DE102018202111A1

DE102018202111A1 - Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems bei Vorliegen von Froststartbedingungen

Info

Publication number: DE102018202111A1
Application number: DE102018202111.2A
Authority: DE
Inventors: Leonard Liphardt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2019-08-14

Abstract

Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wenn die Bedingungen eines Froststartes vorliegen, wobei das Brennstoffzellensystem einen eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel aufweist, umfassend die Schritte
• •Zuführen der Reaktandengase zu dem Brennstoffzellenstapel zu einem Startzeitpunkt (Tstart)
• Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle oder, bei Zusammenfassung jeweils einer Mehrzahl von Einzelzellen zum einem Einzelzellblock, jedes Einzelzellblocks, und Bestimmung der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblock mit der geringsten Spannung sowie der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen,
• Begrenzung des elektrischen Stromes auf einen Wert (Xstart)
• Wiederholte Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle oder jedes Einzelzellblocks und Beibehaltung der Stromstärke mit dem Wert (Xstart) für eine Zeitdauer, bis eine Differenz (4) der elektrischen Spannung zwischen der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks und der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen einen Schwellenwert y unterschreitet, und
• Erhöhung der Stromstärke nach Unterschreiten des Schwellenwertes (y).

Description

Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wenn die Bedingungen eines Froststartes vorliegen, wobei das Brennstoffzellensystem einen eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel aufweist, umfassend die Schritte:

• Zuführen der Reaktandengase zu dem Brennstoffzellenstapel zu einem Startzeitpunkt (Tstart)
• Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle oder, bei Zusammenfassung jeweils einer Mehrzahl von Einzelzellen zum einem Einzelzellblock, jedes Einzelzellblocks, und Bestimmung der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblock mit der geringsten Spannung sowie der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen,
• Begrenzung des elektrischen Stromes auf einen Wert (Xstart)
• Wiederholte Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle oder jedes Einzelzellblocks und Beibehaltung der Stromstärke mit dem Wert (Xstart) für eine Zeitdauer, bis eine Differenz (4) der elektrischen Spannung zwischen der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks und der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen einen Schwellenwert y unterschreitet, und
• Erhöhung der Stromstärke nach Unterschreiten des Schwellenwertes (y).

