WO2021062457A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum aufheizen eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum aufheizen eines brennstoffzellenstapels Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, a computer program product and a method for performing a heating operation for heating up a fuel cell stack.
  • the invention also relates to a non-volatile storage medium with a computer program product stored thereon for performing a heating operation.
  • the cold start of fuel cell systems in particular PEM systems, is subject to an exact control of several physical quantities so that it can be carried out successfully.
  • PEM systems In order to keep the service life of a fuel cell stack of the fuel cell system as long as possible, well thought-out systems and methods are necessary for different operating states of the fuel cell system.
  • the operating history before and the cold stop itself of the fuel cell system is particularly important for a successful cold start. These make a major difference to the success or failure of the cold start.
  • the fuel cell stack is heated to a temperature of, in particular, well above 0 ° C. If the starting process is interrupted too early, water that is generated during the heating operation can freeze again and block functional components such as a catalytic converter or gas ducts. On the other hand, it can happen that the catalyst freezes completely with ice before the temperature is high enough. As a result, the performance of these functional components can be restricted, damaged and / or the fuel cell system cannot be started in the first place.
  • the object of the present invention is to at least partially take into account the problems described above.
  • Another object of the present invention is to create a system and a method for a cold start of a fuel cell system in which the thermal mass and thus the coolant volume that is pumped through the system can be kept low.
  • a method for performing a heating operation for heating up a fuel cell stack in a fuel cell system in particular during a cold start.
  • the fuel cell system has a fuel cell stack with a temperature control section for controlling the temperature of the fuel cell stack, a heat exchanger for controlling the temperature of a temperature control fluid, a temperature control fluid line for guiding the temperature control fluid through the temperature control section and the heat exchanger, a sensor unit for determining a temperature in and / or on Fuel cell stack and a pump for pumping the temperature control fluid in the temperature control fluid line from the heat exchanger through the temperature control section.
  • the procedure consists of the following steps:
  • the thermal mass of the temperature control fluid within the fuel cell stack by pumping back and forth according to the invention i.e. alternating pumping in the first direction and in the second direction
  • the risk of frost and / or ice formation in the fuel cell stack during the heating operation of the fuel cell system can thus be reduced accordingly.
  • the use of a separate, particularly small temperature control circuit can therefore be dispensed with. This can save costs.
  • the degree of complexity of the fuel cell system can be kept low.
  • the method according to the invention can also easily be used in existing fuel cell systems.
  • the first direction can be understood to mean a forward direction and the second direction can be understood to mean a backward direction, or vice versa.
  • the pump used can correspondingly for a forward operation for pumping the temperature control fluid in the first direction and for one Be configured reverse operation for pumping the temperature control fluid in the second direction.
  • the temperature control fluid can be understood to mean a coolant, in particular a cooling liquid, for cooling the fuel cell stack during functional operation and / or normal operation of the fuel cell system.
  • the heat exchanger is preferably designed in the form of a radiator.
  • the heat exchanger can also be understood as a temperature control unit.
  • Carrying out the heating operation can be understood as carrying out a cold start of the fuel cell system, i.e. switching on and / or flooding the fuel cell system at which the ambient temperature and / or at least the temperature in at least a partial range of the temperature control fluid is below freezing point and / or 0 ° C .
  • the temperature control fluid can only be pumped in the first or in the second direction. This means that you can switch to normal operation without reversing the speed in the pump.
  • the alternating pumping in the first direction and in the second direction during the heating operation is carried out at least until the temperature in the fuel cell stack is at least regionally, i.e. at least in regions of the fuel cell stack, is above 5 ° C. Increased safety can thus be achieved in order to prevent frost from still forming in some areas of the fuel cell stack, while the temperatures in other areas of the fuel cell stack are already above freezing point.
  • the alternating pumping in the first direction and in the second direction during the heating operation is preferably only carried out until the temperature in the fuel cell stack is at least partially in a temperature range between 5 ° C and 10 ° C.
  • the temperature control fluid when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction during the heating operation with a volume flow of less than 50% of the maximum volume flow that can be generated by the pump in the Tempering fluid line is pumped through the fuel cell stack. This minimizes energy consumption when the frost starts and helps to regulate the amount pumped back and forth more easily. Premature freezing can be prevented and / or reduced accordingly.
  • the temperature control fluid when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction during the heating operation with a volume flow in a range between 10% and 50%, in particular in a range between 10% and 30% of the maximum volume flow that can be generated by the pump in the temperature control fluid line is pumped through the fuel cell stack.
  • the amount of temperature control fluid that is pumped through the fuel cell stack in the temperature control fluid line during the heating operation increases with the temperature in the fuel cell stack when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction is increased.
  • the pumped amount of temperature control fluid can be continuously increased in accordance with the increasing temperature. In this way, an effective temperature increase during the heating operation can be achieved with the lowest possible thermal mass in the fuel cell stack. This allows the proportion of coolant that is still below freezing point to be reduced.
