flow 28 shown and thus the characteristic curve of the air mass flow 28 essentially corresponds to the percentage curve or the characteristic curve of the speed.
  • the introduction rate 29 is between the minimum rate 32 at 0% and the maximum rate 33 at 100%.
  • both the air mass flow 28 and the introduction rate 29 increase as the size increases in order to increase the cooling capacity of the coolant cooler 9 .
  • the maximum rate 33 is reached earlier than the maximum mass flow 31.
  • the fan arrangement 20 in front of the evaporative cooling device 13 is also put into operation in the exemplary embodiment shown.
  • the fan arrangement 20 conveys air at the minimum rate 32 with an air mass flow 34 at least as a percentage corresponding to the minimum mass flow 30 , this air mass flow 34 also being referred to below as the threshold mass flow 34 .
  • the threshold mass flow 34 is between 30% and 90% of the maximum mass flow 31, preferably between 50% and 80% of the maximum mass flow 31, in the exemplary embodiment shown approx. 45% of the maximum mass flow 31.
  • the increase in cooling capacity achieved by means of the fan arrangement 20 and the evaporative cooling device 13 only takes place when the size and thus the temperature of the at least one fuel cell 2 exceeds a lower limit value 35 .
  • the fan arrangement 20 is operated with the minimum mass flow I 30 for delivery when the lower limit 35 is exceeded.
  • the evaporative cooling device 13 is put into operation and introduces water at the minimum rate 32 when the size reaches or exceeds a limit value 36 , which is also referred to below as the intermediate limit value 36 .
  • the fan arrangement 20 is operated as a function of the determined variable.
  • the evaporative cooling device 13 and thus the introduction rate 29 are set as a function of the air mass flow 28, advantageously as a function of the speed. While the air mass flow 28 and consequently the speed is therefore coupled to the size, the introduction rate 29 is coupled to the air mass flow 28 and consequently the speed and thus indirectly to the size.
  • the fan arrangement 20 is therefore operated above the lower limit value 35 depending on a target value of the variable for delivering an air mass flow 28 between the minimum mass flow 30 and the maximum mass flow 31 .
  • FIG. 3 shows another diagram in which the air mass flow 28 or, analogously to this, the rotational speed is plotted along the ordinate axis 26 and the introduction rate 29 is plotted as a percentage along the abscissa axis 27 .
  • the characteristic curve 37 shown in FIG. 3 runs essentially as a parabolic section. This takes account in particular of the fact that the output of the fan arrangement 20 is cubically related to the rotational speed and thus to the delivered air mass flow.
  • FIGS. 4 to 6 the value of the variable to be achieved and thus the target value of the variable can be made dependent on the actual value of the air mass flow 28 and consequently on the speed in at least one range between the minimum mass flow 30 and the maximum mass flow 31 .
  • FIG. 4 shows a diagram in which the percentage air mass flow 28 is plotted along the abscissa axis 26 and the desired value of the variable is plotted along the ordinate axis 27 .
  • FIG. 5 shows a diagram in which the actual value of the variable is plotted along the abscissa axis 26 and the air mass flow 28 is plotted along the ordinate axis 27 .
  • FIG. 4 shows a diagram in which the percentage air mass flow 28 is plotted along the abscissa axis 26 and the desired value of the variable is plotted along the ordinate axis 27 .
  • FIG. 5 shows a diagram in which the actual value of the variable is plotted along the abscissa axis 26 and the air mass flow 28
  • FIGS. 4 to 6 shows a diagram in which the actual value of the variable is plotted along the abscissa axis 26 and the air mass flow 28 is plotted along the ordinate axis 27 .
  • the setpoint value is essentially constant up to a limit 38 of the air mass flow 28, also referred to below as limit mass flow 38, and above the limit mass flow 38 up to an upper limit value 39 of the size increases.
  • the threshold mass flow 34 is expediently smaller than the limit mass flow 38.
  • the corresponding characteristic curves are shown in FIGS. 4 to 6 by a solid line. In contrast, in FIGS. 4 to 6, the comparison with the prior art is shown in dashed lines.
  • the fan arrangement 20 is operated with the maximum mass flow 31 for conveying when the upper limit value 39 of the size is reached.
  • the increase in air mass flow 28 takes place above limit mass flow 38 up to maximum mass flow 31.
  • FIG sectional cube root function In the exemplary embodiment shown in FIG. 6, a quadratic or cubic relationship in the manner of a parabolic section is provided between air mass flow 28 and the actual value of the variable in the range, ie between limit mass flow 38 and maximum mass flow 31 .
  • the air mass flow 28 there is preferably an approximately cubic relationship between the air mass flow 28 and the desired value of the variable, ie between the limit mass flow 38 and the maximum mass flow 31, in particular in the manner of a parabolic section.
  • the cubic relationships take into account in particular that the fan output of the fan arrangement 20 is approximately cubically related to the air mass flow 28 and thus to the speed of the fan arrangement 20 .
  • the limit mass flow 38 in the exemplary embodiments shown is preferably between 30% and 90% of the maximum mass flow 31, particularly preferably between 50% and 80% of the maximum mass flow 31.
  • the limit mass flow is 38 thereby 70% of the maximum mass flow 31.
  • threshold mass flow 34 is smaller than limit mass flow 38. The same applies to the associated speeds.
  • the maximum rate 33 of the introduction rate 29 is preferably already introduced when the limit mass flow 38 is reached.
  • the increase in the cooling capacity of the coolant cooler 9 achieved by means of the evaporative cooling device 13 before the maximum mass flow 31 is reached is as possible as possible fully exhausted. This means that the size above the limit mass flow 38 increases less.
  • the phase from which the fan arrangement 20 is operated for conveying with the maximum mass flow 31 is further delayed or shortened. This results in a further reduced energy consumption of the fan arrangement 20.
  • the adaptation of the setpoint value to the air mass flow 28 is advantageously suspended and/or interrupted in order to convey air at the maximum mass flow 31 .
  • This can be achieved, for example, by setting the target value to a safety value that is less than the upper limit value 39 and greater than or equal to the lower limit value 35 (not shown).
  • the target value can be set to the safety limit value if a specified or determined maximum duration of raising the target value is exceeded and/or if the electrical power occurring at at least one of the at least one fuel cell 2 decreases.
  • the described fuel cell system 1 and the motor vehicle 25 the at least one fuel cell 2 is cooled reliably with increased efficiency. In particular, this results in a reduced energy consumption of the fan arrangement 20. Since the fan arrangement 20 is operated electrically, the associated application, ie here the motor vehicle 25, has more electrical energy available overall. In addition to an increased available power, this also results in an increased range of the motor vehicle 25.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Kühlkreis (8) zum Kühlen zumindest einer Brennstoffzelle (2) umfasst, wobei ein im Kühlkreis (8) zirkulierendes Kühlmittel mit einem Kühlmittelkühler (9) gekühlt wird, der zudem von Luft durchströmt ist. Die Luft wird mit einer Lüfteranordnung (20) gefördert. Das Brennstoffzellensystem (1) umfasst ferner eine Verdunstungskühlungseinrichtung (13), welche stromauf des Kühlmittelkühlers (9) Wasser in die von der Lüfteranordnung (20) geförderte Luft einbringt. Eine erhöhte Effizienz des Brennstoffzellensystems (1) bei zugleich ausreichender Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle (2) werden dadurch erreicht, dass die Verdunstungskühlungseinrichtung (13) Wasser mit einer Maximalrate (33) einbringt, bevor die Lüfteranordnung (20) ihren Maximalluftmassenstrom (31) erreicht. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein solches Brennstoffzellensystem (1) sowie ein Kraftfahrzeug (25) mit einem solchen Brennstoffzellensystem (1).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches zumindest eine Brennstoffzelle sowie einen Kühlkreis zum Kühlen der Brennstoffzelle umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein solches Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Im Betrieb einer Brennstoffzelle werden der Brennstoffzelle ein Kathodengas sowie ein Brennstoff zugeführt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierbei entsteht Wärme. In einem zugehörigen Brennstoffzellensystem sind in der Regel mehrere solche Brennstoffzellen zu einem Stack zusammengefasst. Die Wärmeentwicklung in der jeweiligen Brennstoffzelle bzw. dem Stack können zu Beschädigungen der Brennstoffzelle oder benachbarter Komponenten führen. Im zugehörigen Brennstoffzellensystem ist daher in der Regel eine Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle vorgesehen.
