DE102021115672A1 - Method for determining and adjusting voltage-current pairs of at least one fuel cell, fuel cell system and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und Einstellen von Spannungs-Strom-Paaren (U/I) von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels (104) in einem Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit der von einem Steuergerät angeforderten elektrischen Leistung (Pel) und/oder angeforderten thermischen Leistung (Pth), bei dem der für die angeforderte Leistung einzustellende Strom (I) festgelegt wird anhand einer Quotientenbildung aus der Summe aller angeforderten Leistungen (Pel, Pth) und dem Produkt aus der Zellanzahl mit einer Spannung (U), wobei die Spannung (U) zusammengesetzt ist aus der oberen Heizwertspannung (UOHS) und einem die Siedepunktkurve des in der Brennstoffzelle vorhandenen Wassers berücksichtigenden Korrekturterm, welcher abhängig ist von einer von einem Temperatursensor (120) gemessenen mittleren Kühlmitteltemperatur zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels und einem von einem Drucksensor (122) gemessenen mittleren Druckwert auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, und bei dem nach der Festlegung des einzustellenden Stroms (I) die einzustellende Spannung (U) festgelegt wird anhand einer Quotientenbildung der elektrischen Leistung (Pel) und dem einzustellenden Strom (I). Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (100) zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100).The invention relates to a method for determining and setting voltage-current pairs (U/I) of fuel cells in a fuel cell stack (104) in a fuel cell system (100) as a function of the electrical power (Pel) and/or thermal power requested by a control unit Power (Pth) at which the current (I) to be set for the required power is determined using a quotient from the sum of all required powers (Pel, Pth) and the product of the number of cells with a voltage (U), where the voltage ( U) is composed of the upper calorific value voltage (UOHS) and a correction term taking into account the boiling point curve of the water present in the fuel cell, which is dependent on a temperature sensor (120) measured mean coolant temperature between the inlet and the outlet of the fuel cell stack and one of one Pressure sensor (122) measured mean pressure value on the Cathode side of the fuel cell stack, and in which, after determining the current to be set (I), the voltage to be set (U) is set using a quotient of the electrical power (Pel) and the current to be set (I). The invention also relates to a fuel cell system (100) for carrying out the method and a motor vehicle with a fuel cell system (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und Einstellen von Spannungs-Strom-Paaren von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit der von einem Steuergerät angeforderten elektrischen Leistung und/oder angeforderten thermischen Leistung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for determining and setting voltage-current pairs of fuel cells in a fuel cell stack in a fuel cell system as a function of the electrical power and/or thermal power requested by a control unit. The invention also relates to a fuel cell system for carrying out the method and a motor vehicle with such a fuel cell system.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.Fuel cells use the chemical reaction of a fuel with oxygen to form water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and one electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack, the electrical power of which is added up. By converting chemical energy directly into electrical energy, fuel cells achieve improved efficiency compared to other electricity generators by bypassing the Carnot factor.

Um die Effizienz des Brennstoffzellensystems zu erhöhen, ist es üblich, dass Spannungs-Strom-Paare (Betriebspunkte) von der Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel angefordert werden, die auf einer idealen Spannungs-Strom-Kennlinie (U/I-Kennlinie) liegen. Häufig werden, um im Fahrzeugverbund den Anforderungen eines Hochvoltsystems und den Anforderungen an den Wärmebedarf gerecht zu werden, zusätzliche Bauteile als Leistungssenken und als Wärmequellen verwendet. Diese zusätzlichen Komponenten erhöhen die Systemkomplexität, die Herstellkosten und aufgrund der einzelnen Wirkungsgradeinbußen an jeder Komponente auch den Brennstoffverbrauch.In order to increase the efficiency of the fuel cell system, it is common for the fuel cell or a fuel cell stack to request voltage-current pairs (operating points) that lie on an ideal voltage-current characteristic (V/I characteristic). Additional components are often used as power sinks and as heat sources in order to meet the requirements of a high-voltage system and the requirements for heat demand in the vehicle network. These additional components increase system complexity, manufacturing costs, and fuel consumption due to the individual efficiency penalties of each component.

Aus der DE 11 2010 005 600 T5 ist ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren bekannt, bei denen ein zuvor mittels einer Messung erstelltes Kennfeld aus Betriebspunkten ausgelesen wird, um gezielt in Abhängigkeit des Wassergehalts innerhalb des Brennstoffzellenstapels auf eine vorgegebene Temperatur zu heizen. Hierbei wird die Heizleistung so lange eingeregelt bis eine kritische Temperatur erreicht ist, sodass beim - vorzeitigen - Abstellvorgang eines solchen Brennstoffzellensystems kein Frost mehr entstehen kann. Das dabei verwendete Kennfeld an Betriebspunkten ist also zunächst sehr aufwendig mit Hilfe einer Messapparatur unter Nutzung einer nahezu idealen Brennstoffzelle zu ermitteln. Erst wenn dieses Kennfeld erfasst und im Steuergerät hinterlegt wurde, kann das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren durchlaufen werden, um zu verhindern, dass vorherrschende Frostbedingungen eine Eisbildung innerhalb des Brennstoffzellenstapels hervorruft.From the DE 11 2010 005 600 T5 discloses a fuel cell system and a method in which a map of operating points previously created by means of a measurement is read out in order to heat to a predetermined temperature in a targeted manner as a function of the water content within the fuel cell stack. In this case, the heating output is regulated until a critical temperature is reached, so that no more frost can occur if such a fuel cell system is shut down prematurely. The map used at the operating points is initially very complex to determine with the help of a measuring device using an almost ideal fuel cell. Only when this map has been recorded and stored in the control unit can the method described in this document be run through in order to prevent the prevailing frost conditions from causing ice to form inside the fuel cell stack.