  • the pump output can be increased accordingly.
  • the volume flow of the temperature control fluid pumped through the temperature control fluid line in the fuel cell stack can also be increased. It can also be advantageous if, in a method according to the invention, the amount of temperature control fluid that is in the Tempering fluid line is pumped through the fuel cell stack, is increased with increasing temperature in the fuel cell stack when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction and not as a function of time.
  • the pumping in the first direction and / or the pumping in the second direction it is also possible for the pumping in the first direction and / or the pumping in the second direction to be carried out during the heating operation for a duration in a range between 1s and 10s.
  • these times have proven to be an advantageous compromise with a view to the performance of the available pumps, the inertia behavior of the temperature control fluid, detected temperature transitions from the temperature control fluid to the fuel cell stack and the frost behavior of the fuel cell stack during the heating operation. If, for example, 50 l / min is to be pumped back and forth during the heating operation, but only 2 liters are to be moved back and forth within the fuel cell stack, the duration for pumping in the first direction or the second direction is approx. 2.5 Seconds.
  • the duration of pumping in one direction is different than in the other direction. This can be the case, for example, if different pumps can pump the temperature control fluid more effectively in one direction than in the other direction, it can be advantageous if the duration when pumping in one direction, for example in a reverse direction, is longer than in that other direction, for example in a forward direction.
  • the alternating pumping in the first direction and in the second direction during the heating operation periodically with reference to the amount of pumped temperature control fluid and / or the time over which the temperature control fluid in the temperature control fluid line through the fuel cell stack is pumped is carried out.
  • the fuel cell stack can be heated in a particularly gentle manner on the components.
  • One advantage of periodic pumping with regard to the amount of temperature control fluid pumped is that no undesired cold section of the temperature control fluid gets into the fuel cell stack.
  • the fuel cell system has a fuel cell stack with a temperature control section for controlling the temperature of the fuel cell stack, a heat exchanger for controlling the temperature of a temperature control fluid, a temperature control fluid line for guiding the temperature control fluid through the temperature control section and the heat exchanger, a sensor unit for determining a temperature in and / or on the fuel cell stack, and a pump for Pumping the temperature control fluid in the temperature control fluid line from the heat exchanger through the temperature control section.
  • the fuel cell system furthermore has a setting unit for setting a heating-up operation of the fuel cell stack, in particular for setting a heating-up operation during a cold start of the fuel cell stack, the setting unit being configured for
  • a fuel cell system according to the invention thus has the same advantages as have been described in detail with reference to the method according to the invention.
  • the pumping of the temperature control fluid in the temperature control section during the heating operation in the first direction and in the second direction can be carried out by means of the pump.
  • the setting unit can have a signal output unit for outputting control signals on the basis of the determined temperature for control purposes of the pump for operating the pump according to the invention.
  • the setting unit can in particular be a signal processing unit for receiving the determined temperature in and / or on the fuel cell stack and for outputting at least one control signal for adjusting the pump on the basis of the determined temperature, for example for alternating pumping in the first direction and in the second direction at least as long as until the determined temperature in and / or on the fuel cell stack is at least partially above freezing point.
  • the fuel cell system is preferably designed in the form of a mobile fuel cell system, for example in the form of a fuel cell vehicle.
  • the setting unit can be configured to carry out the alternating pumping in the first direction and in the second direction at least until a determined temperature in and / or on the fuel cell stack is at least partially above 5 ° C lies.
  • the setting unit can have a signal processing unit for receiving the determined temperature in and / or on the fuel cell stack and for outputting at least one control signal for adjusting the pump based on the determined temperature, for alternating pumping in the first direction and in the second direction at least until a determined temperature in and / or on the fuel cell stack is at least in some areas above 5 ° C.
  • the setting unit can be configured to pump the temperature control fluid when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction during the heating operation with a volume flow of less than 50% of the maximum volume flow that can be generated by the pump through the temperature control fluid line .
  • the setting unit can have a signal processing unit for receiving the determined temperature in and / or on the fuel cell stack and for outputting at least one control signal for adjusting the pump based on the determined temperature to the effect that the temperature control fluid when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction is pumped through the temperature control fluid line during the heating operation with a volume flow of less than 50% of the maximum volume flow that can be generated by the pump.
  • a fuel cell system can furthermore have an adjustment unit which is configured in such a way that the amount of temperature control fluid that is pumped through the fuel cell stack in the temperature control fluid line during the heating operation increases with the temperature in the fuel cell stack when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction is increased.
  • the setting unit can have a signal processing unit for receiving the determined temperature in and / or on the fuel cell stack and for outputting at least one control signal for adjusting the pump based on the determined temperature to the effect that the amount of temperature control fluid that is in the temperature control fluid line through the fuel cell stack during the heating operation is pumped, is increased with increasing temperature in the fuel cell stack when pumping in the first direction and / or when pumping in the second direction.