Gewöhnlich kommt zu diesem Zweck ein Kühlkreis zum Einsatz, durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel strömt und die zumindest eine Brennstoffzelle kühlt. Um das Kühlmittel zu kühlen, kommen üblicherweise Kühlmittelkühler zum Einsatz, welche im Betrieb vom Kühlmittel sowie, fluidisch vom Kühlmittel getrennt, von einem Kühlgas, nachfolgend allgemein als Luft bezeichnet, durchströmt sind. Somit kommt es im Kühlmittelkühler zu einem Wärmeübertrag vom Kühlmittel auf die Luft, sodass das Kühlmittel gekühlt wird.
Bekannt ist es ferner, zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers in den Luftstrom stromauf des Kühlmittelkühlers Wasser einzubringen, welches verdunstet und durch die hierzu benötigte Verdunstungswärme zu einer zusätzlichen Kühlung führt. Dies erfolgt gewöhnlich mittels einer Einrichtung, welche nachfolgend als Verdunstungskühlungseinrichtung bezeichnet wird.
Um die Kühlung des Kühlmittels im Kühlmittelkühler zu variieren, ist es üblich, die Strömung der den Kühlmittelkühler durchströmenden Luft und/oder eine Rate, mit welcher die Verdunstungskühlungseinrichtung Wasser einbringt, zu variieren. Um Luft durch den Kühlmittelkühler zu fördern, kommt in der Regel zumindest ein Lüfter zum Einsatz. Um die Strömung der Luft durch den Kühlmittelkühler zu variieren, ist es daher möglich, den Lüfter mit unterschiedlichen Leistungen zu betreiben. Der Lüfter ist dabei zum Betreiben zwischen einer Minimalleistung und einer Maximalleistung ausgelegt. Ist eine maximale Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle erforderlich, wird der Lüfter also mit der maximal möglichen Leistung betrieben. Die maximal mögliche Leistung führt zu einem entsprechend hohen Energieverbrauch des Lüfters, welche zu einer reduzierten Effizienz des Brennstoffzellensystems führt.
Da derartige Lüfter in der Regel und zunehmend elektrisch angetrieben werden, stellen sie im gesamten Brennstoffzellensystem oder in einer Anwendung, in welcher das Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommt, einen elektrischen Energieverbraucher dar. Das Betreiben des Lüfters führt also zu einer entsprechend reduzierten, insgesamt verfügbaren elektrischen Energie.
Im Fall von mobilen Anwendungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, führt der Energieverbrauch des Lüfters zu einer entsprechend reduzierten, maximal verfügbaren elektrischen Leistung und/oder zu einer reduzierten Reichweite.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art, für ein solches Brennstoffzellensystem sowie für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche sich insbesondere durch eine erhöhte Effizienz auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Brennstoffzellensystem, welches einen Kühlkreis zum Kühlen zumindest einer Brennstoffzelle sowie einen luftdurchströmten Kühlmittelkühler zum Kühlen eines durch den Kühlkreis zirkulierenden Kühlmittels aufweist, zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlers die Strömung der Luft durch den Kühlmittelkühler mittels wenigstens eines Lüfters zu erhöhen sowie die Rate von Wasser, welches mittels einer Verdunstungskühlungseinrichtung in die Luft eingebracht wird, zu erhöhen, wobei diese Erhöhungen derart erfolgen, dass eine maximale Rate, mit welcher Wasser eingebracht wird, früher erreicht wird als ein maximaler Luftmassenstrom, welcher mit dem zumindest einen Lüfter erreichbar ist. In der Folge wird zum Erreichen der maximalen Kühlleistung des Kühlmittelkühlers zunächst die mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung steigernde Kühlleistung maximal ausgenutzt, bevor die mit dem zumindest einen Lüfter maximal mögliche Steigerung der Kühlleistung verwendet wird. Dabei führt die bereits vor dem Erreichen des maximal mit dem zumindest einen Lüfter förderbaren Luftmassenstroms gegebene Strömung der Luft zu einem mittels der Verdunstungswärme erreichten Erhöhung der Kühlleistung. Erst wenn die somit erreichte Kühlleistung nicht ausreichend ist, wird der zumindest eine Lüfter zum Fördern des maximal möglichen Luftmassenstroms betrieben. Daraus resultiert ein reduzierter gesamter oder mittlerer Energieverbrauch des zumindest einen Lüfters. Dies führt zu einer erhöhten Effizienz des Brennstoffzellensystems, wobei zugleich durch erhöhte Temperaturen bedingte Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle vermieden oder zumindest reduziert sind. Somit wird die maximal verfügbare Leistung des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei Lastspitzen, erhöht. In mobilen Anwendungen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, resultiert dies in einer erhöhten Betriebsdauer und/oder einer erhöhten, maximal verfügbaren Leistung sowie in einer erhöhten Reichweite.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle, den Kühlkreis, den Kühlmittelkühler, den zumindest einen Lüfter sowie die Verdunstungskühlungseinrichtung. Vorteilhaft umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest zwei, insbesondere mehrere, Brennstoffzellen, die in einem Stack zusammengefasst sind. Durch den Kühlkreis zirkuliert im Betrieb das Kühlmittel. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist dabei derart im Kühlkreis eingebunden, dass das Kühlmittel die zumindest eine Brennstoffzelle kühlt. Durch den Kühlmittelkühler strömt im Betrieb das Kühlmittel sowie, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, Luft. Im Betrieb überträgt das Kühlmittel Wärme auf die Luft und wird somit gekühlt. Zum Fördern der Luft durch den Kühlmittelkühler kommt der zumindest eine Lüfter zum Einsatz. Das Brennstoffzellensystem umfasst also eine zumindest einen Lüfter umfassende Lüfteranordnung. Mit der Lüfteranordnung ist Luft zwischen einem minimalen Luftmassenstrom, nachfolgend auch als Minimalmassenstrom bezeichnet, und einem maximalen Luftmassenstrom förderbar, der nachfolgend auch als Maximalmassenstrom bezeichnet wird. Die Verdunstungskühlungseinrichtung bringt im Betrieb Wasser stromauf des Kühlmittelkühlers in die durch die Lüfteranordnung geförderte Luft ein. Dies erfolgt derart, dass das Wasser verdunstet und somit der Luft und/oder dem Kühlmittelkühler Wärme entzieht. Das Wasser kann dabei mit einer Rate in die Luft eingebracht werden, welche nachfolgend auch als Einbringrate bezeichnet wird. Die Verdunstungskühlungseinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass Wasser zwischen einer minimalen Rate und einer maximalen Rate, nachfolgend als Minimalrate und Maximalrate bezeichnet, eingebracht werden kann. Hierbei werden zum Steigern der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers die Einbringrate und der Luftmassenstrom erhöht. Erfindungsgemäß erfolgt dies derart, dass die maximale Rate, mit welcher Wasser in die Luft eingebracht wird, vor dem Maximalmassenstrom, welchen die Lüfteranordnung fördern kann, erreicht wird.
