WO2022263182A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2022263182A1
WO2022263182A1 PCT/EP2022/064953 EP2022064953W WO2022263182A1 WO 2022263182 A1 WO2022263182 A1 WO 2022263182A1 EP 2022064953 W EP2022064953 W EP 2022064953W WO 2022263182 A1 WO2022263182 A1 WO 2022263182A1
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fuel cell
air
maximum
coolant
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Richard BRÜMMER
Markus Auer
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Mahle International GmbH
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    • F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell system, which comprises at least one fuel cell and a cooling circuit for cooling the fuel cell.
  • the invention also relates to such a fuel cell system and a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • a cathode gas and a fuel are supplied to the fuel cell in order to generate electrical energy. This creates heat.
  • several such fuel cells are usually combined to form a stack. The heat generated in the respective fuel cell or the stack can lead to damage to the fuel cell or neighboring components. Cooling of the at least one fuel cell is therefore generally provided in the associated fuel cell system.
  • a cooling circuit is usually used for this purpose, through which a coolant flows during operation and cools the at least one fuel cell.
  • coolant coolers are usually used, through which the coolant flows during operation and, fluidically separated from the coolant, a coolant gas, generally referred to below as air, flows through them. This means that heat is transferred from the coolant to the air in the coolant cooler, so that the coolant is cooled.
  • the cooling of the coolant in the coolant radiator In order to vary the cooling of the coolant in the coolant radiator, it is common to vary the flow of air flowing through the coolant radiator. There is usually at least one fan to move air through the radiator for use. In order to vary the flow of air through the coolant cooler, it is therefore possible to operate the fan at different power levels.
  • the fan is designed to operate between a minimum power and a maximum power. If maximum cooling of the at least one fuel cell is required, the fan is operated at maximum power. The maximum power leads to a correspondingly high energy consumption of the fan, which leads to a reduced efficiency of the fuel cell system.
  • fans of this type are generally and increasingly driven electrically, they represent an electrical energy consumer in the entire fuel cell system or in an application in which the fuel cell system is used. The operation of the fan therefore leads to a correspondingly reduced total available electrical energy .
  • the energy consumption of the fan leads to a correspondingly reduced, maximum available electrical power and/or to a reduced range.
  • the present invention is therefore concerned with the task of specifying improved or at least different embodiments for a method for operating a fuel cell system of the type mentioned at the outset, for such a fuel cell system and for a motor vehicle with such a fuel cell system, which are characterized in particular by increased efficiency.
  • the present invention is based on the general idea of a value to be achieved in a fuel cell system with at least one fuel cell, a cooling circuit for cooling the fuel cell and a coolant cooler, in which a coolant circulating through the cooling circuit is cooled by means of a fan arrangement having at least one fan allow different values depending on the air mass flow currently being conveyed by means of the fan arrangement. A change is therefore permitted for the setpoint value of the variable in at least one area with which the fan arrangement is operated.
  • the invention provides that the setpoint varies as a function of the actual value of the air mass flow.
  • the surprising knowledge that the at least one fuel cell can temporarily have temperatures above a normally permitted temperature is used here without permanent damage to the at least one fuel cell or at least tolerable impairments of the at least one fuel cell occurring. This makes it possible to operate the fan arrangement at temperatures that are reasonable for the at least one fuel cell with reduced power and to only operate the at least one fan with the maximum possible power and thus to promote the maximum possible air mass flow if permanent and unwanted damage to the at least threaten a fuel cell. A reduced total or average energy consumption of the at least one fan is thus achieved.
  • the fuel cell system comprises at least one fuel cell, the cooling circuit, the coolant cooler, the at least one fan and the evaporative cooling device.
  • the fuel cell system advantageously comprises at least two, in particular several, fuel cells which are combined in a stack.
  • the coolant circulates through the cooling circuit during operation.
  • the at least one fuel cell is integrated into the cooling circuit in such a way that the coolant cools the at least one fuel cell.
  • the fuel cell system thus includes a fan arrangement comprising at least one fan.
  • the fan arrangement promotes an air mass flow.