  • the setting unit can be configured to carry out the pumping in the first direction and / or the pumping in the second direction during the heating operation, in each case for a duration in a range between 1s and 10s. Furthermore, in a fuel cell system according to the present invention, it is possible for the setting unit to be configured to periodically pumping alternately in the first direction and in the second direction with reference to the amount of temperature control fluid pumped and / or the time over which the temperature control fluid is pumped through the fuel cell stack in the temperature control fluid line.
  • the setting unit can be configured to carry out the pumping in the first direction for a different duration than the pumping in the second direction.
  • a computer program product comprises instructions which, when the computer program product is executed by a computer, cause the computer to carry out the method described in detail above.
  • a computer program product according to the invention thus also has the advantages described above.
  • the computer program product can be implemented as computer-readable instruction code in any suitable programming language such as Java, C ++, C # or Python.
  • the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium such as a data disc, a removable drive, a volatile or non-volatile memory, or a built-in memory / processor.
  • the instruction code can program a computer or other programmable device such as the setting unit in such a way that the desired functions are carried out.
  • the computer program product can be provided in a network such as the Internet, for example, from which it can be downloaded by a user if necessary.
  • the computer program product can be or be implemented both by means of a computer program, ie software, and by means of one or more special electronic circuits, ie in flardware, or in any hybrid form, ie by means of software components and flardware components.
  • the computer program product can be installed in the setting unit and / or in another functional component of the fuel cell system at least temporarily in order to carry out the method according to the invention and / or the functions described.
  • Figure 1 is a block diagram for describing a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention in a first operating state
  • FIG. 2 shows a block diagram for describing a fuel cell system according to the preferred embodiment of the present invention in a second operating state
  • FIG Figure 3 shows a mobile fuel cell system in the form of a fuel cell vehicle.
  • the fuel cell stack 11 has a temperature control section 12 for temperature control of the fuel cell stack 11, an anode section 17 and a cathode section 18.
  • the anode section 17 has an anode inlet, which is shown on the left-hand side of the fuel cell stack 11 in FIG. 1, and an anode outlet, which is shown on the right-hand side in FIG. 1.
  • the cathode section 18 has a cathode inlet, which is shown on the right-hand side of the fuel cell stack 11 in FIG. 1, and a cathode outlet, which is shown on the left-hand side in FIG. 1.
  • the fuel cell system also has a heat exchanger 13 in the form of a radiator for controlling the temperature of a temperature control fluid, a temperature control fluid line 14 for guiding the temperature control fluid through the temperature control section 12 and the heat exchanger 13, a sensor unit 16 for determining a temperature in and / or on the fuel cell stack 11, and a pump 15 for pumping the temperature control fluid in the temperature control fluid line 14 from the heat exchanger 13 through the temperature control section 12.
  • a heat exchanger 13 in the form of a radiator for controlling the temperature of a temperature control fluid
  • a temperature control fluid line 14 for guiding the temperature control fluid through the temperature control section 12 and the heat exchanger 13
  • a sensor unit 16 for determining a temperature in and / or on the fuel cell stack 11
  • a pump 15 for pumping the temperature control fluid in the temperature control fluid line 14 from the heat exchanger 13 through the temperature control section 12.
  • the fuel cell system 10 also has a setting unit 20 for setting the heating operation for heating the fuel cell stack 11.
  • the setting unit 20 is in signal connection with the sensor unit 16 for transmitting the determined sensor values, in particular the temperature in and / or on the fuel cell stack 11.
  • the setting unit 20 is configured for
  • the setting unit 20 outputs appropriate control commands to the associated functional components of the fuel cell system 10, in particular directly or indirectly to the pump 15.
  • the pump 15 shown in FIG. 1 is operated in a forward direction for pumping the temperature control fluid in the first direction.
  • the setting unit 20 is configured to carry out the alternating pumping in the first direction and in the second direction at least until a determined temperature in and / or on the fuel cell stack 10 is at least partially above 5 ° C.
  • the setting unit 20 is configured to pump the temperature control fluid when pumping in the first direction and when pumping in the second direction during the heating operation with a volume flow of only approx. 20% of the maximum volume flow that can be generated by the pump 15 through the temperature control fluid line 14.
  • the setting unit 20 is configured to increase the amount of temperature control fluid that is pumped through the fuel cell stack 11 in the temperature control fluid line 14 during the heating operation, as the temperature in the fuel cell stack 11 rises when pumping in the first direction and when pumping in the second direction.
  • the pumping in the first direction and the pumping in the second direction are carried out during the heating operation with increasing duration in a range between 1s and 10s.
  • the setting unit 20 has a non-volatile storage means 22 with a computer program product 21 stored thereon.
  • the computer program product 21 is in the setting unit 20 and thus also in the Fuel cell system 10 for performing a heating operation for heating up the fuel cell stack 11 is installed.