Zum Variieren der Einbringrate können prinzipiell beliebige Mittel vorgesehen werden.
Vorstellbar ist es, zum Variieren der Einbringrate zumindest ein Ventil einzusetzen. Alternativ oder zusätzlich kann zum Variieren der Einbringrate die Leistung einer zugehörigen Fördereinrichtung, beispielsweise einer Pumpe, eines Verdichters und dergleichen, geändert werden.
Das Ändern des mit der Lüfteranordnung geförderten Luftmassenstroms erfolgt durch eine entsprechende Änderung einer Leistung, mit welcher die Lüfteranordnung betrieben wird. Dabei ist die Lüfteranordnung zwischen einer minimalen Leistung und einer maximalen Leistung betreibbar, welche nachfolgend auch als Minimalleistung und Maximalleistung bezeichnet werden. Zum Fördern des Minimalmassenstroms wird die Lüfteranordnung also mit der Minimalleistung und zum Fördern des Maximalmassenstroms mit der Maximalleistung betrieben. Dabei hängen der Luftmassenstrom und die Lüfterleistung zweckmäßig im Wesentlichen bzw. näherungsweise kubisch zusammen.
Das Ändern des mit der Lüfteranordnung geförderten Luftmassenstroms wird zweckmäßig durch eine entsprechende Änderung einer Drehzahl des zumindest einen Lüfters erreicht. Weist die Lüfteranordnung einen einzigen Lüfter auf, wird der Lüfter zum Fördern des Minimalmassenstroms mit einer minimalen Drehzahl, nachfolgend auch als Minimaldrehzahl bezeichnet, und zum Fördern des Maximalmassenstroms mit einer maximalen Drehzahl, nachfolgend auch als Maximaldrehzahl bezeichnet, betrieben. Weist die Lüfteranordnung zwei oder mehr Lüfter auf, gilt dies zweckmäßig für die Summe der Drehzahlen der Lüfter. Diese Summe entspricht einer Gesamtdrehzahl der Lüfter. Folglich werden die Lüfter zum Fördern des Minimalmassenstroms mit einer minimalen Gesamtdrehzahl, nachfolgend vereinfacht ebenfalls als Minimaldrehzahl bezeichnet, und zum Fördern des Maximalmassenstroms mit einer maximalen Gesamtdrehzahl, nachfolgend vereinfacht ebenfalls als Maximaldrehzahl bezeichnet, betrieben. Ebenso wird nachfolgend die Gesamtdrehzahl vereinfacht ebenfalls als Drehzahl bezeichnet. Hierbei hängen die Drehzahl bzw. die Gesamtdrehzahl und der Luftmassenstrom zweckmäßig im Wesentlichen bzw. näherungsweise linear zusammen.
Die Lüfterleistung zwischen der Minimalleistung und der Maximalleistung führt zu einem von der Minimalleistung hin zur Maximalleistung zunehmenden Luftmassenstrom durch den Kühlmittelkühler. Analog hierzu führt das Betreiben der Lüfteranordnung zwischen der Minimaldrehzahl und der Maximaldrehzahl zu einem zunehmenden Luftmassenstrom durch den Kühlmittelkühler. Dabei hängen die
Durch das Betreiben der Lüfteranordnung wird aktiv Luft gefördert. Dabei ist es möglich, dass Luft auch ohne den Einsatz der Lüfteranordnung, beispielsweise mittels anderer Fördereinrichtungen, durch Fahrtwind und dergleichen, durch den Kühlmittelkühler strömt.
Zumindest einer der wenigstens einen Lüfter ist vorteilhaft elektrisch betrieben. Dies erlaubt insbesondere eine einfache Umsetzung sowie einen autarken Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Lüfteranordnung vor der Verdunstungskühlungseinrichtung in Betrieb genommen wird. Hieraus resultiert insgesamt, dass die Zuschaltkennlinie der Verdunstungskühlungseinrichtung steiler ist als die Zuschaltkennlinie der Lüfteranordnung. Folglich wird die Lüfteranordnung vor dem Einbringen von Wasser mit der Minimalrate zum Fördern eines Luftmassenstroms betrieben, welcher zumindest dem Minimalmassenstrom entspricht und unterhalb des Maximalmassenstroms liegt. Dieser Luftmassenstrom wird nachfolgend auch als Schwellmassenstrom bezeichnet. Die zugehörige Drehzahl wird nachfolgend auch als Schwelldrehzahl bezeichnet.
Somit wird sichergestellt, dass eine Luftströmung vor dem Einbringen von Wasser mit der Minimalrate vorhanden ist. In der Folge wird vermieden, dass Wasser an der Lüfteranordnung und/oder am Kühlmittelkühler verbleibt oder die Verweildauer des Wassers zumindest reduziert. Somit werden durch das Wasser bedingte Beschädigungen, die beispielsweise durch Korrosion und/oder thermische Spannungen bedingt sein können, vermieden oder zumindest reduziert. Zudem wird auf diese Weise das Wasser mittels der Luftströmung zumindest teilweise transportiert, sodass die mit der Verdunstungskühlungseinrichtung beabsichtigte Kühlung mittels der Verdunstungswärme überhaupt oder mit einer erhöhten Effizienz auftritt. Folglich werden auf diese Weise sowohl eine zumindest reduzierte Beschädigung als auch eine erhöhte Leistung und Effizienz des Brennstoffzellensystems erreicht.
Prinzipiell kann der Schwellmassenstromeinem beliebigen Luftmassenstrom entsprechen. Entsprechendes gilt für die Schwelldrehzahl.
Vorteilhaft beträgt der Schwellmassenstrom zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstroms. Bevorzugt beträgt der Schwellmassenstrom zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstroms. Somit wird eine ausreichend hohe Luftströmung erreicht, bevor Wasser mit der Minimalrate eingebracht wird. Dementsprechend werden besagte Beschädigungen effektiv vermieden und die Effizienz des Brennstoffzellensystems effektiv erhöht. Das voneinander abhängige Betreiben der Lüfteranordnung und der Verdunstungskühlungseinrichtung erfolgt vorteilhaft abhängig von der Drehzahl der Lüfteranordnung. Da die Drehzahl ein einfach einstellbarer und/oder überwachbarer Parameter ist, lässt sich das Betreiben des Brennstoffzellensystems somit einfach und zuverlässig umsetzen.
Das Betreiben der Lüfteranordnung zum Fördern mit dem Schwellmassenstrom vor dem Einbringen mit der Minimalrate ist vorteilhaft derart realisiert, dass die Verdunstungskühlungseinrichtung abhängig von der gegebenen Drehzahl, also vom Istwert der Drehzahl, oder abhängig von der gewünschten Drehzahl, also abhängig vom Sollwert der Drehzahl, betrieben wird. Mit anderen Worten, die Einbringrate ist an den Istwert und/oder an den Sollwert der Drehzahl gekoppelt. Daraus resultiert ein einfaches und zuverlässiges Betreiben des Brennstoffzellensystems.