In der DE 10 2015 109 502 A1 wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem der Stapel mit einem Stromumrichter gekoppelt ist, wobei der Stromumrichter einen erhöhten Strom vom Brennstoffzellenstapel anfordert, sodass die einzelnen Brennstoffzellen mit einem erniedrigten Wirkungsgrad betrieben werden und somit einer erhöhten Wärmeentwicklung unterliegen. Auf diese Weise kann eine Kaltstartprozedur durchgeführt werden, bei der Betriebspunkte abweichend von der einer idealen Spannungs-Strom-Kennlinie gewählt und angefordert werden.In the DE 10 2015 109 502 A1 a fuel cell system is described in which the stack is coupled to a current converter, the current converter requesting an increased current from the fuel cell stack, so that the individual fuel cells are operated with a reduced efficiency and are therefore subject to increased heat generation. In this way, a cold start procedure can be carried out in which operating points deviating from an ideal voltage-current characteristic are selected and requested.

Aus der JP 2010 103 066 A ist es bekannt, an den Brennstoffzellenstapel einen Wechselstrom anzulegen, wenn die Reaktionsräume durch Eis blockiert sind. Durch diesen Wechselstrom lässt sich identifizieren, ob und welche Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels durch Eis blockiert werden, wobei diese dann selektiv erwärmt werden können, was die Froststartprozedur verkürzt. Zugleich kann die einzelne Brennstoffzelle mit einem verringerten Wirkungsgrad betrieben werden, um ein zusätzliches Erwärmen zu begünstigen.From the JP 2010 103 066 A it is known to apply an alternating current to the fuel cell stack when the reaction spaces are blocked by ice. This alternating current can be used to identify whether and which fuel cells in the fuel cell stack are blocked by ice, and these can then be selectively heated, which shortens the frost start procedure. At the same time, the individual fuel cell can be operated with a reduced efficiency in order to promote additional heating.

Auch in der US 2016 / 0 372 768 A1 sind ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem beschrieben, die bei Frostbedingungen gestartet werden können. Auch hier wird die Brennstoffzelle mit einer verringerten Leistung betrieben, um sie schneller aufzuwärmen. Hierbei wird die Lösbarkeit von Wasser innerhalb der Membranelektrodenanordnung basierend auf der Umgebungstemperatur und dem vorherrschenden Wassergehalt in der Membranelektrodenanordnung berücksichtigt, die aus einer vor dem Abschalten durchlaufenen Abschaltprozedur bekannt sind.Also in the U.S. 2016 / 0 372 768 A1 describes a method and a fuel cell system that can be started in freezing conditions. Here, too, the fuel cell is operated at reduced power in order to warm it up more quickly. Here, the solubility of water within the membrane electrode assembly is taken into account based on the ambient temperature and the prevailing water content in the membrane electrode assembly, which are known from a shutdown procedure run through before shutdown.

Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen und Einstellen von Spannungs-Strom-Paaren anzugeben, bei dem sich ein weniger komplexer Aufbau des Brennstoffzellensystems ergibt und welches sich an die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellenstapels selbsttätig anpasst. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weniger komplexes Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem anzugeben.Proceeding from this, it is the object of the present invention to specify a method for determining and setting voltage-current pairs, in which a less complex construction of the fuel cell system results and which automatically adapts to the current operating situation of the fuel cell stack. Furthermore, it is the object of the present invention to specify a less complex fuel cell system for carrying out this method and a motor vehicle with such a fuel cell system.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These objects are achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell system having the features of claim 9 and by a motor vehicle having the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen und Einstellen von Spannungs-Strom-Paaren von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem erfolgt in Abhängigkeit der von einem Steuergerät angeforderten elektrischen Leistung und/oder angeforderten thermischen Leistung. Bei dem Verfahren wird der für die angeforderte Leistung einzustellende Strom festgelegt anhand einer Quotientenbildung aus der Summe aller angeforderten Leistungen und dem Produkt aus der Zellanzahl mit einer Spannung. Diese Spannung ist dabei zusammengesetzt aus der oberen Heizwertspannung und einem die Siedepunktkurve des in der Brennstoffzelle vorhandenen Wassers berücksichtigenden Korrekturterms, welcher abhängig ist von einer von einem Temperatursensor gemessenen mittleren Kühlmitteltemperatur zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels und einem von einem Drucksensor gemessenen mittleren Druckwert auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels. Bei dem Verfahren wird nach der Festlegung des einzustellenden Stroms die einzustellende Spannung festgelegt anhand einer Quotientenbildung der elektrischen Leistung und dem einzustellenden Strom, wie er vorangehend festgelegt oder bestimmt wurde.The method according to the invention for determining and setting voltage-current pairs of fuel cells of a fuel cell stack in a fuel cell system takes place as a function of the electrical power and/or thermal power requested by a control unit. In the method, the current to be set for the required power is determined using a quotient from the sum of all required powers and the product of the number of cells with a voltage. This voltage is composed of the upper calorific value voltage and a correction term that takes into account the boiling point curve of the water present in the fuel cell, which is dependent on an average coolant temperature measured by a temperature sensor between the inlet and the outlet of the fuel cell stack and an average pressure value measured by a pressure sensor the cathode side of the fuel cell stack. In the method, after the current to be set has been determined, the voltage to be set is determined using a quotient formation of the electrical power and the current to be set, as previously specified or determined.

Auf diese Weise ist es möglich, dass während des Betriebs, auch unter dynamischen Lastwechseln, bedarfsorientiert ein Spannungs-Strom-Paar bestimmt werden kann unter Verzicht eines zuvor aufwendig zu erstellenden Kennfeldes. Es kann also auf ein solches Kennfeld für die Wahl eines geeigneten Spannungs-Strom-Paares (Betriebspunkt) verzichtet werden.In this way, it is possible for a voltage-current pair to be determined as required during operation, even under dynamic load changes, without having to create a characteristic diagram that was expensive beforehand. Such a characteristic diagram for the selection of a suitable voltage-current pair (operating point) can therefore be dispensed with.