  • Fig. 2 the fuel cell system 10 is shown in a second operating state in which the pump 15 is operated in a reverse direction, for pumping the temperature control fluid in the second direction.
  • the fuel cell system 10 is shown in the form of a fuel cell vehicle which has the fuel cell stack 11 and an electric motor 19 for driving the fuel cell vehicle.
  • the fuel cell stack 11 serves as a current and voltage source for the electric motor 19.
  • the fuel cell vehicle is a purely schematic representation. The arrangement and design of the fuel cell system 10 in a vehicle can differ significantly from the illustration in FIG. 3.
  • the temperature control fluid in the temperature control section 12 is initially pumped through the fuel cell stack 11 in the first direction shown in FIG. 1 for a few seconds.
  • the temperature control fluid in the temperature control section 12 is then pumped for a few seconds in the second direction shown in FIG. 2 through the fuel cell stack 11, that is to say opposite to the first direction.
  • the periodic, alternating pumping in the first direction and in the second direction is now carried out until a temperature determined by the sensor unit 16 in and / or on the fuel cell stack 11 is at least partially above 5 ° C.
  • the temperature control fluid is pumped in the first direction when pumping and in the second direction during the heating operation with a volume flow of only approx. 20% of the maximum volume flow that can be generated by the pump 15 in the temperature control fluid line 14 through the fuel cell stack 11.
  • the amount of temperature control fluid that is pumped through the fuel cell stack 11 in the temperature control fluid line 14 during the heating operation is increased as the temperature in the fuel cell stack 11 rises when pumping in the first direction and when pumping in the second direction.
  • the invention allows further design principles. I. E. the invention should not be viewed as restricted to the exemplary embodiments explained with reference to the figures.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels (11 ) in einem Brennstoffzellensystem (10), wobei der Brennstoffzellenstapel (11 ) einen Temperierabschnitt (12) zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels (11 ) umfasst, aufweisend die Schritte: Pumpen des Temperierfluids in einem Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch Brennstoffzellenstapel (11), und Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11) entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11 ) zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (10) und ein Computerprogrammprodukt (21) zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein nichtflüchtiges Speichermittel (22) mit einem darauf gespeicherten, erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt.

Description

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZUM AUFHEIZEN EINES BRENNSTOFFZELLENSTAPELS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels. Außerdem betrifft die Erfindung ein nichtflüchtiges Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines Aufheizbetriebs.
Der Kaltstart von Brennstoffzellensystemen, insbesondere von PEM-Systemen, unterliegt einer exakten Regelung von mehreren physikalischen Größen, damit dieser erfolgreich durchgeführt werden kann. Um darüber hinaus auch die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems so lang wie möglich zu halten, sind durchdachte Systeme und Verfahren für verschiedene Betriebszustände des Brennstoffzellensystems notwendig. Besonders wichtig für einen erfolgreichen Kaltstart ist die Betriebshistorie vor dem und der Kaltstopp selbst des Brennstoffzellensystems. Diese entscheiden wesentlich über Erfolg oder Misserfolg des Kaltstarts.
Während eines Kaltstarts ist es wichtig, dass der Brennstoffzellenstapel auf eine Temperatur von insbesondere deutlich über 0°C aufgeheizt wird. Wird der Startvorgang zu früh abgebrochen, kann Wasser, das während des Aufheizbetriebs erzeugt wird, erneut gefrieren und Funktionsbauteile wie einen Katalysator oder Gaskanäle blockieren. Andererseits kann es passieren, dass der Katalysator vollständig mit Eis zufriert, bevor die Temperatur hoch genug ist. Dadurch können diese Funktionsbauteile in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt werden, beschädigt werden und/oder das Brennstoffzellensystem gar nicht erst gestartet werden.
Zur Lösung dieser Problemstellung sind im Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt. Zunächst wird versucht, die thermische Masse eines Kühlkreislaufes des Brennstoffzellensystems und dadurch das erzeugte Wasser während des Kaltstarts entsprechend gering zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Kühlreislauf relativ klein ausgestaltet wird. Wegen vorgegebenen Mindestanforderung and die Kühlung im Normalbetrieb sind dieser Maßnahme Grenzen gesetzt. Das Kühlmittelvolumen lässt sich auch nicht beliebig verringern. Ferner sind Lösungsansätze bekannt, bei welchen ein spezifischer Kühlkreislauf mit einer zweiten Kühlmittelpumpe ausschließlich für den Kaltstart des Brennstoffzellensystems bereitgestellt sind. Eine solche Lösung erhöht jedoch den Komplexitätsgrad des Brennstoffzellensystems und sorgt weiter für eine erhöhte Fehleranfälligkeit des Gesamtsystems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System sowie ein Verfahren für einen verbesserten Kaltstart eines Brennstoffzellensystems zu schaffen. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System sowie ein Verfahren für einen Kaltstart eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, bei dem die thermische Masse und damit das Kühlmittelvolumen, das durch das System gepumpt wird, gering gehalten werden kann.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, das Com puterprogramm produkt gemäß Anspruch 13 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Com puterprogramm produkt, dem erfindungsgemäßen Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere beim Kaltstart, zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Temperierabschnitt zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels, einen Wärmetauscher zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt und den Wärmetauscher, eine Sensoreinheit zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel, sowie eine Pumpe zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung vom Wärmetauscher durch den Temperierabschnitt, auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Pumpen des Temperierfluids während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel, und
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass die thermische Masse des Temperierfluids innerhalb des Brennstoffzellenstapels durch das erfindungsgemäße hin und her pumpen, also das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung, trotz eines Temperierkreislaufes mit normaler Größe auf einfache Weise relativ gering gehalten werden kann. Die Gefahr von Frost und/oder Eisbildung im Brennstoffzellenstapel während des Aufheizbetriebs des Brennstoffzellensystems kann damit entsprechend reduziert werden. Auf die Verwendung eines separaten, besonders klein ausgestalteten Temperierkreislaufes kann mithin verzichtet werden. Damit können Kosten gespart werden. Außerdem kann der Komplexitätsgrad des Brennstoffzellensystems niedrig gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem einfach in bestehenden Brennstoffzellensystemen verwendet werden.