Vorteilhaft ist es, wenn die Einbringrate und die Drehzahl näherungsweise kubisch Zusammenhängen. In einer besonders vorteilhaften Ausführung entspricht ihre Abhängigkeit zumindest bereichsweise einem kubischen Parabelabschnitt. Somit wird insbesondere berücksichtigt, dass die Lüfterleistung im Wesentlichen kubisch von der Drehzahl des zumindest einen Lüfters abhängt. Mit anderen Worten, somit wird eine Kopplung zwischen der Luftströmung und der Einbringrate erreicht, die zu einem effizienten Nutzen der Verdunstungswärme zum Erhöhen der Kühlerleistung sowie zu einem effektiven Reduzieren von besagten Beschädigungen führt.
Eine vereinfachte Anpassung der Einbringrate kann dabei durch ein Proportionalventil erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein on / off Ventil, also ein stufenweise verstellbares Ventil, zum Einsatz kommen. Hierbei kann eine Veränderung der Versorgung der Verdunstungskühlungseinrichtung mit Wasser durch Drosselung umgesetzt werden Alternativ oder zusätzlich kann der Druck in einem das Wasser bevorratenden Wasserbehälter geändert und/oder eine variable Fördereinrichtung, z.B. eine variable Pumpe, eingesetzt werden.
Dabei kann beim Erreichen des Schwellmassenstroms bzw. der Schwelldrehzahl ein im Wesentlichen sprunghafter Anstieg des Verdunstungswassermassenstroms erfolgen. Somit lässt sich das Brennstoffzellensystem einfach und kostengünstig umsetzten, insbesondere hersteilen.
Die Einbringrate entspricht einer pro Zeiteinheit eingebrachten Wassermenge.
Prinzipiell kann hierbei die während des Einbringens von Wasser mit der Maximalrate eingebrachte gesamte Wassermenge pro Zeiteinheit konstant sein.
Vorstellbar ist es auch, dass die während des Einbringens von Wasser mit der Maximalrate eingebrachte gesamte Wassermenge pro Zeiteinheit abhängig von Parametern des Brennstoffzellensystems und/oder der Umgebung und/oder der zugehörigen Anwendung angepasst wird. Somit ist es insbesondere möglich, abhängig von besagten Parametern, welche nachfolgend auch als Zustandsparameter bezeichnet werden, die jeweils benötigte Kühlleistung einzustellen. Daraus resultiert eine verbesserte Effizienz des Brennstoffzellensystems. Zu diesen Zustandsparametern gehören beispielsweise die Umgebungstemperatur, die Umgebungsfeuchte, der Wasservorrat an Verdunstungswasser sowie der Luftmassenstrom durch den Kühlmittelkühler.
Bevorzugt werden die Lüfteranordnung und/oder die
Verdunstungskühlungseinrichtung lediglich dann in Betrieb genommen, wenn eine entsprechende Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle benötigt wird. Das heißt, dass die mittels der Lüfteranordnung und/oder Verdunstungskühlungseinrichtung erzielte Erhöhung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers lediglich dann eingesetzt werden, wenn eine Größe, welche mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle korreliert, einen unteren Grenzwert überschreitet. Somit wird insbesondere vermieden, dass die Lüfteranordnung und/oder die Verdunstungskühlungseinrichtung unnötig betrieben werden. Daraus resultiert eine erhöhte Effizienz des Brennstoffzellensystems.
Vorteilhaft wird dabei die Lüfteranordnung oberhalb des unteren Grenzwerts in Betrieb genommen, um Luft zu fördern. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Lüfteranordnung oberhalb des unteren Grenzwerts abhängig von einem Soll-Wert der Größe Luft zwischen dem Minimalmassenstrom und Maximalmassenstrom fördert.
Vorteilhaft wird die Lüfteranordnung bei Überschreiten des unteren Grenzwerts im Betrieb genommen. Das heißt, dass die Lüfteranordnung oberhalb des unteren Grenzwerts Luft zwischen dem Minimalmassenstrom und Maximalmassenstrom fördert.
Vorteilhaft wird der Betrieb der Lüfteranordnung eingestellt, wenn der untere Grenzwert unterschritten wird. Die Lüfteranordnung fördert also vorteilhaft bei Werten der Größe unterhalb der unteren Grenze keine Luft.
Vorstellbar ist es, bei einem plötzlichen Abfall der Größe unterhalb des unteren Grenzwerts die Lüfteranordnung für eine Dauer, insbesondere vorgegebene Dauer, weiter zu betreiben, um Luft durch den Kühlmittelkühler zu fördern. Dabei wird die Kenntnis genutzt, dass es bei einem plötzlichen Unterschreiten des unteren Grenzwerts zu einem schnellen Abfallen des Luftmassenstroms kommt. Bei der somit gegebenen geringen und ausbleibenden Durchströmung des Kühlmittelkühlers kann es passieren, dass Verdunstungswasser über längere Zeit im Kühlmittelkühler verbleibt. Die Folge könnte Korrosion und/oder Einfrieren des Verdunstungswassers sein. Um dem entgegenzutreten, wird also die Lüfteranordnung für die Dauer weiter betrieben, um das Verdunstungswasser aus dem Kühlmittelkühler verdunsten zu lassen und/oder weg zu transportieren. Durch ein gleichzeitiges Durchströmen des Kühlmittels durch den Kühlmittelkühler kann dieser Trockenvorgang unterstützt und/oder beschleunigt werden.
Bevorzugt ist es ferner, wenn die Verdünstungskühlungseinrichtung bei Werten der Größe unterhalb der unteren Grenze nicht betrieben wird, also kein Wasser aktiv einbringt.
Vorstellbar ist es, die Verdunstungskühlungseinrichtung beim Unterschreiten der unteren Grenze und/oder beim Abstellen bzw. Deaktivieren der zumindest einen Brennstoffzelle, insbesondere bei Stillstand und/oder langsamer Fahrt des zugehörigen Kraftfahrzeuges, weiter zu betreiben, um Wasser aus der Verdunstungskühlungseinrichtung zu fördern. Dabei wird die Kenntnis genutzt, dass über längere Zeit in der Verdunstungskühlungseinrichtung verbleibendes Wasser Beschädigungen, insbesondere durch Korrosion und/oder Gefrieren, verursachen kann. Dem wird dabei durch das Nachlaufen der Verdunstungskühlungseinrichtung entgegengetreten, um das Wasser aus der Verdunstungskühlungseinrichtung auszutreiben, um ein mögliches Gefrieren des Wassers und/oder Korrosion vorzubeugen. Dies erfolgt insbesondere bei Umgebungstemperaturen von kleiner 5 °C und/oder abhängig von Wetterdaten und/oder abhängig von der aktuellen Jahreszeit und/oder Aufenthaltsort. Das Ablassen von Wasser kann beispielsweise durch Öffnen zumindest eines Ventils und/oder durch beabsichtigte Leckagen in zumindest einem Ventil erfolgen.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der zu erreichende Wert und somit der Sollwert der Größe in zumindest einem Bereich zwischen dem Minimalmassenstrom und dem Maximalmassenstrom vom Istwert des Luftmassenstroms oder von einem damit zusammenhängenden Parameter, wie beispielsweise der Drehzahl und/oder der Lüfterleistung abhängt. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Sollwert bis zu einem Grenzmassenstrom zwischen dem Minimalmassenstrom und der Maximalmassenstrom im Wesentlichen konstant und steigt oberhalb des Grenzmassenstroms bis zu einem oberen Grenzwert der Größe an. Dieser Grenzmassenstrom wird entsprechend der vorstehenden Erläuterung bei einer entsprechenden Grenze der Drehzahl erreicht, welche nachfolgend auch als Grenzdrehzahl bezeichnet wird. Daraus resultiert, dass der Luftmassenstrom ab dem unteren Grenzwert der Größe bis zum Grenzmassenstrom derart erhöht wird, um den Sollwert im Wesentlichen konstant zu halten. Oberhalb des Grenzmassenstroms wird ein Anstieg des Sollwerts der Größe bis zum oberen Grenzwert zugelassen. Mit anderen Worten, besagter Bereich ist vom Grenzmassenstrom bis zum Maximalmassenstrom begrenzt bzw. dadurch definiert. Somit werden insbesondere bei Betriebsspitzen, in denen Spitzen der mittels der zumindest einen Brennstoffzelle erzeugten Leistung erforderlich sind, und in denen im Stand der Technik die Lüfteranordnung konstant den Maximalmassenstrom fördert, das Erreichen des Maximalmassenstroms hinausgezögert. Es wird also der maximale Energieverbrauch der Lüfteranordnung hinausgezögert. Daraus resultiert, insbesondere bei Lastspitzen, eine erhöhte, für andere Anwendungen verfügbare Energie. Es wird somit also insbesondere bei Lastspitzen die für eine zugehörige Anwendung verfügbare elektrische Energie erhöht. Zudem führt dies zu einem reduzierten mittleren Energieverbrauch der Lüfteranordnung.