  • the fan arrangement is designed to convey air between a minimum air mass flow and a maximum air mass flow, which are also referred to below as minimum mass flow and maximum mass flow. In this case, the fan arrangement is put into operation when the variable that correlates at least with the temperature of the at least one fuel cell exceeds a lower limit value.
  • the fan arrangement conveys air above the lower limit value with an air mass flow between the minimum mass flow and the maximum mass flow.
  • the value to be achieved and thus the desired value of the variable is dependent on the actual value of the air mass flow in at least one range between the minimum mass flow and the maximum mass flow.
  • Air is actively conveyed by operating the fan arrangement for conveying air with an air mass flow between the minimum mass flow and the maximum mass flow. It is possible that air without the use of the fan assembly, for example by means of foreign Funding devices, by wind and the like, flows through the coolant cooler.
  • the respective fan can be operated in any way.
  • At least one of the at least one fan is advantageously operated electrically. In particular, this permits simple implementation and autonomous operation of the fuel cell system.
  • the changing of the air mass flow conveyed with the fan arrangement is expediently effected by a corresponding change in the power at which the fan arrangement is operated.
  • the fan arrangement can be operated between a minimum power and a maximum power, which are also referred to below as minimum power and maximum power.
  • minimum power and maximum power are also referred to below as minimum power and maximum power.
  • the fan arrangement is therefore operated with the minimum power and in order to convey the maximum mass flow with the maximum power.
  • the air mass flow and the fan output are expediently related substantially or approximately cubically.
  • Changing the air mass flow conveyed with the fan arrangement is expediently achieved by a corresponding change in a speed of the at least one fan.
  • the fan arrangement has a single fan, the fan is operated at a minimum speed, also referred to below as minimum speed, to deliver the minimum mass flow, and at a maximum speed, also referred to below as maximum speed, to deliver the maximum mass flow.
  • minimum speed also referred to below as minimum speed
  • maximum speed also referred to below as maximum speed
  • the fan arrangement has two or more fans, this applies expediently to the sum of the speeds of the fans. This sum corresponds to a total speed of the fans. Consequently, the fans for conveying the minimum mass flow with a minimum total speed, also simplified below as a minimum speed referred to, and to deliver the maximum mass flow at a maximum total speed, also referred to in simplified form as the maximum speed operated.
  • the total speed is also referred to as speed in simplified form.
  • the rotational speed or the total rotational speed and the air mass flow are expediently related
  • the target value is essentially constant up to a limit mass flow between the minimum mass flow and the maximum mass flow and rises above the limit mass flow up to an upper limit of the size.
  • this limiting mass flow is reached at a corresponding speed limit, which is also referred to below as the speed limit.
  • the target value of the variable is permitted to rise up to the upper limit value. In other words, said range is limited or defined by the limit mass flow up to the maximum mass flow.
  • reaching the maximum mass flow is delayed, particularly during operating peaks, in which peaks in the power generated by means of the at least one fuel cell are required, and in which the fan arrangement constantly promotes the maximum mass flow in the prior art.
  • the maximum energy consumption of the fan arrangement is therefore delayed. This results in increased energy being available for other applications, particularly at peak loads.
  • the electrical energy available for an associated application is thus increased, particularly in the event of peak loads.
  • the air mass flow can increase at will from the limit mass flow to the maximum mass flow.
  • the air mass flow can be increased abruptly, that is to say in one step, from the limit mass flow to the maximum mass flow.
  • the air mass flow is increased above the limit mass flow up to the maximum mass flow.
  • the limit mass flow is between 30% and 90% of the maximum mass flow.
  • the limit mass flow is particularly preferably between 50% and 80% of the maximum mass flow.
  • Embodiments are advantageous in which the desired value in the range increases approximately cubically with the air mass flow and thus with the speed.
  • the upper limit expediently corresponds to a size that represents an upper, tolerable limit for the at least one fuel cell.
  • the upper limit of the size therefore corresponds in particular to a lower limit of the temperature of the at least one fuel cell, at which permanent damage to the at least one fuel cell, in particular damage to a membrane of the at least one fuel cell due to drying out, remains within a tolerable range.