Es hat sich herausgestellt, dass für die Modellierung der Spannungs-Strom-Paare nicht lediglich die obere Heizwertspannung berücksichtigt werden sollte, da diese vom Idealfall des Vorliegens von ausschließlich flüssigem Wasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels ausgeht. Weil aber gerade innerhalb des Brennstoffzellenstapels - druckabhängig und temperaturabhängig - auch ein dampfförmiger Anteil des Wassers vorliegen kann, ist es von Vorteil, einen modifizierten Ansatz für die Spannung zu wählen, welcher die Gleichung nach Clausius-Clapeyron berücksichtigt. Aus diesem Grund ist es deshalb von Vorteil, wenn der zu liefernde Strom mit der Gleichung I = P e l + P t h ( U O H S − ( − 1 ) ⋅ ( l n ( p ) ⋅ T ⋅ R − T ⋅ Δ S z ⋅ F ) ) ⋅ Z e l l e n z a h l

Figure DE102021115672A1_0001
festgelegt wird, wobei I der elektrische Strom, Pel die angeforderte elektrische Leistung, Pth die angeforderte thermische Leistung, UOHS die obere Heizwertspannung, T die mittlere Kühlmitteltemperatur, p der mittlere Luftdruck, z die Anzahl der übertragenen Elektronen, F die Faradaykonstante, ΔS die Entropieänderung und Zellanzahl die Anzahl der Zellen im Brennstoffzellenstapel.It has been found that for the modeling of the voltage-current pairs, not only the upper calorific value voltage should be taken into account, since this is based on the ideal case of the presence of only liquid water inside the fuel cell stack. However, because a vaporous portion of the water can also be present within the fuel cell stack - depending on pressure and temperature - it is advantageous to choose a modified approach for the voltage, which takes the Clausius-Clapeyron equation into account. For this reason, it is therefore advantageous if the current to be supplied with the equation I = P e l + P t H ( u O H S − ( − 1 ) ⋅ ( l n ( p ) ⋅ T ⋅ R − T ⋅ Δ S e.g ⋅ f ) ) ⋅ Z e l l e n e.g a H l
Figure DE102021115672A1_0001
 where I is the electrical current, P el is the required electrical power, P th is the required thermal power, U OHS is the upper heating value voltage, T is the average coolant temperature, p is the average air pressure, z is the number of electrons transferred, F is the Faraday constant, ΔS the entropy change and cell number the number of cells in the fuel cell stack.

Anschließend kann auch auf die elektrische Gesamtleistung abgestellt werden, um die einzustellende Spannung festzulegen. Die einzustellende Spannung kann dann vorzugsweise mit der Gleichung U = P e l I

Figure DE102021115672A1_0002
festgelegt werden, wobei U die Spannung, Pel die elektrische Leistung und I der festgelegt Strom ist.The total electrical power can then also be used to determine the voltage to be set. The voltage to be set can then preferably be calculated using the equation u = P e l I
Figure DE102021115672A1_0002
 where U is the voltage, P el is the electrical power and I is the specified current.

Um das Verfahren noch zuverlässiger durchzuführen, ist es von Vorteil, wenn ein Spannungswandler vorhanden ist und eine Stromentnahme von dem Brennstoffzellenstapel bewirkt, die dem festgelegten Strom entspricht, um die geforderte Leistung bereitzustellen, wofür eine Stöchiometrie des der Katode zugeführten Luftmassenstroms von zwischen 0,9 und 1,1, insbesondere von 1 eingestellt oder eingehalten wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der durch den Spannungswandler tatsächlich bezogene Strom vom Brennstoffzellenstapel dem errechneten Stromwert I entspricht.In order to carry out the method even more reliably, it is advantageous if a voltage converter is present and causes a current draw from the fuel cell stack that corresponds to the specified current in order to provide the required power, for which a stoichiometry of the air mass flow supplied to the cathode is between 0.9 and 1.1, in particular set or maintained by 1. This ensures that the current actually drawn from the fuel cell stack by the voltage converter corresponds to the calculated current value I.

Mit einer solchen Betriebsstrategie kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels beliebig (innerhalb der physikalischen Grenzen) variiert werden, um bedarfsorientiert eine größere thermische Leistung zur Verfügung zu stellen und damit ein schnelles Aufheizen zu ermöglichen. Dieses Aufheizen kann dabei insbesondere in unterschiedlichen Kreisen erfolgen; jedem Kreis kann (muss aber nicht) ein eigenes Steuergerät zur Anforderung einer elektrischen Leistung und/oder thermischen Leistung zugeordnet sein.With such an operating strategy, the efficiency of the fuel cell stack can be varied as desired (within the physical limits) in order to provide greater thermal output as required and thus enable rapid heating. This heating can take place in particular in different circles; Each circuit can (but does not have to) have its own control unit assigned to request electrical power and/or thermal power.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn ein erster Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an einem Innenraum, wenn ein zweiter Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an eine Hochvoltbatterie, und wenn wenigstens ein weiterer dritter Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an einen Konstituenten des Brennstoffzellensystems. Jedem Kreis kann dabei ein eigenes Steuergerät zugewiesen sein, wobei auch dieses Steuergerät dann unterschiedliche Anteile an elektrischer Leistung und thermischer Leistung bereitgestellt werden kann.In this context, it is advantageous if there is a first circuit for providing power to an interior, a second circuit for providing power to a high-voltage battery, and if there is at least one further third circuit for providing power to a constituent of the fuel cell system. Each circuit can be assigned its own control unit, with this control unit then being different proportions of electrical power and thermal power can be provided.