Bevorzugt ist es, wenn die Lüfteranordnung beim Erreichen des oberen Grenzwerts der Größe Luft mit dem Maximalmassenstrom fördert.
Der Anstieg des Luftmassenstroms vom Grenzmassenstrom bis zum Maximalmassenstrom kann prinzipiell beliebig erfolgen. Insbesondere kann der Luftmassenstrom vom Grenzmassenstrom sprunghaft, das heißt in einer Stufe, auf den Maximalmassenstrom erhöht werden. Bevorzugt ist es, wenn der Luftmassenstrom oberhalb des Grenzmassenstroms bis zum Maximalmassenstrom erhöht wird. Insbesondere ist es vorstellbar, den Luftmassenstrom oberhalb des Grenzmassenstroms bis zum Maximalmassenstrom konstant, mehrstufig, kontinuierlich und dergleichen zu erhöhen.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen beträgt der Grenzmassenstrom zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstroms. Besonders bevorzugt beträgt der Grenzmassenstrom zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstroms. Somit werden bei einem reduzierten Energieverbrauch der Lüfteranordnung eine erhöhte Effizienz des Brennstoffzellensystems sowie die Vermeidung oder zumindest Reduzierung von Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle erzielt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Sollwert im Bereich linear mit dem Luftmassenstrom und somit mit der Drehzahl ansteigt. Das heißt, dass sich die Abhängigkeit des Sollwerts vom Luftmassenstrom und folglich vom Drehzahl im Bereich in der Art eines kubischen Parabelabschnitts darstellen lässt. Hierdurch wird insbesondere berücksichtigt, dass die Leistung der Lüfteranordnung näherungsweise kubisch mit dem Luftmassenstrom und folglich mit der Drehzahl zusammenhängt. Dies führt zu einer zuverlässigen Kühlung des Kühlmittels, wobei zugleich Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle vermieden oder zumindest reduziert sind.
Der Schwellmassenstrom ist dabei zweckmäßig kleiner als der Grenzmassenstrom. Entsprechend ist die Schwelldrehzahl kleiner als die Grenzdrehzahl.
Insbesondere ist es vorstellbar, dass die Maximalrate beim Erreichen des Grenzmassenstroms eingebracht wird. Mit anderen Worten, beim Erreichen des Grenzmassenstroms wird die mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung erreichte Steigerung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers erhöht. Daraus resultiert, dass die Größe oberhalb des Grenzmassenstroms weniger stark ansteigt. Folglich wird eine Erhöhung des Luftmassenstroms verhindert oder zumindest hinausgezögert. In der Folge ist die von der Lüfteranordnung benötigte und verbrauchte Energie weiter reduziert.
Das Brennstoffzellensystem kann zum Durchführen des Verfahrens beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem eine Steuereinrichtung umfassen, welche entsprechend ausgestaltet ist.
Das Brennstoffzellensystem kann in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es insbesondere, das Brennstoffzellensystem in einer mobilen Anwendung, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, einzusetzen. Dabei kann das Brennstoffzellensystem, insbesondere die zumindest eine Brennstoffzelle, dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen.
Es versteht sich, dass neben dem Verfahren auch ein solches Brennstoffzellensystem sowie eine solche Anwendung, insbesondere ein solches Kraftfahrzeug, jeweils zum Umfang dieser Erfindung gehören.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines
Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 bis 6 jeweils ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.
Ein Brennstoffzellensystem 1 , wie es beispielsweise in Figur 1 stark vereinfacht und schaltplanartig gezeigt ist, weist zumindest eine Brennstoffzelle 2 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem 1 mehrere Brennstoffzellen 2 auf, die zum einem Stack 3 zusammengefasst sind. Im Betrieb benötigt die zumindest eine Brennstoffzelle 2 einen Brennstoff sowie ein Kathodengas, beispielsweise Luft. Der Brennstoff wird dem Stack 2 über eine Brennstoffzuführanlage 4 zugeführt. Das Kathodengas wird der zumindest einen Brennstoffzelle 2 mit Hilfe einer Kathodengaszuführanlage 5 zugeführt. Zum Fördern des Kathodengases zur zumindest einen Brennstoffzelle 2 weist die Kathodengaszuführanlage 5 eine Fördereinrichtung 6 auf, die nachfolgend auch als Kathodengasfördereinrichtung 6 bezeichnet wird. Die Kathodengasfördereinrichtung 6 kann zum Fördern des Kathodengases das Kathodengas verdichten. Im Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelle 2 entsteht Abgas, das wasserhaltig ist, insbesondere Dampf. Dieses Abgas wird mit Hilfe einer Abgasanlage 7 eines Kraftfahrzeugs 25abgeführt. Im Betrieb der zumindest eine Brennstoffzelle 2 entsteht ferner Wärme, sodass im Betrieb des Kraftfahrzeugs 25 eine Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle 2 erforderlich sein kann.
Zum Kühlen der zumindest eine Brennstoffzelle 2 weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Kühlkreis 8 auf, durch den im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert. Die zumindest eine Brennstoffzelle 2, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Stack 3, ist derart im Kühlkreis 8 eingebunden, dass sie im Betrieb durch das Kühlmittel gekühlt wird. Zum Kühlen des Kühlmittels weist Brennstoffzellensystem 1 einen Kühler 9 auf, der nachfolgend auch als Kühlmittelkühler 9 bezeichnet wird. Der Kühlmittelkühler 9 ist ebenfalls im Kühlkreis 8 eingebunden und im Betrieb vom Kühlmittel durchströmt. Der Kühlkreis 8 weist zweckmäßig weitere Bestandteile, beispielsweise eine Fördereinrichtung 10 zum Fördern des Kühlmittels durch den Kühlkreis 8, nachfolgend auch Kühlmittelfördereinrichtung 10 genannt, auf, welche im Kühlkreis 8 eingebunden sind. Es führt also ein Strömungspfad 11 des Kühlmittels, nachfolgend auch als Kühlmittelpfad 11 bezeichnet, durch den Kühlkreis 8. Zum Kühlen des Kühlmittels kommt Luft als ein Kühlgas zum Einsatz. Die Luft durchströmt den Kühlmittelkühler 9 entlang eines zugehörigen Strömungspfads 12, nachfolgend auch Kühlgaspfad 12 genannt, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, sodass im Kühlmittelkühler 9 das Kühlmittel von der Luft fluidisch getrennt Wärme auf die Luft überträgt und somit gekühlt wird.