  • use is made of the knowledge that if temperatures occur for a short period of time, which would lead to corresponding damage to the at least one fuel cell, no damage or at least tolerable damage to the at least one fuel cell occurs.
  • an increase in the size and thus the temperature of the at least one fuel cell is permitted without the fan arrangement promoting the maximum mass flow, such that there is no permanent damage to the at least one fuel cell.
  • the target value of the size is set to a value when there is a threat of permanent damage to the at least one fuel cell, the value being less than the upper limit value and greater than or equal to the lower limit value.
  • This value is also referred to below as the safety value.
  • the duration can be a fixed and thus permanently predetermined duration.
  • the duration can also be adjusted or determined dynamically.
  • the duration can be determined using an approach that estimates the drying out of the at least one fuel cell.
  • Factors such as humidity, ambient temperature, temperature of at least one of the at least one fuel cell, the electrical power or voltage at at least one of the at least one fuel cell, the humidity of a membrane of at least one of the at least one fuel cell, the size itself or combinations of these factors are used.
  • the dependency of the target value on the air mass flow can be implemented arbitrarily in the area.
  • the fuel cell system also has an evaporative cooling device which, in order to increase the cooling capacity of the coolant cooler, introduces water into the air flow upstream of the coolant cooler.
  • the evaporative cooling device thus introduces water upstream of the coolant cooler into the air conveyed by the fan arrangement. This is done in such a way that the water evaporates and thus extracts heat from the air and/or the coolant cooler.
  • the water can be introduced into the air at a rate which is also referred to below as the introduction rate.
  • the evaporative cooling device is designed in such a way that water can be introduced between a minimum rate and a maximum rate, hereinafter referred to as minimum rate and maximum rate. In this case, the introduction rate and the air mass flow are increased in order to increase the cooling capacity of the coolant cooler.
  • the maximum value of the introduction rate is reached before the maximum mass flow is reached.
  • the induction rate and mass air flow are increased such that the maximum rate is reached before the maximum mass flow.
  • the cooling capacity increasing by means of the evaporative cooling device is first utilized to the maximum before the maximum possible increase in the cooling capacity with the at least one fan is used.
  • the flow that is already present before the maximum power of the at least one fan is reached leads to the air an increase in the cooling capacity achieved by means of the heat of evaporation.
  • the at least one fan is only operated with the maximum mass flow for delivery if the cooling capacity thus achieved is not sufficient. This results in a further reduced total or average energy consumption of the at least one fan and thus a further increased efficiency of the fuel cell system and a maximum available power of the fuel cell system, in particular at peak loads.
  • the maximum rate is introduced when the limit mass flow is reached.
  • the increase in the cooling capacity of the coolant cooler achieved by means of the evaporative cooling device is increased.
  • the size above the mass flow limit increases less. Consequently, an increase in the air mass flow is prevented or at least delayed. As a result, the energy required and consumed by the fan assembly is further reduced.
  • Embodiments are preferred in which the fan arrangement is put into operation before the evaporative cooling device.
  • the overall result of this is that the switch-on characteristic of the evaporative cooling device is steeper than the switch-on characteristic of the fan arrangement. Consequently, before the introduction of water, the fan arrangement conveys air at the minimum rate with an air mass flow which at least corresponds to the minimum mass flow and is below the maximum mass flow. This air mass flow is also referred to below as the threshold mass flow.
  • the associated speed of the fan arrangement is also referred to below as the threshold speed. This ensures that there is air flow at the minimum rate prior to the introduction of water. As a result, it is avoided that water remains on the fan arrangement and/or on the coolant cooler or at least the retention time of the water is reduced.
  • the threshold mass flow is expediently smaller than the limit mass flow. Accordingly, the threshold speed is lower than the limit speed.
  • thermoelectric cooler it is conceivable to use the temperature of at least one of the at least one fuel cell as a variable. Alternatively or additionally, it is conceivable to use the temperature of the coolant in the cooling circuit as a variable. It is also conceivable to use the temperature of a heat exchanger that is different from the coolant cooler as a variable.