Aufgrund der vorliegend gewählten Betriebsstrategie können Hochvolt-Heizeinrichtungen entfallen, die beispielsweise für das Aufheizen der Brennstoffzellen und/oder des Fahrzeuginnenraums benötigt würden. Hierzu wird beispielsweise vom Antriebssteuergerät eine elektrische Leistung und vom Temperatursteuergerät eine thermische Leistung gefordert. Hierzu wird dann das gewünschte Spannungs-Strom-Paar bestimmt und zwar in Abhängigkeit der jeweiligen Anteile an der elektrischen Leistung und an der thermischen Leistung.Due to the operating strategy selected here, high-voltage heating devices that would be required, for example, for heating the fuel cells and/or the vehicle interior, can be omitted. For this purpose, for example, electrical power is required from the drive control unit and thermal power is required from the temperature control unit. For this purpose, the desired voltage-current pair is then determined, specifically depending on the respective proportions of the electrical power and the thermal power.

In diesem Zuge ist es zu Gunsten eines Froststarts des Brennstoffzellensystems von Vorteil, wenn dem Innenraum ein Anteil an elektrischer Leistung und ein Anteil an thermischer Leistung bereitgestellt wird, und wenn diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels reduziert werden, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.In this context, it is advantageous in favor of a frost start of the fuel cell system if the interior is provided with a proportion of electrical power and a proportion of thermal power, and if these proportions are reduced in favor of heating the fuel cell stack if it turns out that the ambient temperature or the stack temperature has dropped below a limit.

In analoger Weise ist die Möglichkeit vorhanden, dass der Hochvoltbatterie ein Anteil an elektrischer Leistung und ein Anteil an thermischer Leistung bereitgestellt wird, und dass diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels reduziert werden, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.Analogously, there is the possibility that the high-voltage battery is provided with a proportion of electrical power and a proportion of thermal power, and that these proportions are reduced in favor of heating the fuel cell stack if the ambient temperature or the stack temperature falls below a limit value has sunk.

Auch diejenigen Konstituenten, die in dem wenigstens dritten Kreis vorliegen, kann dabei ein Anteil an elektrischer Leistung und ein Anteil an thermischer Leistung bereitgestellt werden, wobei diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels reduziert werden, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.A proportion of electrical power and a proportion of thermal power can also be provided for those constituents that are present in at least the third circle, with these proportions being reduced in favor of heating the fuel cell stack if it turns out that the ambient temperature or the stack temperature is below has fallen to a limit.

Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile, Wirkungen und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem. Auch dieses kann mit einer optimierten Betriebsstrategie betrieben werden und ist aufgrund seines Verzichts auf zusätzliche HV-Heizer weniger komplex gestaltet.The advantages, effects and advantageous configurations explained in connection with the method according to the invention apply in the same way to the fuel cell system according to the invention. This can also be operated with an optimized operating strategy and is less complex due to the fact that no additional HV heaters are used.

Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Wirkungen und Ausgestaltungen gelten in gleicher Weise für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem, welches an der geringen Komplexität des Brennstoffzellensystems partizipiert.The advantages, advantageous effects and refinements described in connection with the fuel cell system according to the invention apply in the same way to a motor vehicle with such a fuel cell system, which participates in the low complexity of the fuel cell system.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figure can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Therefore, the invention also includes and discloses embodiments that are not explicitly shown or explained in the figure, but result from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

  • 1 ein schematisch dargestelltes Brennstoffzellensystem.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. It shows:
  • 1 a schematically illustrated fuel cell system.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, das einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel 104 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 104 weist dabei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen auf.In 1 1 shows a fuel cell system 100 which comprises a fuel cell stack 104 having cathode compartments and anode compartments. The fuel cell stack 104 has a plurality of fuel cells connected in series.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells includes an anode and a cathode, and a proton conductive membrane separating 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). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can also be added to the anodes and/or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and/or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über die Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über die Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Fuel (for example hydrogen) is supplied to the anodes via the anode chambers within the fuel cell stack 104 . In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/elec ron delivery). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit. Cathode gas (for example oxygen or oxygen-containing air) can be supplied to the cathodes via the cathode chambers within the fuel cell stack 104, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 +4H + +4e- → 2H 2 O (reduction/electron uptake).

Dem Brennstoffzellenstapel 104 ist kathodenseitig eine Kathodengasversorgung zugeordnet, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenzufuhrleitung 103 zur Zufuhr des Kathodengases an die Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 104 aufweist. In die Kathodenzufuhrleitung 103 ist vorliegend zur Vorkonditionierung des Kathodengases ein Befeuchter 102 integriert. Der Befeuchter 102 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden. Stromauf des Befeuchters 102 ist ein Verdichter 112 vorhanden, der das Kathodengas ansaugt, um es anschließend komprimiert über die Kathodenzufuhrleitung 103 an einem Frischgaseinlass des Befeuchters 102 bereitzustellen. Da das Kathodengas beim Verdichten sehr stark erhitzt, wird dieses bereits vor einem Eintritt in den Befeuchter 102 mittels eines Ladeluftkühlers 105 heruntergekühlt, um Schädigungen zu vermeiden. Die Kathodengasversorgung umfasst außerdem eine Kathodenabgasleitung 106 zur Ausbringung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 104, wobei die Kathodenabgasleitung 106 ebenfalls strömungsmechanisch mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden ist. Der Befeuchter 102 ist vorliegend zusätzlich in die Kathodenabgasleitung 106 eingebunden, so dass er mit anderen Worten mit seinem kathodenseitigen Einlass ebenfalls mit den Kathodenräumen über die Kathodenabgasleitung 106 verbunden ist, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 102 rückgeführt wird. Der Befeuchter 102 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Membranen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen und diese dem frischen Kathodengas zuzuführen. Die Kathodenabgasleitung 6 setzt sich nach dem Befeuchter 102 fort, so dass das (teil-)getrocknete Kathodenabgas einer weiteren Verwertung zugeführt oder an die Umwelt abgegeben werden kann.The fuel cell stack 104 is assigned a cathode gas supply on the cathode side, which has a cathode supply line 103 fluidically connected to the cathode chambers on the stack entry side for supplying the cathode gas to the cathodes of the fuel cells of the fuel cell stack 104 . In the present case, a humidifier 102 is integrated into the cathode supply line 103 for preconditioning the cathode gas. The humidifier 102 is connected to the cathode chambers of the fuel cell stack 104 by its cathode-side outlet. Upstream of the humidifier 102 there is a compressor 112 which draws in the cathode gas in order to then make it available in compressed form via the cathode supply line 103 at a fresh gas inlet of the humidifier 102 . Since the cathode gas heats up very strongly during compression, it is already cooled down by means of a charge air cooler 105 before it enters the humidifier 102 in order to avoid damage. The cathode gas supply also includes a cathode exhaust gas line 106 for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell stack 104 , the cathode exhaust gas line 106 also being fluidically connected to the cathode chambers of the fuel cell stack 104 . In the present case, the humidifier 102 is also integrated into the cathode exhaust gas line 106, so that in other words its cathode-side inlet is also connected to the cathode chambers via the cathode exhaust gas line 106, via which unreacted cathode gas or moist cathode exhaust gas is returned to the humidifier 102. The humidifier 102 is formed from a plurality of water vapor permeable membranes configured to extract moisture from the cathode exhaust gas and add it to the fresh cathode gas. The cathode off-gas line 6 continues after the humidifier 102, so that the (partially) dried cathode off-gas can be fed to further utilization or discharged to the environment.