Zur Verbesserung der Kühlung des Kühlmittels weist das Brennstoffzellensystem 1 zudem eine Verdunstungskühlungseinrichtung 13 auf, mit welcher am Kühlmittelkühler 9 und stromab des Kühlmittelkühlers 9 Wasser in den Kühlgaspfad 12 eingebracht werden kann. Somit kommt es zu einer Verdunstung des Wassers, welche zu einer erhöhten Kühlung des Kühlmittels im Kühlmittelkühler 9 führt. Die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 kann hierbei Wasser zwischen einer Minimalrate 32 und einer Maximalrate 33 (siehe Figur 2) in den Kühlgaspfad 12 einbringen. Eine Einbringrate 29 (siehe Figur 2) des mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 eingebrachten Wassers ist also zwischen der Minimalrate 32 und der Maximalrate 33 einstellbar. Das der Verdunstungskühlungseinrichtung 3 zugeführte Wasser stammt im gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Wasserbehälter 14, in welchem aus dem Abgas gewonnenes Wasser gesammelt wird. Das im Wasserbehälter 14 gesammelte Wasser kann aus dem Abgas beispielsweise mittels eines in der Abgasanlage 7 vorgesehenen Wasserabscheiders 19 gewonnen werden. Zum Versorgen der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 mit Wasser führt ein Strömungspfad 15 vom Wasserbehälter 14 zur Verdunstungskühlungseinrichtung 13, wobei dieser Strömungspfad 15 nachfolgend auch als Verdunstungspfad 15 bezeichnet wird.
Zum Einbringen des Wassers zwischen der Minimalrate 32 und der Maximalrate 33 mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 wird das Wasser mit Druck beaufschlagt. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt dies rein beispielhaft mittels der Kathodengasfördereinrichtung 6. Zu diesem Zweck führt ein Strömungspfad 16 des Kathodengases druckseitig der Kathodengasfördereinrichtung 6 zum Wasserbehälter 14, wobei dieser Strömungspfad 16 nachfolgend auch als Druckluftpfad 16 bezeichnet wird. Zum Variieren der Einbringrate kann dabei zumindest ein Ventil 17 einer Ventileinrichtung 18 zum Einsatz kommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei im Druckluftpfad 16 ein Ventil 17a und/oder im Verdunstungspfad 15 ein Ventil 17b angeordnet.
Die durch den Kühlmittelkühler 9 geförderte Luft wird mittels einer Lüfteranordnung 20 gefördert, welche zumindest einen elektrisch betriebenen Lüfter 21 umfasst. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist rein beispielhaft angenommen, dass die Lüfteranordnung 20 einen einzigen Lüfter 21 aufweist. Um die Strömung der Luft durch den Kühlmittelkühler 9 zu variieren, wird mit der Lüfteranordnung 20 geförderter Luftmassenstrom 28 (siehe Figur 2) durch den Kühlmittelkühler 9 geändert. Hierbei kann die Lüfteranordnung 20 Luft zwischen einem minimalen Luftmassenstrom 30, nachfolgend auch als Minimalmassenstrom 30 bezeichnet, und einem maximalen Luftmassenstrom 31, nachfolgend auch als Maximalmassenstrom 31 bezeichnet, fördern. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hängt der Luftmassenstrom 28 linear mit einer Drehzahl des Lüfters 21 zusammen.
Zum Variieren der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 9 werden dabei der Luftmassenstrom 28 und die Einbringrate 29 entsprechend variiert. Dabei werden der Luftmassenstrom 28 und/oder die Einbringrate 29 zum Steigern der Kühlleistung erhöht. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung 22, welche entsprechend ausgestaltet und mit der Lüfteranordnung 20 kommunizierend verbunden ist (nicht gezeigt). Zudem ist die Steuereinrichtung 22 vorteilhaft mit der Ventileinrichtung 18 kommunizierend verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem 1 ferner eine Einrichtung 23 zum Ermitteln einer Größe, welche mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2 korreliert, auf, wobei die Einrichtung 23 nachfolgend auch als Größenerkennungseinrichtung 23 bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei der Größenerkennungseinrichtung 23 um einen Temperatursensor 24, welcher die Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2, insbesondere des Stacks 3, und/oder die Temperatur des Kühlmittels, im gezeigten Ausführungsbeispiel stromab der zumindest einen Brennstoffzelle 2, bestimmt. Bei der Größe handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel also um die Temperatur zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen 3 und/oder um die Temperatur des Kühlmittels stromab der zumindest einen Brennstoffzelle 2. Die Größenerkennungseinrichtung 23 ist ebenfalls kommunizierend mit der Steuereinrichtung 22 verbunden.
Das Betreiben des Brennstoffzellensystems 1, welches beispielsweise in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug 25 zum Einsatz kommen kann, um insbesondere das Kraftfahrzeug 25 anzutreiben, wird nachfolgend anhand der in den Figuren 2 bis 6 dargestellten Diagrammen erläutert. In den Diagrammen sind dabei die Einbringrate 29 und der Luftmassenstrom 28 dimensionslos als prozentualer Anteil ihres jeweiligen Maximalwerts dargestellt.
Hierbei zeigt Figur 2 ein Diagramm, bei welcher entlang der Abszissenachse 26 besagte Größe, insbesondere die Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2, aufgetragen ist. Entlang der Ordinatenachse 27 ist ein Prozentsatz aufgetragen, wobei mit einer gestrichelten Linie besagter prozentualer Luftmassenstrom 28 und mit einer durchgezogenen Linie besagte prozentuale Einbringrate 29 aufgetragen sind. Entsprechend Figur 2 beträgt also der Luftmassenstrom 28 zwischen dem Minimalmassenstrom 30 bei 0% und dem Maximalmassenstrom 31 bei 100%. Aufgrund des im Wesentlichen linearen Zusammenhangs zwischen dem Luftmassenstrom 28 und der Drehzahl entspricht der gezeigte prozentuale Verlauf des Luftmassenstroms 28 und somit die Kennlinie des Luftmassenstroms 28 im Wesentlichen dem prozentualen Verlauf bzw. der Kennlinie der Drehzahl. Analog hierzu beträgt die Einbringrate 29 zwischen der Minimalrate 32 bei 0% und der Maximalrate 33 bei 100%. Wie Figur 2 entnommen werden kann, werden sowohl der Luftmassenstrom 28 als auch die Einbringrate 29 mit zunehmender Größe erhöht, um die Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 9 zu steigern. Wie Figur 2 ferner entnommen werden kann, wird hierbei die Maximalrate 33 früher erreicht als der Maximalmassenstrom 31.