Unter der ersten Richtung kann eine Vorwärtsrichtung verstanden werden und unter der zweiten Richtung kann eine Rückwärtsrichtung verstanden werden, oder umgekehrt. Die verwendete Pumpe kann entsprechend für einen Vorwärtsbetrieb zum Pumpen des Temperierfluids in die erste Richtung und für einen Rückwärtsbetrieb zum Pumpen des Temperierfluids in die zweite Richtung ausgestaltet sein.
Unter dem Temperierfluid kann ein Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels während des Funktionsbetriebs und/oder eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems verstanden werden. Der Wärmetauscher ist bevorzugt in Form eines Radiators ausgestaltet. So kann der Wärmetauscher ebenfalls als Temperiereinheit verstanden werden.
Das Durchführen des Aufheizbetriebs kann als Durchführen eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems verstanden werden, also ein Einschalten und/oder Flochfahren des Brennstoffzellensystems, bei welchem die Umgebungstemperatur und/oder zumindest die Temperatur in wenigstens einem Teilbereich des Temperierfluids unter dem Gefrierpunkt und/oder 0°C liegt.
Sobald die durch die Sensoreinheit ermittelte Temperatur über dem Gefrierpunkt,
0°C und/oder über einer vordefinierten Temperatur über dem Gefrierpunkt liegt, kann das Temperierfluid nur noch in die erste oder in die zweite Richtung gepumpt werden. D. h., es kann auf einen Normalbetrieb ohne Drehzahlumkehr in der Pumpe umgeschaltet werden.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs wenigstens so lange durchgeführt wird, bis die Temperatur im Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise, also zumindest in Bereichen des Brennstoffzellenstapels, über 5°C liegt. Damit kann eine erhöhte Sicherheit erzielt werden, um zu verhindern, dass sich in manchen Bereichen des Brennstoffzellenstapels noch Frost bildet, während die Temperaturen in anderen Bereichen des Brennstoffzellenstapels bereits über dem Gefrierpunkt liegen. Das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs wird vorzugsweise nur so lange durchgeführt, bis die Temperatur im Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise in einem Temperaturbereich zwischen 5°C und 10°C liegt. Sobald die Temperatur im Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise die vorgegebene Temperatur erreicht hat, kann in einen Normalbetrieb, also einen Betrieb, in welchem das Temperierfluid nur in die erste Richtung oder nur in die zweite Richtung gepumpt wird, umgeschaltet werden. Die oben angeführten Temperaturwerte liegen insbesondere in großen Bereichen vor, sodass ein erneutes Einfrieren bei nachströmendem, kaltem Kühlmittel verhindert wird.
Ferner ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von weniger als 50% des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird. Das minimiert den Energieverbrauch während des Froststarts und hilft, die hin- und her gepumpte Menge leichter zu regeln. Ein frühzeitiges Zufrieren kann entsprechend gut verhindert und/oder reduziert werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom in einem Bereich zwischen 10% und 50%, insbesondere in einem Bereich zwischen 10% und 30%, des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird.
Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn bei einem Verfahren gemäß der Erfindung die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird. D. h., wenn anhand der ermittelten, steigenden Temperatur der Aufheizbetrieb erkannt wird, kann die gepumpte Temperierfluidmenge korrespondierend zur steigenden Temperatur kontinuierlich erhöht werden. Damit ist eine effektive Temperaturerhöhung während des Aufheizbetriebs bei stets möglichst geringer thermischer Masse im Brennstoffzellenstapel realisierbar. Dadurch lässt sich der Anteil des Kühlmittels reduzieren, der noch unter dem Gefrierpunkt ist. Zum Erhöhen der gepumpten Temperierfluidmenge kann die Pumpenleistung entsprechend erhöht werden. In Folge dessen kann auch der Volumenstrom des durch die Temperierfluidleitung im Brennstoffzellenstapel gepumpten Temperierfluids erhöht werden. Dabei kann es außerdem von Vorteil sein, wenn bei einem Verfahren gemäß der Erfindung die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird und nicht in Abhängigkeit der Zeit.