Dem Brennstoffzellensystem 100 ist anodenseitig eine Brennstoffversorgung zugeordnet, um den Anodenräumen und damit den Anoden der im Brennstoffzellenstapel 104 vorhandenen Brennstoffzellen den Brennstoff zuzuleiten. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 107 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 108 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 109 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Die Anodenrezirkulationsleitung 109 mündet stromauf des Brennstoffzellenstapels 104 also wieder in die Anodenzufuhrleitung 107 und bildet mit stromab der Mündung gebildeten Teil der Anodenzufuhrleitung 107 einen Anodenkreislauf. Um das Anodenabgas mittels einer einstellbaren Zufuhr von frischem Brennstoff zirkulieren zu können, ist vorliegend im Punkt der Mündung ein Ejektor 114 eingebunden. Stromauf des Ejektors 114 kann zur weiteren Regelung der Zufuhr des Brennstoffes in der Anodenzufuhrleitung 107 ein Brennstoffstellglied 110 angeordnet sein. Dieses Brennstoffstellglied 110 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 111 in Form eines Rekuperators zur Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein nicht näher dargestelltes Steuergerät.The fuel cell system 100 is assigned a fuel supply on the anode side in order to supply the fuel to the anode chambers and thus to the anodes of the fuel cells present in the fuel cell stack 104 . The anode chambers are connected via an anode supply line 107 to a fuel reservoir 108 that provides the fuel. Fuel that has not reacted at the anodes can be fed back to the anode chambers via an anode recirculation line 109 . The anode recirculation line 109 thus opens out again into the anode feed line 107 upstream of the fuel cell stack 104 and forms an anode circuit with the part of the anode feed line 107 formed downstream of the outlet. In order to be able to circulate the anode waste gas by means of an adjustable supply of fresh fuel, an ejector 114 is integrated at the point of the mouth. A fuel actuator 110 can be arranged upstream of the ejector 114 for further regulation of the supply of fuel in the anode supply line 107 . This fuel actuator 110 is preferably formed as a pressure control valve. A heat exchanger 111 in the form of a recuperator for heating the fuel is provided upstream of the pressure control valve. The fuel cell system 100 also includes a control unit that is not shown in detail.

Das Brennstoffzellensystem wird typischerweise an einer idealen Spannungs-Strom-Kennlinie betrieben, wobei Situationen eintreten können, in denen eine zu hohe Leistung durch die Brennstoffzellen bereitgestellt wird, die von einem Primärantrieb, insbesondere einem elektrischen Antriebsaggregat mit einem Elektromotor und/oder den Konstituenten, also einer Kühlmittelpumpe, einem Kühler, dem Verdichter 112, dem Befeuchter 102 oder dergleichen, nicht mehr aufgenommen werden können. Außerdem können Situationen eintreten, in denen die einzelnen Bauteile oder Komponenten bereits sehr warm sind und daher auch keine weitere thermische Leistung aufnehmen können, sodass es erforderlich ist, die Leistung sowohl thermisch als auch elektrisch anzupassen.The fuel cell system is typically operated at an ideal voltage-current characteristic, situations can arise in which too much power is provided by the fuel cells from a primary drive, in particular an electric drive unit with an electric motor and / or the constituents, i.e a coolant pump, a cooler, the compressor 112, the humidifier 102 or the like. In addition, situations can arise in which the individual parts or components are already very hot and therefore cannot absorb any further thermal power, so that it is necessary to adjust the power both thermally and electrically.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend näher erläutert. Verfahren zum Bestimmen und Einstellen von Spannungs-Strom-Paaren (U/I) von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels 104 in einem Brennstoffzellensystem 100 in Abhängigkeit der von einem Steuergerät angeforderten elektrischen Leistung (Pel) und/oder angeforderten thermischen Leistung (Pth), bei dem der für die angeforderte Leistung (Pel, Pth) einzustellende Strom (I) festgelegt wird anhand einer Quotientenbildung aus der Summe aller angeforderten Leistungen (Pel, Pth) und dem Produkt aus der Zellanzahl mit einer Spannung (U), wobei die Spannung (U) zusammengesetzt ist aus der oberen Heizwertspannung (UOHS) und einem die Siedepunktkurve des in der Brennstoffzelle vorhandenen Wassers berücksichtigenden Korrekturterm, welcher abhängig ist von einer von einem Temperatursensor 120 gemessenen mittleren Kühlmitteltemperatur zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels 104 und einem von einem Drucksensor 122 gemessenen mittleren Druckwert auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 104, und bei dem nach der Festlegung des einzustellenden Stroms (I) die einzustellende Spannung (U) festgelegt wird anhand einer Quotientenbildung der elektrischen Leistung (Pel) und dem einzustellenden Strom (I). Der zu liefernde Strom wird dabei mittels der Gleichung I = P e l + P t h ( U O H S − ( − 1 ) ⋅ ( l n ( p ) ⋅ T ⋅ R − T ⋅ Δ S z ⋅ F ) ) ⋅ Z e l l e n z a h l