  • a fuel cell system operated in this way also belongs to the scope of this invention.
  • the fuel cell system is designed for operation according to the invention.
  • the fuel cell system can include a control device which is designed accordingly.
  • the fuel cell system can be used in any application.
  • the fuel cell system, in particular the at least one fuel cell can be used to drive the motor vehicle.
  • Fig. 1 is a greatly simplified, circuit diagram-like representation of a
  • a fuel cell system 1 as shown for example in Figure 1 greatly simplified and like a circuit diagram, has at least one fuel cell 2 on.
  • the fuel cell system 1 has a plurality of fuel cells 2 which are combined to form a stack 3 .
  • the at least one fuel cell 2 requires a fuel and a cathode gas, for example air.
  • the fuel is fed to the stack 2 via a fuel feed system 4 .
  • the cathode gas is fed to the at least one fuel cell 2 with the aid of a cathode gas feed system 5 .
  • the cathode gas supply system 5 has a conveying device 6 , which is also referred to below as a cathode gas conveying device 6 .
  • the cathode gas conveying device 6 can compress the cathode gas for conveying the cathode gas.
  • exhaust gas containing water, in particular steam is produced. This exhaust gas is discharged using an exhaust system 7 of a motor vehicle 25 . Heat is also generated during operation of the at least one fuel cell 2, so that cooling of the at least one fuel cell 2 may be necessary during operation of the motor vehicle 25.
  • the fuel cell system 1 To cool the at least one fuel cell 2, the fuel cell system 1 has a cooling circuit 8 through which a coolant circulates during operation.
  • the at least one fuel cell 2, in the exemplary embodiment shown the stack 3, is integrated in the cooling circuit 8 in such a way that it is cooled by the coolant during operation.
  • the fuel cell system 1 To cool the coolant, the fuel cell system 1 has a cooler 9 which is also referred to below as the coolant cooler 9 .
  • the coolant cooler 9 is also integrated in the cooling circuit 8 and the coolant flows through it during operation.
  • the cooling circuit 8 expediently has further components, for example a conveying device 10 for conveying the coolant through the cooling circuit 8, also referred to below as the coolant conveying device 10, which in Cooling circuit 8 are involved.
  • a flow path 11 of the coolant also referred to below as coolant path 11, therefore leads through the cooling circuit 8.
  • Air is used as a cooling gas to cool the coolant.
  • the air flows through the coolant cooler 9 along an associated flow path 12, also called cooling gas path 12 below, fluidically separated from the coolant, so that in the coolant cooler 9 the coolant transfers heat to the air fluidically separated from the air and is thus cooled.
  • the air conveyed through the coolant cooler 9 is conveyed by means of a fan arrangement 20 which comprises at least one electrically operated fan 21 .
  • a fan arrangement 20 which comprises at least one electrically operated fan 21 .
  • the fan arrangement 20 has a single fan 21 .
  • the fan arrangement 20 can convey air between a minimum air mass flow 30 , also referred to below as minimum mass flow 30 , and a maximum air mass flow 31 , also referred to below as maximum mass flow 31 .
  • the air mass flow 28 is linearly related to a speed of the fan 21 .
  • the fuel cell system 1 also has an evaporative cooling device 13 with which water can be introduced into the cooling gas path 12 at the coolant cooler 9 and downstream of the coolant cooler 9 .
  • the evaporative cooling device 13 can introduce water into the cooling gas path 12 between a minimum rate 32 and a maximum rate 33 (see FIG. 2).
  • An introduction rate 29 (see FIG. 2) of the water introduced by means of the evaporative cooling device 13 is therefore between the minimum rate 32 and the maximum rate 33 adjustable.
  • the water supplied to the evaporative cooling device 3 comes from a water tank 14 in which water obtained from the exhaust gas is collected.
  • the water collected in the water tank 14 can be obtained from the exhaust gas, for example by means of a water separator 19 provided in the exhaust system 7 .