Brennstoffzellensysteme, wie sie beispielsweise zum Betrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind wegen der damit verbundenen Leistungsanforderungen aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufgebaut, die in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Jede einzelne Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung gebildet aus einer protonenleitenden Membran, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist. Den Elektroden werden Reaktandengase zugeführt, nämlich anodenseitig insbesondere Wasserstoff und kathodenseitig Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft. Bei der elektrochemischen Reaktion reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
Problematisch ist dabei, wenn bei einem Start des Brennstoffzellensystem Froststartbedingungen vorliegen, also Bedingungen, bei denen Wasser gefriert. Dies kann dazu führen, dass die erforderlichen Strömungskanäle für die Reaktandengase und das Produktwasser durch Eis blockiert sind. Um diesem Zustand vorzubeugen, ist es bekannt, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems den Brennstoffzellenstapel zu trocknen. Da in einem Brennstoffzellenstapel mehrere hundert Einzelzellen angeordnet sind, ist es nicht möglich, eine homogene Trocknung aller Einzelzellen zu erreichen, so dass die Einzelzellen aufgrund abweichender Feuchtezustände verschieden leistungsfähig sind.
In der DE 10 2016 221 668 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs ausgehend von einem Niedrig-Temperatur-Startzustand offenbart, wobei die Selbsterwärmung der Brennstoffzelle ausgenutzt und vorgeschlagen wird, die Spannung zu verringern sowie den Strom zu erhöhen, wobei eine Konstantspannungsoperation bei einem von dem System zugelassenen minimalen Spannungspegel erfolgen soll.
In der DE 10 2015 109 502 A1 ist eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Brennstoffzellenstapels in einem Kaltstartmodus offenbart, die neben dem Brennstoffzellenstapel einen Stromumrichter und eine Steuerung aufweist, so dass als Reaktion auf eine Stapeltemperatur, die kleiner als eine Schwelle ist, der Brennstoffzellenstapel so betrieben wird, dass ein Strom erzeugt wird, der einer Brennstoffzellenspannung entspricht, die kleiner als eine normale Fahrzeugbetriebsspannung ist, wobei der Stromumrichter so betrieben wird, dass eine Stromumrichter-Ausgangsspannung auf der normalen Fahrzeugbetriebsspannung erzeugt wird. Wenn die Stapelenergie einen Schwellenenergiepegel erreicht, wird die Brennstoffzellen-Betriebsspannung von dem niedrigen Spannungspegel auf die normale Betriebsspannung vergrößert.
Die DE 10 2016 221 382 A1 zeigt ein System und Verfahren zum Steuern eines Starts eines Brennstoffzellensystem, wobei bei einem Kaltstart die Brennstoffzellen durch eine Regelung mit der untersten zulässigen Spannung betrieben werden, bis eine Erwärmung der Brennstoffzellen soweit fortgeschritten ist, um die elektrische Spannung zu erhöhen.
Problematisch im Stand der Technik ist, dass durch die inhomogene Trocknung der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Einzelzellen, diese Einzelzellen verschieden leistungsfähig sind, so dass sich aufgrund der durch die elektrische Reihenschaltung vorgegebenen Stromstärke unterschiedliche Einzelzellspannungen ergeben und die Gefahr einer Schädigung der Einzelzellen ergibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine schnelle Aufheizung des Brennstoffzellenstapels durch Eigenwärme möglich ist, ohne weniger leistungsfähige Einzelzellen zu schädigen oder zu gefährden.
Diese Aufgabe wird durch das eingangs genannte Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass nicht ein globaler Allgemeinzustand der Einzelzellen vorausgesetzt wird, sondern dass gezielt der Ist-Zustand jeder Einzelzelle, oder zur Reduktion der Messdaten und schnelleren Datenverarbeitung, jedes Einzelzellblocks, gemessen und ausgewertet wird, um beispielsweise ausgehend von der schlechtesten Einzelzelle mit der niedrigsten Einzelzellspannung eine Limitierung des durch das Brennstoffzellensystems erzeugten Stromes vorzusehen. Diese Limitierung wird so lange aufrecht erhalten, bis durch den Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit der dabei erfolgenden Homogenisierung der Betriebsparameter der Einzelzellen die Abweichung der schlechtesten Einzelzelle sich ausreichend verringert hat, so dass für eine nochmals schnellere Erwärmung dann die Stromstärke erhöht werden kann.
Zweckmäßigerweise wird dabei der Wert Xstart bestimmt durch die Stromstärke, bei der die Spannung der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks beim Start zusammenbricht, sich also dem Spannungswert 0 Volt asymptotisch annähert.
Im Rahmen der Erfindung besteht dabei nicht das Erfordernis, diesen Wert Xstart jedesmal neu zu bestimmen, also in Echtzeit zu messen, da einem bestimmten Spannungswert der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks eine Stromstärke zugeordnet und in einer Datenbank hinterlegt werden kann, so dass die Möglichkeit besteht, dass eine Datenbank bereitgestellt ist, der eine geeignete Größe des Werts Xstart in Abhängigkeit des gemessenen Spannungswertes der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks entnommen wird.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der Schwellenwert Y höchstens bei 50 % der Spannungsdifferenz zwischen der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks und der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen zum Zeitpunkt T_start vorliegt, also die Betriebsparameter der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks sich soweit verbessert und die Einzelzellspannung oder die Spannung des Einzelzellblocks sich damit dem Mittelwert angenähert hat. Dabei liegt keine signifikante Abweichung mehr vor und die vormals schlechteste Einzelzelle oder der schlechteste Einzelzellblock liegt mit den Werten im Rahmen der Streuung der Messwerte zu allen Einzelzellen bzw. Einzelzellblöcken. Dann ist eine besonders schnelle Erwärmung des Brennstoffzellenstapels möglich.
Wenn mehr Wert auf eine Sicherheitsreserve gelegt wird, um eine Schädigung jeder Einzelzelle zu vermeiden, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, dass der Schwellenwert Y unterhalb von 30% der Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt T_start und insbesondere unterhalb 10% liegt.
Es besteht nicht die Notwendigkeit, den Schwellenwert durch relative Angaben vorzugeben, sondern es besteht auch die Möglichkeit, absolute Differenzen anzugeben, deren Unterschreitung einen sicheren Betrieb des Brennstoffzellenstapels erwarten lässt. Es besteht somit die Möglichkeit, dass der Schwellenwert unterhalb von 0,6 Volt und insbesondere unterhalb von 0,2 Volt liegt.
Ganz besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin, wenn eine dem Brennstoffzellensystem zugeordnete Kühlmittelpumpe deaktiviert bleibt, solange der Schwellenwert Y nicht unterschritten ist, und dass die Kühlmittelpumpe aktiviert wird, wenn der Schwellenwert Y unterschritten wird, um so die produzierte Wärme bei erhöhtem Wärmebedarf nicht aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 ein Strom-Spannungsdiagramm mit verschiedenen Spannungsverläufen.