Figure DE102021115672A1_0003
festgelegt, wobei I der elektrische Strom, Pel die angeforderte elektrische Leistung, Pth die angeforderte thermische Leistung, UOHS die obere Heizwertspannung, T die mittlere Kühlmitteltemperatur, p der mittlere Luftdruck, z die Anzahl der übertragenen Elektronen, F die Faradaykonstante, ΔS die Entropieänderung und Zellanzahl die Anzahl der Zellen im Brennstoffzellenstapel.The method according to the invention is explained in more detail below. Method for determining and adjusting voltage-current pairs (U/I) of fuel cells of a fuel cell stack 104 in a fuel cell system 100 as a function of the electrical power (P el ) and/or thermal power (P th ) requested by a control unit which the current (I) to be set for the required power (P el , P th ) is determined using a quotient formation from the sum of all required powers (P el , P th ) and the product of the number of cells with a voltage (U), where the voltage (U) is composed of the upper calorific value voltage (U OHS ) and a correction term that takes into account the boiling point curve of the water present in the fuel cell, which is dependent on an average coolant temperature measured by a temperature sensor 120 between the inlet and the outlet of the fuel cell stack 104 and an average pressure value measured by a pressure sensor 122 on the cathode side of the fuel cell stack 104, and in which, after the determination of the current (I) to be set, the voltage (U) to be set is determined using a quotient formation of the electrical power (P el ) and the current to be set ( i). The current to be supplied is calculated using the equation I = P e l + P t H ( u O H S − ( − 1 ) ⋅ ( l n ( p ) ⋅ T ⋅ R − T ⋅ Δ S e.g ⋅ f ) ) ⋅ Z e l l e n e.g a H l
Figure DE102021115672A1_0003
 where I is the electrical current, P el is the required electrical power, P th is the required thermal power, U OHS is the upper heating value voltage, T is the average coolant temperature, p is the average air pressure, z is the number of electrons transferred, F is the Faraday constant, ΔS the entropy change and cell number the number of cells in the fuel cell stack.

Lediglich der Druck p und die Temperatur T werden (fortlaufend: kontinuierlich oder getaktet) erfasst, um das Spannungs-Strom-Paar zu bestimmen. Alle anderen Größen ergeben sich aus näherungsweise für Brennstoffzellensysteme bekannten Informationen.Only the pressure p and the temperature T are recorded (continuously: continuously or clocked) in order to determine the voltage-current pair. All other variables result from information known approximately for fuel cell systems.

Die einzustellende Spannung wird sodann mit der Gleichung U = P e l I

Figure DE102021115672A1_0004
festgelegt, wobei U die Spannung, Pel die elektrische Leistung und 1 der festgelegt Strom ist.The voltage to be set is then calculated using the equation u = P e l I
Figure DE102021115672A1_0004
 where U is the voltage, P el is the electrical power and 1 is the specified current.

Mit dieser Betriebsstrategie kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 104 beliebig (zumindest innerhalb der physikalischen Grenzen) variiert werden, um bedarfsorientiert eine größere thermische Leistung zur Verfügung zu stellen und damit ein schnelles Aufheizen nicht nur des Brennstoffzellenstapels 104, sondern auch über weitere Steuergeräte anzusteuernde Kreise (siehe unten) aufzuheizen. Mit dieser Betriebsstrategie können auch Hochvolt-Heizer entfallen, die beispielsweise für das Aufheizen des Brennstoffzellensystems 100 und/oder eines Fahrzeuginnenraums benötigt würden. Dabei wird beispielsweise vom Antriebs-Steuergerät eine elektrische Leistung und vom TemperaturSteuergerät eine thermische Leistung gefordert, sodass das gewünschte Aufheizen erfolgt. Hierzu werden die oben bereits beschriebenen Gleichungen genutzt.With this operating strategy, the efficiency of the fuel cell stack 104 can be varied as required (at least within the physical limits) in order to provide greater thermal power as required and thus rapid heating not only of the fuel cell stack 104, but also of circuits to be controlled via other control units (see below) to heat up. With this operating strategy, high-voltage heaters that would be required, for example, for heating up fuel cell system 100 and/or a vehicle interior, can also be omitted. For example, electrical power is required from the drive control unit and thermal power is required from the temperature control unit, so that the desired heating occurs. The equations already described above are used for this.

Es ist beim Brennstoffzellensystem 100 ein Spannungswandler (DC/DC-Wandler) vorhanden, der eine Stromentnahme von dem Brennstoffzellenstapel 104 bewirkt, welche dem festgelegten Strom (I) entspricht, um die geforderte Leistung (Pel, Pth) bereitzustellen, wofür eine Stöchiometrie des der Kathode zugeführten Luftmassenstroms von zwischen 0,9 und 1,1, insbesondere von 1 eingestellt oder eingehalten wird. Auf diese Weise entspricht dem errechneten Wert des Stroms im Wesentlichen dem tatsächlich dem Brennstoffzellenstapel 104 entnommenen Strom.A voltage converter (DC/DC converter) is present in the fuel cell system 100, which causes a current draw from the fuel cell stack 104 which corresponds to the specified current (I) in order to provide the required power (P el , P th ), for which a stoichiometry of the air mass flow supplied to the cathode of between 0.9 and 1.1, in particular of 1, is set or maintained. In this way, the calculated value of the current essentially corresponds to the current actually drawn from the fuel cell stack 104 .