  • a flow path 15 leads from the water tank 14 to the evaporative cooling device 13, this flow path 15 also being referred to as the evaporation path 15 below.
  • a flow path 16 of the cathode gas leads on the pressure side of the cathode gas delivery device 6 to the water tank 14, with this flow path 16 also being referred to below as the compressed air path 16.
  • At least one valve 17 of a valve device 18 can be used to vary the introduction rate.
  • a valve 17a is arranged in the compressed air path 16 and/or a valve 17b is arranged in the evaporation path 15 .
  • the introduction rate 29 can be varied accordingly in addition to the air mass flow 28 in the example shown.
  • the air mass flow 28 and/or the introduction rate 29 are increased in order to increase the cooling capacity.
  • a control device 22 which is designed accordingly and is connected to the fan arrangement 20 so that it communicates (not shown).
  • the control device 22 is advantageously connected in a communicating manner to the valve device 18 .
  • the fuel cell system 1 also has a Device 23 for determining a variable which correlates with the temperature of the at least one fuel cell 2, wherein the device 23 is also referred to as a variable detection device 23 below.
  • size detection device 23 is a temperature sensor 24, which determines the temperature of the at least one fuel cell 2, in particular stack 3, and/or the temperature of the coolant, downstream of the at least one fuel cell 2 in the exemplary embodiment shown .
  • the variable is therefore the temperature of at least one of the at least one fuel cell 3 and/or the temperature of the coolant downstream of the at least one fuel cell 2.
  • the variable detection device 23 is also communicatively connected to the control device 22.
  • the operation of the fuel cell system 1, which can be used, for example, in a motor vehicle 25, not shown, in order in particular to drive the motor vehicle 25, is explained below with reference to the diagrams shown in FIGS.
  • the introduction rate 29 and the air mass flow 28 are shown in a non-dimensional form as a percentage of their respective maximum value.
  • FIG. 2 shows a diagram in which said variable, in particular the temperature of the at least one fuel cell 2, is plotted along the abscissa axis 26 .
  • a percentage is plotted along the ordinate axis 27, said percentage air mass flow 28 being plotted with a dashed line and said percentage introduction rate 29 with a solid line.
  • the air mass flow 28 is between the minimum mass flow 30 at 0% and the maximum mass flow 31 at 100%. Due to the essentially linear relationship between the air mass flow 28 and the speed the shown percentage curve of the air mass flow 28 and thus the characteristic curve of the air mass flow 28 essentially the percentage curve or the characteristic curve of the speed.
  • the introduction rate 29 is between the minimum rate 32 at 0% and the maximum rate 33 at 100%.
  • both the air mass flow 28 and the introduction rate 29 increase as the size increases in order to increase the cooling capacity of the coolant cooler 9 .
  • the maximum rate 33 is reached earlier than the maximum mass flow 31.
  • the fan arrangement 20 in front of the evaporative cooling device 13 is also put into operation in the exemplary embodiment shown.
  • the fan arrangement 20 conveys air at the minimum rate 32 with an air mass flow 34 at least as a percentage corresponding to the minimum mass flow 30 , this air mass flow 34 also being referred to below as the threshold mass flow 34 .
  • the evaporative cooling device 13 introduces water into the air at the minimum rate 32 only when the threshold mass flow 34 is reached.
  • the threshold mass flow 34 is between 30% and 90% of the maximum mass flow 31, preferably between 50% and 80% of the maximum mass flow 31, in the exemplary embodiment shown approximately 45% of the maximum mass flow 31.
  • the increase in cooling capacity achieved by means of the fan arrangement 20 and the evaporative cooling device 13 only takes place when the size and thus the temperature of the at least one fuel cell 2 exceeds a lower limit value 35 .
  • the fan arrangement 20 is operated for delivery with the minimum mass flow 30 .
  • the evaporative cooling device 13 is put into operation and introduces water at the minimum rate 32 when the size reaches or exceeds a limit value 36 , which is also referred to below as the intermediate limit value 36 .
  • the fan arrangement 20 is operated as a function of the determined variable.