Ein der Erfindung zugrundeliegendes Brennstoffzellensystem besteht aus einem Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl von Einzelzellen zusammengefasst sind, wobei die Anzahl der Einzelzellen abhängig von dem Einsatzgebiet des Brennstoffzellensystems ist und bei Kraftahrzeugen mehrere hundert Einzelzellen umfassen kann.
Um das Brennstoffzellensystem auf die Bedingungen eines Froststartes vorzubereiten, ist es üblich, den Brennstoffzellenstapel beim Abstellen des Brennstoffzellensystems zu trocknen, wobei infolge der Vielzahl der Einzelzellen stets Inhomogenitäten des Feuchtezustandes zwischen den Einzelzellen bestehen. Da der Feuchtezustand Auswirkungen auf die elektrische Leistungsfähigkeit der Einzelzelle hat, gibt es innerhalb des Brennstoffzellenstapels Einzelzellen, die weniger leistungsfähig sind. Bei dieser fällt mit zunehmender Stromstärke die Einzelzellspannung auf null ab (Linie 1 in 1) oder bricht zusammen und zwar schneller als bei anderen Einzelzellen. Um einer Schädigung der schlechtesten Einzelzelle vorzubeugen, ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass beim Zuführen der Reaktandengase zu dem Brennstoffzellenstapel zum Startzeitpunkt T_start auch eine Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle erfolgt, wobei anhand der Messwerte die Bestimmung der schlechtesten Einzelzelle mit der geringsten Einzelzellspannung erfolgt und die mittlere elektrische Spannung (Linie 2) aller Einzelzellen bestimmt wird. Für den weiteren Betrieb des Brennstoffzellenstapels erfolgt dann eine Begrenzung des elektrischen Stromes auf einen Wert X_start , der bestimmt ist durch die Stromstärke, bei der die Spannung der schlechtesten Einzelzelle beim Start zusammenbricht (Linie 1), wobei diese Stromstärke bei Kenntnis des gemessenen Spannungswertes der schlechtesten Einzelzelle einer Datenbank entnommen werden kann, die dafür bereitgestellt ist. Die Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle wird in regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Abständen wiederholt, wobei die Stromstärke mit dem Wert X_start für eine Zeitdauer beibehalten wird, bis die Differenz 4 der elektrischen Spannung zwischen der schlechtesten Einzelzelle (Linie 3) und der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen einen Schwellenwert Y unterschreitet, wobei nach dem Unterschreiten des Schwellenwertes Y die Stromstärke erhöht wird.
Der Schwellenwert Y kann relativ vorgegeben werden und zwar bezogen auf die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der schlechtesten Einzelzelle und der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen zum Zeitpunkt T_start , wobei geeignete Schwellenwerte bei höchstens 50% liegen, wenn eine besonders schnelle Erwärmung des Brennstoffzellenstapels bevorzugt ist, während ein niedriger Schwellenwert unterhalb von 30% oder unterhalb von 10% den Schutzcharakter des erfindungsgemäßen Verfahrens vor Beschädigungen von Einzelzellen betont.
Gemäß einer Alternative besteht auch die Möglichkeit, jeweils mehrere Einzelzellen zu einem Einzelzellblock zusammen zufassen und die Einzelzellblöcke statt jede Einzelzelle der Messung und Auswertung zugrunde zu legen. Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels weist jeder Einzelzellblock für die Vergleichbarkeit die identische Anzahl von Einzelzellen auf. Die Anzahl selber kann nach den Erfordernissen festgelegt werden und zwischen 2 und 50 Einzelzellen, insbesondere zwischen 5 und 20 liegen.
Statt relativer Schwellenwerte besteht auch die Möglichkeit, den Schwellenwert Y absolut vorzugeben, wobei sich ein Wert aus dem Intervall zwischen 0,2 V und 0,6 V anbietet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt weiterhin eine Deaktivierung der Kühlmittelpumpe, solange der Schwellenwert Y nicht unterschritten ist, damit kein Wärmeverlust im Brennstoffzellenstapel erfolgt, wobei die Kühlmittelpumpe aktiviert wird, wenn der Schwellenwert unterschritten wird, um so den Übergang zum Normalbetrieb zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