Darüber hinaus ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchgeführt wird. Diese Zeiten haben sich bei umfangreichen, experimentellen Versuchen als vorteilhafter Kompromiss mit Blick auf das Leistungsvermögen von verfügbaren Pumpen, das Trägheitsverhalten des Temperierfluids, erkannte Temperaturübergänge vom Temperierfluid auf den Brennstoffzellenstapel sowie ein Frostverhalten des Brennstoffzellenstapels während des Aufheizbetriebs herausgestellt. Wenn während des Aufheizbetriebs beispielsweise mit 50 l/min hin und her gepumpt werden soll, aber nur 2 Liter innerhalb des Brennstoffzellenstapels hin und her bewegt werden sollen, beträgt die Dauer für das Pumpen in die erste Richtung oder die zweite Richtung ca. 2,5 Sekunden.
Darüber hinaus ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass die Dauer beim Pumpen in die eine Richtung anders als in die andere Richtung ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn verschiedene Pumpen das Temperierfluid in die eine Richtung wirksamer als in die andere Richtung pumpen können, kann es von Vorteil sein, wenn die Dauer beim Pumpen in die eine Richtung, beispielsweise in eine Rückwärtsrichtung, länger als in die andere Richtung, beispielsweise in eine Vorwärtsrichtung, ist. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner möglich, dass das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, durchgeführt wird. Durch das gleichmäßige Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung kann der Brennstoffzellenstapel besonders bauteilschonend aufgeheizt werden. Ein Vorteil eines periodischen Pumpens bezüglich der Menge des gepumpten Temperierfluids ist, dass kein ungewünschter kalter Abschnitt des Temperierfluids in den Brennstoffzellenstapel gelangt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Temperierabschnitt zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels, einen Wärmetauscher zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt und den Wärmetauscher, eine Sensoreinheit zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel, sowie eine Pumpe zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung vom Wärmetauscher durch den Temperierabschnitt, auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Einstelleinheit zum Einstellen eines Aufheizbetriebs des Brennstoffzellenstapels, insbesondere zum Einstellen eines Aufheizbetriebs beim Kaltstart des Brennstoffzellenstapels, auf, wobei die Einstelleinheit konfiguriert ist zum
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel, und
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
Das Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt während des Aufheizbetriebs in die erste Richtung und in die zweite Richtung kann mittels der Pumpe durchgeführt werden. Die Einstelleinheit kann eine Signalausgabeeinheit zum Ausgeben von Steuersignalen anhand der ermittelten Temperatur zum Ansteuern der Pumpe für das erfindungsgemäße Betreiben der Pumpe aufweisen. Die Einstelleinheit kann insbesondere eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steuersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur, beispielsweise zum abwechselnden Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange, bis die ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise in Form eines mobilen Brennstoffzellensystems, beispielsweise in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs, ausgestaltet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Einstelleinheit konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange durchzuführen, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über 5°C liegt. Die Einstelleinheit kann hierzu eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steuersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur, zum abwechselnden Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise über 5°C liegt, aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann die Einstelleinheit konfiguriert sein, das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von weniger als 50% des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung zu pumpen. Die Einstelleinheit kann hierzu eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steuersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur dahingehend, dass das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von weniger als 50% des durch die Pumpe maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung gepumpt wird, aufweisen. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann ferner eine Einstelleinheit aufweisen, die dahingehend konfiguriert ist, dass die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel beim Pumpen in die ersten Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird. Dafür kann die Einstelleinheit eine Signalverarbeitungseinheit zum Empfangen der ermittelten Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel und zum Ausgeben von wenigstens einem Steuersignal zum Einstellen der Pumpe anhand der ermittelten Temperatur dahingehend, dass die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel beim Pumpen in die ersten Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird, aufweisen.
Weiterhin kann die Einstelleinheit bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem konfiguriert sein, das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchzuführen. Ferner ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Einstelleinheit konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, durchzuführen.
Weiterhin kann die Einstelleinheit bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem konfiguriert sein, das Pumpen in die erste Richtung für eine andere Dauer als das Pumpen in die zweite Richtung durchzuführen .
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Com puterprogramm produkt bereitgestellt. Das Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, das vorstehend im Detail beschriebene Verfahren auszuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Das Com puterprogramm produkt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in Java, C++, C# oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor gespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie die Einstelleinheit derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Com puterprogramm produkt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden oder sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d. h. in Flardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Flardware-Komponenten, realisiert werden oder sein.