  • the evaporative cooling device 13 and thus the introduction rate 29 are set as a function of the air mass flow 28, advantageously as a function of the speed. While the air mass flow 28 and consequently the speed is therefore coupled to the size, the introduction rate 29 is coupled to the air mass flow 28 and consequently the speed and thus indirectly to the size.
  • the fan arrangement 20 is therefore operated above the lower limit value 35 depending on a target value of the variable for delivering an air mass flow 28 between the minimum mass flow 30 and the maximum mass flow 31 .
  • FIG. 3 shows another diagram in which the air mass flow 28 or, analogously to this, the rotational speed is plotted along the ordinate axis 26 and the introduction rate 29 is plotted as a percentage along the abscissa axis 27 .
  • the characteristic curve 37 shown in FIG. 3 runs essentially as a parabolic section. This takes account in particular of the fact that the output of the fan arrangement 20 is cubically related to the rotational speed and thus to the delivered air mass flow.
  • FIG. 4 shows a diagram in which the percentage air mass flow 28 is plotted along the abscissa axis 26 and the desired value of the variable is plotted along the ordinate axis 27 .
  • FIG. 5 shows a diagram in which the actual value of the variable is plotted along the abscissa axis 26 and the air mass flow 28 is plotted along the ordinate axis 27 .
  • FIG. 6 shows a diagram in which the actual value of the variable is plotted along the abscissa axis 26 and the air mass flow 28 is plotted along the ordinate axis 27 .
  • the setpoint value is essentially constant up to a limit 38 of the air mass flow 28, also referred to below as limit mass flow 38, and above the limit mass flow 38 up to an upper limit value 39 of the magnitude.
  • the threshold mass flow 34 is expediently smaller than the limit mass flow 38.
  • the corresponding characteristic curves are shown in FIGS. 4 to 6 by a solid line. In contrast, in FIGS. 4 to 6, the comparison with the prior art is shown in dashed lines.
  • the fan arrangement 20 is operated with the maximum mass flow 31 for conveying when the upper limit value 39 of the size is reached.
  • the air mass flow 28 is increased above the limit mass flow 38 up to the maximum mass flow 31.
  • a quadratic or cubic relationship in the manner of a parabolic section is provided between air mass flow 28 and the actual value of the variable in the range, ie between limit mass flow 38 and maximum mass flow 31 .
  • the air mass flow 28 there is preferably an approximately cubic relationship between the air mass flow 28 and the desired value of the variable, in particular in the manner of a parabolic section, in the region, ie between the limit mass flow 38 and the maximum mass flow 31.
  • the cubic relationships take into account in particular that the fan output of the fan arrangement 20 is approximately cubically related to the air mass flow 28 and thus to the speed of the fan arrangement 20 .
  • the limit mass flow 38 in the exemplary embodiments shown is preferably between 30% and 90% of the maximum mass flow 31, particularly preferably between 50% and 80% of the maximum mass flow 31 In the exemplary embodiments, the limit mass flow 38 is 70% of the maximum mass flow 31.
  • threshold mass flow 34 is smaller than limit mass flow 38. The same applies to the associated speeds
  • the maximum rate 33 of the introduction rate 29 is preferably already introduced when the limit mass flow 38 is reached.
  • the increase in the cooling capacity of the coolant cooler 9 achieved by means of the evaporative cooling device 13 is exhausted as completely as possible before the maximum mass flow 31 is reached. This means that the size above the limit mass flow 38 increases less.
  • the phase from which the fan arrangement 20 is operated for conveying with the maximum mass flow 31 is further delayed or shortened. This results in a further reduced energy consumption of the fan arrangement 20.
  • the adaptation of the setpoint value to the air mass flow 28 is advantageously suspended and/or interrupted in order to convey air at the maximum mass flow 31 .
  • This can be achieved, for example, by setting the target value to a safety value that is less than the upper limit value 39 and greater than or equal to the lower limit value 35 (not shown).