1: Spannungsverlauf der schlechtesten Einzelzelle
2: mittlerer Spannungsverlauf aller Einzelzellen
3: Spannungsverlauf der schlechtesten Einzelzelle mit Strombegrenzung
4: Spannungsdifferenz
T_start: Startzeitpunkt
X_start: Strombegrenzung (Wert)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016221668 A1 [0004]
DE 102015109502 A1 [0005]
DE 102016221382 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wenn die Bedingungen eines Froststartes vorliegen, wobei das Brennstoffzellensystem einen eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel aufweist, umfassend die Schritte: • Zuführen der Reaktandengase zu dem Brennstoffzellenstapel zu einem Startzeitpunkt (Tstart) • Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle oder, bei Zusammenfassung jeweils einer Mehrzahl von Einzelzellen zum einem Einzelzellblock, jedes Einzelzellblocks, und Bestimmung der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblock mit der geringsten Spannung sowie der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen, • Begrenzung des elektrischen Stromes auf einen Wert (Xstart) • Wiederholte Messung der elektrischen Spannung jeder Einzelzelle oder jedes Einzelzellblocks und Beibehaltung der Stromstärke mit dem Wert (Xstart) für eine Zeitdauer, bis eine Differenz (4) der elektrischen Spannung zwischen der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks und der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen einen Schwellenwert y unterschreitet, und • Erhöhung der Stromstärke nach Unterschreiten des Schwellenwertes (y).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (Xstart) bestimmt ist durch die Stromstärke, bei der die Spannung der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks beim Start zusammenbricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenbank bereit gestellt ist, der eine geeignete Größe des Werts (Xstart) in Abhängigkeit des gemessenen Spannungswertes der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (y) höchstens bei 50% der Spannungsdifferenz (4) zwischen der schlechtesten Einzelzelle oder des schlechtesten Einzelzellblocks und der mittleren elektrischen Spannung aller Einzelzellen zum Startzeitpunkt (Tstart) liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (y) unterhalb von 30% der Spannungsdifferenz (4) zum Startzeitpunkt (Tstart) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert unterhalb von 0,6 V liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Brennstoffzellensystem zugeordnete Kühlmittelpumpe deaktiviert bleibt, solange der Schwellenwert (y) nicht unterschritten ist, und dass die Kühlmittelpumpe aktiviert wird, wenn der Schwellenwert (y) unterschritten wird.