Das Computerprogrammprodukt kann in der Einstelleinheit und/oder in einem anderen Funktionsbauteil des Brennstoffzellensystems zumindest zeitweise zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der beschriebenen Funktionen installiert sein.
Im Rahmen der Erfindung wird zudem ein nichtflüchtiges Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt gemäß der vorstehenden Beschreibung vorgeschlagen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockschaltbild zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem ersten Betriebszustand,
Figur 2 ein Blockschaltbild zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem zweiten Betriebszustand, und Figur 3 ein mobiles Brennstoffzellensystem in Form eines Brennstoffzellenfahr zeugs.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Brennstoffzellenstapel 11. Der Brennstoffzellenstapel 11 weist einen Temperierabschnitt 12 zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels 11 , einen Anodenabschnitt 17 und einen Kathodenabschnitt 18 auf. Der Anodenabschnitt 17 weist einen Anodeneingang, der in Fig. 1 auf der linken Seite des Brennstoffzellenstapels 11 dargestellt ist, und einen Anodenausgang, der in Fig. 1 auf der rechten Seite dargestellt ist, auf. Der Kathodenabschnitt 18 weist einen Kathodeneingang, der in Fig. 1 auf der rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 11 dargestellt ist, und einen Kathodenausgang, der in Fig. 1 auf der linken Seite dargestellt ist, auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wärmetauscher 13 in Form eines Radiators zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung 14 zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt 12 und den Wärmetauscher 13, eine Sensoreinheit 16 zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11, sowie eine Pumpe 15 zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung 14 vom Wärmetauscher 13 durch den Temperierabschnitt 12, auf.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem 10 außerdem eine Einstelleinheit 20 zum Einstellen des Aufheizbetriebs zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 11 auf. Hierzu steht die Einstelleinheit 20 mit der Sensoreinheit 16 zur Übertragung der ermittelten Sensorwerte, insbesondere der Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11, in Signalverbindung. Die Einstelleinheit 20 ist konfiguriert zum
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt 12 während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem 10 zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11 , und zum Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt 12 während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem 10 zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11 entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11 zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
Die Einstelleinheit 20 gibt zum Durchführen der vorgenannten Verfahrensschritte entsprechende Steuerbefehle an die zugehörigen Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 10, insbesondere direkt oder indirekt an die Pumpe 15, aus. Die in Fig. 1 gezeigte Pumpe 15 wird in einer Vorwärtsrichtung zum Pumpen des Temperierfluids in die erste Richtung betrieben. Die Einstelleinheit 20 ist konfiguriert, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange durchzuführen, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 10 zumindest bereichsweise über 5°C liegt. Außerdem ist die Einstelleinheit 20 konfiguriert, das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom mit nur ca. 20% des durch die Pumpe 15 maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung 14 zu pumpen. Darüber hinaus ist die Einstelleinheit 20 konfiguriert, die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 11 gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel 11 beim Pumpen in die ersten Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung zu erhöhen. Das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wird während des Aufheizbetriebs mit jeweils ansteigender Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchgeführt.
Die Einstelleinheit 20 weist ein nichtflüchtiges Speichermittel 22 mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt 21 auf. Gemäß Fig. 1 ist das Computerprogrammprodukt 21 in der Einstelleinheit 20 und damit auch im Brennstoffzellensystem 10 zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 11 installiert.
In Fig. 2 ist das Brennstoffzellensystem 10 in einem zweiten Betriebszustand dargestellt, in welchem die Pumpe 15 in einer Rückwärtsrichtung, zum Pumpen des Temperierfluids in die zweite Richtung, betrieben wird.
In Fig. 3 ist das Brennstoffzellensystem 10 in Form eines Brennstoffzellenfahrzeugs dargestellt, das den Brennstoffzellenstapel 11 und einen Elektromotor 19 zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 11 dient im gezeigten Beispiel als Strom- und Spannungsquelle für den Elektromotor 19. Das Brennstoffzellenfahrzeug ist eine rein schematische Darstellung. Die Anordnung und Ausbildung des Brennstoffzellensystems 10 in einem Fahrzeug kann sich deutlich von der Darstellung in Fig. 3 unterscheiden.