Typischerweise liegen mehrere Kreise vor, die eine Leistung anfordern, wobei den Kreisen eigene Steuergeräte zugeordnet sein können, die über ein an sich bekanntes BUS-System untereinander kommunizieren. Hierbei kann beispielsweise ein erster Kreis vorliegen zur Leistungsbereitstellung an einen (Fahrzeug-)Innenraum, wobei zudem ein zweiter Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an eine Hochvoltbatterie, und wobei wenigstens ein weiterer dritter Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an einen der Konstituenten 102, 105, 111, 112, 114, 118 des Brennstoffzellensystems 100.There are typically a number of circuits which require power, with the circuits being able to be assigned their own control devices which communicate with one another via a bus system which is known per se. In this case, for example, a first circuit can be present for providing power to a (vehicle) interior, with a second circuit also being present for providing power to a high-voltage battery, and with at least one further third circuit being present for providing power to one of the constituents 102, 105, 111, 112 , 114, 118 of the fuel cell system 100.

Dem Innenraum wird dabei ein Anteil an elektrischer Leistung (Pel) und ein Anteil an thermischer Leistung (Pth) bereitgestellt, wobei diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 104 reduziert werden können, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.A proportion of electrical power (P el ) and a proportion of thermal power (P th ) are made available to the interior, and these proportions can be reduced in favor of heating the fuel cell stack 104 if the ambient temperature or the stack temperature falls below one limit has fallen.

Alternativ oder ergänzend wird auch der Hochvoltbatterie ein Anteil an elektrischer Leistung (Pel) und ein Anteil an thermischer Leistung (Pth) bereitgestellt, wobei diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 104 reduziert werden können, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.Alternatively or additionally, the high-voltage battery is also provided with a proportion of electrical power (P el ) and a proportion of thermal power (P th ), these proportions can be reduced in favor of heating the fuel cell stack 104 if it turns out that the ambient temperature or the Stack temperature has dropped below a limit.

Alternativ oder ergänzend wird auch dem dritten Kreis mit dem wenigstens einen Konstituenten 102, 105, 111, 112, 114, 118 ein Anteil an elektrischer Leistung (Pel) und ein Anteil an thermischer Leistung (Pth) bereitgestellt, wobei diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 104 reduziert werden können, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.Alternatively or additionally, the third circuit with the at least one constituent 102, 105, 111, 112, 114, 118 is provided with a proportion of electrical power (P el ) and a proportion of thermal power (P th ), these proportions in favor of the Heating of the fuel cell stack 104 can be reduced if it turns out that the ambient temperature or the stack temperature has fallen below a limit.

Durch die vorliegende Erfindung wird die Systemkomplexität und der Brennstoffverbrauch reduziert, wobei die Wärme bedarfsweise dort bereitgestellt ist, wo sie aktuell benötigt wird. Ein besonders schnelles Aufheizen des betreffenden Konstituenten 102, 105, 111, 112, 114, 118 und/oder der (nicht näher gezeigten) Hochvoltbatterie und/oder des Brennstoffzellenstapels 104 ist dadurch möglich. Aufgrund der Möglichkeit des Verzichts auf zusätzliche Heizer, zeichnen sich das Brennstoffzellensystem 100 sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ebenfalls durch eine Reduzierung ihrer Komplexität aus.The present invention reduces system complexity and fuel consumption, with heat being provided where it is needed when needed. A particularly rapid heating of the relevant constituents 102, 105, 111, 112, 114, 118 and/or the high-voltage battery (not shown in detail) and/or the fuel cell stack 104 is possible as a result. Due to the possibility of doing without additional heaters, the fuel cell sys System 100 and the motor vehicle according to the invention are also characterized by a reduction in their complexity.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Brennstoffzellensystemfuel cell system
102102
Befeuchter (Konstituent)humidifier (constituent)
103103
Kathodenzufuhrleitungcathode supply line
104104
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
105105
Ladeluftkühler (Konstituent)Intercooler (constituent)
106106
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
107107
Anodenzufuhrleitunganode supply line
108108
Brennstoffspeicherfuel storage
109109
Anodenrezirkulationsleitunganode recirculation line
110110
Brennstoffstellgliedfuel actuator
111111
Wärmeübertrager (Konstituent)heat exchanger (constituent)
112112
Verdichter (Konstituent)compressor (constituent)
114114
Strahlpumpe (Konstituent)jet pump (constituent)
116116
Kühlkreislaufcooling circuit
118118
Konstituent des Kühlkreislaufs (z.B. KM-Pumpe, Kühler oder dergleichen)Constituent of the cooling circuit (e.g. KM pump, cooler or the like)
120120
Temperatursensortemperature sensor
122122
Drucksensorpressure sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • DE 102015109502 A1 [0005]DE 102015109502 A1 [0005]
  • JP 2010103066 A [0006]JP 2010103066 A [0006]
  • US 20160372768 A1 [0007]US20160372768A1 [0007]

Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen und Einstellen von Spannungs-Strom-Paaren (U/I) von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels (104) in einem Brennstoffzellensystem (100) in Abhängigkeit der von einem Steuergerät angeforderten elektrischen Leistung (Pel) und/oder angeforderten thermischen Leistung (Pth), bei dem der für die angeforderte Leistung (Pel, Pth) einzustellende Strom (I) festgelegt wird anhand einer Quotientenbildung aus der Summe aller angeforderten Leistungen (Pel, Pth) und dem Produkt aus der Zellanzahl mit einer Spannung (U), wobei die Spannung (U) zusammengesetzt ist aus der oberen Heizwertspannung (UOHS) und einem die Siedepunktkurve des in der Brennstoffzelle vorhandenen Wassers berücksichtigenden Korrekturterm, welcher abhängig ist von einer von einem Temperatursensor (120) gemessenen mittleren Kühlmitteltemperatur zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels und einem von einem Drucksensor (122) gemessenen mittleren Druckwert auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, und bei dem nach der Festlegung des einzustellenden Stroms (I) die einzustellende Spannung (U) festgelegt wird anhand einer Quotientenbildung der elektrischen Leistung (Pel) und dem einzustellenden Strom (I).Method for determining and setting voltage-current pairs (U/I) of fuel cells of a fuel cell stack (104) in a fuel cell system (100) as a function of the electrical power (P el ) and/or thermal power (P th ) for which the current (I) to be set for the required power (P el , P th ) is determined using a quotient formation from the sum of all required powers (P el , P th ) and the product of the number of cells with a voltage ( U), where the voltage (U) is made up of the upper calorific value voltage (U OHS ) and a correction term which takes into account the boiling point curve of the water present in the fuel cell and which is dependent on an average coolant temperature measured by a temperature sensor (120) between the inlet and the outlet of the fuel cell stack and a mean pressure value measured by a pressure sensor (122) on the cat test side of the fuel cell stack, and in which, after the determination of the current (I) to be set, the voltage (U) to be set is determined using a quotient formation of the electrical power (P el ) and the current (I) to be set. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu liefernde Strom mit der Gleichung I = P e l + P t h ( U O H S − ( − 1 ) ⋅ ( l n ( p ) ⋅ T ⋅ R − T ⋅ Δ S z ⋅ F ) ) ⋅ Z e l l e n z a h l
Figure DE102021115672A1_0005
festgelegt wird, wobei / der elektrische Strom, Pel die angeforderte elektrische Leistung, Pth die angeforderte thermische Leistung, UOHS die obere Heizwertspannung, T die mittlere Kühlmitteltemperatur, p der mittlere Luftdruck, z die Anzahl der übertragenen Elektronen, F die Faradaykonstante, ΔS die Entropieänderung und Zellanzahl die Anzahl der Zellen im Brennstoffzellenstapel.procedure after claim 1 , characterized in that the current to be supplied with the equation I = P e l + P t H ( u O H S − ( − 1 ) ⋅ ( l n ( p ) ⋅ T ⋅ R − T ⋅ Δ S e.g ⋅ f ) ) ⋅ Z e l l e n e.g a H l
Figure DE102021115672A1_0005
 is determined, where / is the electric current, P el is the required electric power, P th is the required thermal power, U OHS is the upper heating value voltage, T is the average coolant temperature, p is the average air pressure, z is the number of electrons transferred, F is the Faraday constant, ΔS the entropy change and cell number the number of cells in the fuel cell stack. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzustellende Spannung mit der Gleichung U = P e l I
Figure DE102021115672A1_0006
festgelegt wird, wobei U die Spannung, Pel die elektrische Leistung und I der festgelegt Strom ist.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the voltage to be set with the equation u = P e l I
Figure DE102021115672A1_0006
 is specified, where U is the voltage, P el is the electrical power and I is the specified current. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungswandler vorhanden ist und eine Stromentnahme von dem Brennstoffzellenstapel (104) bewirkt, die dem festgelegten Strom (I) entspricht, um die geforderte Leistung (Pel, Pth) bereitzustellen, wofür eine Stöchiometrie des der Kathode zugeführten Luftmassenstroms von zwischen 0,9 und 1,1, insbesondere von 1 eingestellt oder eingehalten wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that a voltage converter is present and causes a current draw from the fuel cell stack (104) which corresponds to the specified current (I) in order to provide the required power (P el , P th ) for which a stoichiometry of the air mass flow supplied to the cathode of between 0.9 and 1.1, in particular of 1, is set or maintained. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an einen Innenraum, dass ein zweiter Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an eine Hochvoltbatterie, und dass wenigstens ein weiterer dritter Kreis vorliegt zur Leistungsbereitstellung an einen Konstituenten (102, 105, 111, 112, 114, 118) des Brennstoffzellensystems (100).Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that a first circuit is present for providing power to an interior, that a second circuit is present for providing power to a high-voltage battery, and that at least one further third circuit is present for providing power to a constituent (102, 105, 111, 112, 114, 118) of the fuel cell system (100). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Innenraum ein Anteil an elektrischer Leistung (Pel) und ein Anteil an thermischer Leistung (Pth) bereitgestellt wird, und dass diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels (104) reduziert werden, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.procedure after claim 5 , characterized in that the interior is provided with a proportion of electrical power (P el ) and a proportion of thermal power (P th ), and that these proportions are reduced in favor of heating the fuel cell stack (104) if it turns out that the Ambient temperature or the stack temperature has dropped below a limit. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvoltbatterie ein Anteil an elektrischer Leistung (Pel) und ein Anteil an thermischer Leistung (Pth) bereitgestellt wird, und dass diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels (104) reduziert werden, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.procedure after claim 5 or 6 , characterized in that the high-voltage battery is provided with a proportion of electrical power (P el ) and a proportion of thermal power (P th ), and that these proportions are reduced in favor of heating the fuel cell stack (104) if it turns out that the Ambient temperature or the stack temperature has dropped below a limit. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dass dem dritten Kreis mit dem wenigstens einen Konstituenten (102, 105, 111, 112, 114, 118) ein Anteil an elektrischer Leistung (Pel) und ein Anteil an thermischer Leistung (Pth) bereitgestellt wird, und dass diese Anteile zugunsten der Erwärmung des Brennstoffzellenstapels (104) reduziert werden, wenn sich ergibt, dass die Umgebungstemperatur oder die Stapeltemperatur unter einen Grenzwert gesunken ist.Procedure according to one of Claims 5 until 7 That the third circuit with the at least one constituent (102, 105, 111, 112, 114, 118) is provided a proportion of electrical power (P el ) and a proportion of thermal power (P th ), and that these shares in favor the heating of the fuel cell stack (104) can be reduced if it turns out that the ambient temperature or the stack temperature has dropped below a limit value. Brennstoffzellensystem (100) mit einem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichteten Steuergerät.Fuel cell system (100) with a for carrying out a method according to one of Claims 1 until 8th configured control unit. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9.Motor vehicle with a fuel cell system (100). claim 9 .
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