Wie Figur 2 ferner entnommen werden kann, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel ferner die Lüfteranordnung 20 vor der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 in Betrieb genommen. Das heißt, dass die Lüfteranordnung 20 vor dem Einbringen von Wasser mit der Minimalrate 32 Luft mit einem zumindest dem Minimalmassenstrom 30 entsprechendem prozentualen Luftmassenstrom 34 fördert, wobei dieser Luftmassenstrom 34 nachfolgend auch als Schwellmassenstrom 34 bezeichnet wird. Umgekehrt bedeutet dies, dass die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 Wasser erst beim Erreichen des Schwellmassenstroms 34 mit der Minimalrate 32 in die Luft einbringt. Hieraus ergibt sich, wie ebenfalls Figur 2 entnommen werden kann, dass die Kennlinie der Einbringrate 29 steiler verläuft als die Kennlinie des Luftmassenstroms 28 und somit als die Kennlinie der Drehzahl. Wie Figur 2 entnommen werden kann, beträgt der Schwellmassenstrom 34 dabei zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstroms 31 , bevorzugt zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstroms 31, im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 45 % des Maximalmassenstroms 31.
Wie Figur 2 ebenfalls entnommen werden kann, erfolgt die mittels der Lüfteranordnung 20 und der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 erzielte Steigerung der Kühlleistung erst dann, wenn die Größe und somit die Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2 einen unteren Grenzwert 35 überschreitet. Dabei wird die Lüfteranordnung 20 beim Überschreiten der unteren Grenze 35 zum Fördern mit dem Minimalmassenstrom I 30 betrieben. Aus dem vorstehend Beschriebenen resultiert, dass die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 in Betrieb genommen wird und Wasser mit der Minimalrate 32 einbringt, wenn die Größe einen Grenzwert 36 erreicht oder überschreitet, welcher nachfolgend auch als Zwischengrenzwert 36 bezeichnet wird. Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Lüfteranordnung 20 abhängig von der ermittelten Größe betrieben wird. Ferner ist es bevorzugt, wenn die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 und somit die Einbringrate 29 abhängig vom Luftmassenstrom 28, vorteilhaft abhängig von der Drehzahl, eingestellt wird. Während der Luftmassenstrom 28 und folglich die Drehzahl also an die Größe gekoppelt ist, ist die Einbringrate 29 am Luftmassenstrom 28 und folglich der Drehzahl und somit indirekt mit der Größe gekoppelt. Die Lüfteranordnung 20 wird also oberhalb des unteren Grenzwerts 35 abhängig von einem Sollwert der Größe zum Fördern eines Luftmassenstroms 28 zwischen dem Minimalmassenstrom 30 und dem Maximalmassenstrom 31 betrieben.
Figur 3 zeigt ein weiteres Diagramm, bei welchem entlang der Ordinatenachse 26 der Luftmassenstrom 28 oder analog hierzu die Drehzahl und entlang der Abszissenachse 27 die Einbringrate 29 jeweils prozentual aufgetragen ist. Wie Figur 3 entnommen werden kann, herrscht zwischen dem prozentualen Luftmassenstrom 28 und der Einbringrate 29 abschnittsweise ein im Wesentlichen kubischer Zusammenhang. In diesem Abschnitt, der zwischen dem Schwellmassenstrom 34 und der Maximalrate 33 begrenzt ist, verläuft die in Figur 3 gezeigte Kennlinie 37 also im Wesentlichen als ein Parabelabschnitt. Hierdurch wird insbesondere berücksichtigt, dass die Leistung der Lüfteranordnung 20 kubisch mit der Drehzahl und somit mit dem geförderten Luftmassenstrom zusammenhängt.
Entsprechend den Figuren 4 bis 6 kann der zu erreichende Wert der Größe und somit der Sollwert der Größe in zumindest einem Bereich zwischen dem Minimalmassenstrom 30 und dem Maximalmassenstrom 31 vom Istwert des Luftmassenstroms 28 und folglich von der Drehzahl abhängig gemacht werden. Dabei zeigt Figur 4 ein Diagramm, bei welchem entlang der Abszissenachse 26 der prozentuale Luftmassenstrom 28 und entlang der Ordinatenachse 27 der Sollwert der Größe aufgetragen ist. Figur 5 zeigt ein Diagramm, bei welchem entlang der Abszissenachse 26 der Istwert der Größe und entlang der Ordinatenachse 27 der Luftmassenstrom 28 aufgetragen ist. In Figur 6 ist ein Diagramm zu sehen, bei welchem entlang der Abszissenachse 26 der Istwert der Größe und entlang der Ordinatenachse 27 der Luftmassenstrom 28 aufgetragen ist. Bei dem in den Figuren 4 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, dass der Sollwert bis zu einer Grenze 38 des Luftmassenstroms 28, nachfolgend auch als Grenzmassenstrom 38 bezeichnet, im Wesentlichen konstant ist und oberhalb des Grenzmassenstroms 38 bis zu einem oberen Grenzwert 39 der Größe ansteigt. Der Schwellmassenstrom 34 ist dabei zweckmäßig kleiner als der Grenzmassenstrom 38. Die entsprechenden Kennlinien sind in den Figuren 4 bis 6 durch eine durchgezogene Linie dargestellt. In den Figuren 4 bis 6 ist demgegenüber der Vergleich zum Stand der Technik gestrichelt dargestellt. Wie den Figuren 4 bis 6 entnommen werden kann, ergibt sich somit im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem der Sollwert der Größe über den gesamten verfügbaren Luftmassenstrom 28 und somit zwischen der Minimaldrehzahl 30 und der Maximaldrehzahl 31 möglichst konstant gehalten wird, ein Hinauszögern bis zum Erreichen des Maximalmassenstroms 31. Der obere Grenzwert 39 der Größe korreliert hierbei mit einer solchen Temperatur zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzelle 2, deren Überschreiten zu einer dauerhaften Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle 2 führen würde. Die Anpassung des Sollwerts an den Luftmassenstrom 28 im Bereich kann mittels der in Figur 6 gezeigten Kennlinie und somit kennlinienbasiert erfolgen.
Wie den Figuren 4 bis 6 ferner entnommen werden kann, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel die Lüfteranordnung 20 beim Erreichen des oberen Grenzwerts 39 der Größe zum Fördern mit dem Maximalmassenstrom 31 betrieben. Dabei erfolgt die Erhöhung des Luftmassenstroms 28 oberhalb des Grenzmassenstroms 38 bis zum Maximalmassenstrom 31. In dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht hierbei zwischen dem Luftmassenstrom 28 bzw. der Drehzahl und der Größe im Bereich zwischen dem Grenzmassenstrom 38 und dem Maximalmassenstrom 31 ein Zusammenhang gemäß einer abschnittsweisen Kubikwurzelfunktion. Bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Luftmassenstrom 28 und dem Istwert der Größe im Bereich, das heißt zwischen dem Grenzmassenstrom 38 und dem Maximalmassenstrom 31 , ein quadratischer bzw. kubischer Zusammenhang in der Art eines Parabelabschnitts vorgesehen.
Wie Figur 4 entnommen werden kann, besteht bevorzugt im Bereich, das heißt zwischen dem Grenzmassenstrom 38 und dem Maximalmassenstrom 31, zwischen dem Luftmassenstrom 28 und dem Sollwert der Größe ein näherungsweise kubischer Zusammenhang, insbesondere in der Art eines Parabelabschnitts. Durch die kubischen Zusammenhänge wird dabei insbesondere berücksichtigt, dass die Lüfterleistung der Lüfteranordnung 20 mit dem Luftmassenstrom 28 und somit mit der Drehzahl der Lüfteranordnung 20 annähernd kubisch zusammenhängt.