Mit Bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 wird ein Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 11 , an und/oder in welchem während des Aufheizbetriebs im Rahmen eines Kaltstarts zumindest abschnittsweise Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes herrschen, erläutert. Flierzu wird das Temperierfluid im Temperierabschnitt 12 zunächst für wenige Sekunden in die in Fig. 1 dargestellte erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11 gepumpt. Anschließend wird das Temperierfluid im Temperierabschnitt 12 für wenige Sekunden in die in Fig. 2 dargestellte zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel 11 , also entgegengesetzt zur ersten Richtung, gepumpt. Das periodisch, abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wird nun so lange durchgeführt, bis eine durch die Sensoreinheit 16 ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel 11 zumindest bereichsweise über 5°C liegt. Das Temperierfluid wird beim Pumpen in die erste Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von nur ca. 20% des durch die Pumpe 15 maximal erzeugbaren Volumenstroms in der Temperierfluidleitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 11 gepumpt. Die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung 14 durch den Brennstoffzellenstapel 11 gepumpt wird, wird mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel 11 beim Pumpen in die ersten Richtung und beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht. Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
10 Brennstoffzellensystem
11 Brennstoffzellenstapel
12 Temperierabschnitt
13 Wärmetauscher
14 Temperierfluidleitung
15 Pumpe
16 Sensoreinheit
17 Anodenabschnitt
18 Kathodenabschnitt
19 Elektromotor
20 Einstelleinheit
21 Computerprogrammprodukt
22 Speichermittel

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Durchführen eines Aufheizbetriebs zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels (11) in einem Brennstoffzellensystem (10), wobei das Brennstoffzellensystem (10) einen Brennstoffzellenstapel (11) mit einem Temperierabschnitt (12) zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels (11), einen Wärmetauscher (13) zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung (14) zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt (12) und den Wärmetauscher (13), eine Sensoreinheit (16) zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11), sowie eine Pumpe (15) zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung (14) vom Wärmetauscher (13) durch den Temperierabschnitt (12), umfasst, aufweisend die Schritte:
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch Brennstoffzellenstapel (11), und
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11) entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11) zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs wenigstens so lange durchgeführt wird, bis die Temperatur im Brennstoffzellenstapel (11) zumindest bereichsweise über 5°C liegt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von weniger als 50% des durch die Pumpe (15) maximal erzeugbaren Volumenstroms in der Temperierfluidleitung (14) durch den Brennstoffzellenstapel (11 ) gepumpt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung (14) durch den Brennstoffzellenstapel (11) gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel (11) beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1 s und 10 s durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel (11) gepumpt wird, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems (10) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Pumpens in die erste Richtung anders als in die zweite Richtung ist.
9. Brennstoffzellensystem (10), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (11) mit einem Temperierabschnitt (12) zum Temperieren des Brennstoffzellenstapels (11), einen Wärmetauscher (13) zum Temperieren eines Temperierfluids, eine Temperierfluidleitung (14) zum Leiten des Temperierfluids durch den Temperierabschnitt (12) und den Wärmetauscher (13), eine Sensoreinheit (16) zum Ermitteln einer Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11), sowie eine Pumpe (15) zum Pumpen des Temperierfluids in der Temperierfluidleitung (14) vom Wärmetauscher (13) durch den Temperierabschnitt (12), gekennzeichnet durch eine Einstelleinheit (20) zum Einstellen eines Aufheizbetriebs des Brennstoffzellenstapels (11), wobei die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist zum
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine erste Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11), und
Pumpen des Temperierfluids im Temperierabschnitt (12) während des Aufheizbetriebs, bei welchem die Temperatur im Brennstoffzellensystem (10) zumindest abschnittsweise unter dem Gefrierpunkt liegt, in eine zweite Richtung durch den Brennstoffzellenstapel (11) entgegengesetzt zur ersten Richtung, wobei das Pumpen in die erste Richtung und das Pumpen in die zweite Richtung wenigstens so lange abwechselnd durchgeführt werden, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (11) zumindest bereichsweise über dem Gefrierpunkt liegt.
10. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung wenigstens so lange durchzuführen, bis eine ermittelte Temperatur im und/oder am Brennstoffzellenstapel (10) zumindest bereichsweise über 5°C liegt.
11. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das Temperierfluid beim Pumpen in die erste Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs mit einem Volumenstrom von weniger als 50% des durch die Pumpe (15) maximal erzeugbaren Volumenstroms durch die Temperierfluidleitung (14) zu pumpen.
12. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, die Menge des Temperierfluids, die während des Aufheizbetriebs in der Temperierfluidleitung (14) durch den Brennstoffzellenstapel (11 ) gepumpt wird, mit steigender Temperatur im Brennstoffzellenstapel (11) beim Pumpen in die ersten Richtung und/oder beim Pumpen in die zweite Richtung zu erhöhen.
13. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das Pumpen in die erste Richtung und/oder das Pumpen in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs jeweils für eine Dauer in einem Bereich zwischen 1s und 10s durchzuführen.
14. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das abwechselnde Pumpen in die erste Richtung und in die zweite Richtung während des Aufheizbetriebs periodisch mit Bezug auf die Menge des gepumpten Temperierfluids und/oder die Zeit, über welche das Temperierfluid in der Temperierfluidleitung durch den Brennstoffzellenstapel (11) gepumpt wird, durchzuführen.
15. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (20) konfiguriert ist, das Pumpen in die erste Richtung für eine andere Dauer als das Pumpen in die zweite Richtung durchzuführen.
16. Com puterprogramm produkt (21), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (21) durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
17. Nichtflüchtiges Speichermittel (22) mit einem darauf gespeicherten Com puterprogramm produkt (21) nach Anspruch 16.
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