Wie den Figuren 4 bis 6 entnommen werden kann, beträgt hierbei der Grenzmassenstrom 38 in den gezeigten Ausführungsbeispielen und bevorzugt zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstroms 31, besonders bevorzugt zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstroms 31. In den gezeigten Ausführungsbeispielen beträgt der Grenzmassenstrom 38 dabei 70 % des Maximalmassenstroms 31.
Bei einer Zusammenschau der Figuren 2 bis 5 ist also festzustellen, dass der Schwellmassenstrom 34 kleiner ist als der Grenzmassenstrom 38. Entsprechendes gilt für die zugehörigen Drehzahlen.
Wie insbesondere Figur 2 entnommen werden kann, wird dabei bevorzugt die Maximalrate 33 der Einbringrate 29 mit dem Erreichen des Grenzmassenstroms 38 bereits eingebracht. In der Folge wird die mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 erzielte Erhöhung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 9 vor dem Erreichen des Maximalmassenstroms 31 möglichst vollständig ausgeschöpft. Dies führt dazu, dass die Größe oberhalb des Grenzmassenstroms 38 weniger stark ansteigt. In der Folge ist die Phase, ab welcher die Lüfteranordnung 20 zum Fördern mit dem Maximalmassenstrom 31 betrieben wird, weiter hinausgezögert bzw. verkürzt. Daraus resultiert ein weiter reduzierter Energieverbrauch der Lüfteranordnung 20.
Droht im Bereich eine dauerhafte Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle 2, wird die Anpassung des Sollwerts der Größe an den Luftmassenstrom 28 vorteilhaft ausgesetzt und/oder unterbrochen, um Luft mit dem Maximalmassenstrom 31 zu fördern. Dies kann beispielsweise durch das Einstellen des Sollwerts auf einen Sicherheitswert, der kleiner als der obere Grenzwert 39 und größer oder gleich dem unteren Grenzwert 35 ist, erreicht werden (nicht gezeigt). Insbesondere kann der Sollwert auf den Sicherheitsgrenzwert eingestellt werden, wenn im Bereich eine vorgegebene oder ermittelte maximale Dauer der Anhebung des Sollwertes überschritten wird, und/oder wenn die an zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen 2 anfallende elektrische Leistung abnimmt.
Mit dem Betriebsverfahren, dem beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 sowie dem Kraftfahrzeugs 25 erfolgt eine zuverlässige Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle 2 bei einer erhöhten Effizienz. Insbesondere kommt es auf diese Weise zu einem reduzierten Energieverbrauch der Lüfteranordnung 20. Da die Lüfteranordnung 20 elektrisch betrieben ist, steht somit auch der zugehörigen Anwendung, hier also dem Kraftfahrzeug 25, insgesamt mehr elektrische Energie zur Verfügung. Daraus resultiert neben einer erhöhten verfügbaren Leistung auch eine erhöhte Reichweite des Kraftfahrzeugs 25.
*****

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1 ),
- wobei das Brennstoffzellensystem (1) aufweist:
• zumindest eine Brennstoffzelle (2),
• einen Kühlkreis (8), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine Brennstoffzelle (2) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) eingebunden ist,
• einen Kühlmittelkühler (9), durch den im Betrieb das Kühlmittel strömt und durch den, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, Luft strömt, um das Kühlmittel zu kühlen,
• eine zumindest einen Lüfter (21 ) aufweisende Lüfteranordnung (20) zum Fördern der Luft durch den Kühlmittelkühler (9), welche im Betrieb Luft mit einem Luftmassenstrom (28) zwischen einem Minimalmassenstrom (30) und einem Maximalmassenstrom (31) fördert,
• eine Verdünstungskühlungseinrichtung (13), mit welcher Wasser mit einer Einbringrate (29) zwischen einer Minimalrate (32) und einer Maximalrate (33) stromauf des Kühlmittelkühlers (9) in die durch die Lüfteranordnung (20) geförderte Luft einbringbar ist,
- wobei die Einbringrate (29) und der Luftmassenstrom (28) zum Steigern der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers (9) erhöht werden,
- wobei die Einbringrate (29) und der Luftmassenstrom (28) derart erhöht werden, dass die Maximalrate (33) vor dem Maximalmassenstrom (31) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfteranordnung (20) vor dem Einbringen von Wasser mit der Minimalrate (32) Luft mit einem Schwellmassenstrom (34) fördert, welcher zumindest dem Minimalmassenstrom (30) entspricht und weniger als der Maximalmassenstrom (31) beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellmassenstrom (34) zwischen 30% und 90% des Maximalmassenstroms (31) beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellmassenstrom (34) zwischen 50% und 80% des Maximalmassenstroms (31) beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser mit der Einbringrate (37) zwischen der Minimalrate (32) und der Maximalrate (33) abhängig vom Istwert oder Sollwert des Luftmassenstroms (28) eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringrate (37) in zumindest einem Abschnitt kubisch mit dem Luftmassenstrom (28) zusammenhängt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine während des Einbringens von Wasser mit der Maximalrate (33) eingebrachte Wassermenge von Zustandsparametern des Brennstoffzellensystems (1) und/oder der Umgebung abhängt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Lüfteranordnung (20) oberhalb eines unteren Grenzwerts (35) einer Größe, welche mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle (2) korreliert, in Betrieb genommen wird, um Luft zu fördern,
- dass die Lüfteranordnung (20) oberhalb des unteren Grenzwerts (35) abhängig von einem Sollwert der Größe einen Luftmassenstrom (28) zwischen dem Minimalmassenstrom (30) und dem Maximalmassenstrom (31) fördert,
- dass der Sollwert in zumindest einem Bereich zwischen dem Minimalmassenstrom (30) und dem Maximalmassenstrom (31) vom Istwert des Luftmassenstroms (28) abhängt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Sollwert bis zu einem Grenzmassenstrom (38) des Luftmassenstroms (28) zwischen dem Minimalmassenstrom (30) und dem Maximalmassenstrom (31) und oberhalb des Schwellmassenstroms (34) konstant ist,
- dass der Sollwert oberhalb des Grenzmassenstroms (38) bis zu einem oberen Grenzwert (39) der Größe ansteigt.
10. Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (25),
- mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), - mit einem Kühlkreis (8), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine Brennstoffzelle (2) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) eingebunden ist,
- mit einem Kühlmittelkühler (9), durch den im Betrieb das Kühlmittel strömt und durch den, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, Luft strömt, um das Kühlmittel zu kühlen,
- mit einer zumindest einen Lüfter (21 ) aufweisenden Lüfteranordnung (20), welche im Betrieb Luft durch den Kühlmittelkühler (9) fördert, mit welche Luft mit einem Luftmassenstrom (28) zwischen einem Minimalmassenstrom (30) und einem Maximalmassenstrom (31) förderbar ist,
- mit einer Verdunstungskühlungseinrichtung (13), welche im Betrieb Wasser mit einer Einbringrate (29) zwischen einer Minimalrate (32) und einer Maximalrate (33) stromauf des Kühlmittelkühlers (9) in die durch die Lüfteranordnung (20) geförderte Luft einbringt,
- mit einer Steuereinrichtung (22) welche derart ausgestaltet ist, dass sie das Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 betreibt.
11. Kraftfahrzeug (25) mit einem Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 10.
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