  • the target value can be set to the safety limit value if a specified or determined maximum increase in the target value is exceeded in the range and/or if the electrical power occurring at at least one of the at least one fuel cell 2 decreases.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), welches zumindest eine Brennstoffzelle (2), einen Kühlkreis (8) zum Kühlen der zumindest einen Brennstoffzelle (2), einen Kühlmittelkühler (9) zum Kühlen eines im Kühlkreis (8) zirkulierenden Kühlmittels sowie einer Lüfteranordnung (20) zum Kühlen des Kühlmittels im Kühlmittelkühler (9) aufweist. Eine erhöhte Effizienz des Brennstoffzellensystems (1) sowie eine Erhöhung der verfügbaren elektrischen Energie, insbesondere in Lastspitzen, wird dadurch erreicht, dass ein Sollwert einer mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle (2) korrelierenden Größe in zumindest einem Bereich von einem Istwert des mit der Lüfteranordnung (20) geförderten Luftmassenstroms (28) abhängt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein derart betriebenes Brennstoffzellensystem (1) sowie ein Kraftfahrzeug (25) mit einem solchen Brennstoffzellensystem (1).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches zumindest eine Brennstoffzelle sowie einen Kühlkreis zum Kühlen der Brennstoffzelle umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein solches Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Im Betrieb einer Brennstoffzelle werden der Brennstoffzelle ein Kathodengas sowie ein Brennstoff zugeführt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierbei entsteht Wärme. In einem zugehörigen Brennstoffzellensystem sind in der Regel mehrere solche Brennstoffzellen zu einem Stack zusammengefasst. Die Wärmeentwicklung in der jeweiligen Brennstoffzelle bzw. dem Stack können zu Beschädigungen der Brennstoffzelle oder benachbarter Komponenten führen. Im zugehörigen Brennstoffzellensystem ist daher in der Regel eine Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle vorgesehen.
Gewöhnlich kommt zu diesem Zweck ein Kühlkreis zum Einsatz, durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel strömt und die zumindest eine Brennstoffzelle kühlt. Um das Kühlmittel zu kühlen, kommen üblicherweise Kühlmittelkühler zum Einsatz, welche im Betrieb vom Kühlmittel sowie, fluidisch vom Kühlmittel getrennt, von einem Kühlgas, nachfolgend allgemein als Luft bezeichnet, durchströmt sind. Somit kommt es im Kühlmittelkühler zu einem Wärmeübertrag vom Kühlmittel auf die Luft, sodass das Kühlmittel gekühlt wird.
Um die Kühlung des Kühlmittels im Kühlmittelkühler zu variieren, ist es üblich, die Strömung der den Kühlmittelkühler durchströmenden Luft zu variieren. Um Luft durch den Kühlmittelkühlerzu fördern, kommt in der Regel zumindest ein Lüfter zum Einsatz. Um die Strömung der Luft durch den Kühlmittelkühlerzu variieren, ist es daher möglich, den Lüfter mit unterschiedlichen Leistungen zu betreiben. Der Lüfter ist dabei zum Betreiben zwischen einer Minimalleistung und einer Maximalleistung ausgelegt. Ist eine maximale Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle erforderlich, wird der Lüfter mit der maximalen Leistung betrieben. Die maximale Leistung führt zu einem entsprechend hohen Energieverbrauch des Lüfters, welche zu einer reduzierten Effizienz des Brennstoffzellensystems führt.
Da derartige Lüfter in der Regel und zunehmend elektrisch angetrieben werden, stellen sie im gesamten Brennstoffzellensystem oder in einer Anwendung, in welcher das Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommt, einen elektrischen Energieverbraucher dar. Das Betreiben des Lüfters führt also zu einer entsprechend reduzierten, insgesamt verfügbaren elektrischen Energie.
Im Fall von mobilen Anwendungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, führt der Energieverbrauch des Lüfters zu einer entsprechend reduzierten, maximal verfügbaren elektrischen Leistung und/oder zu einer reduzierten Reichweite.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art, für ein solches Brennstoffzellensystem sowie für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche sich insbesondere durch eine erhöhte Effizienz auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle, einem Kühlkreis zum Kühlen der Brennstoffzelle sowie einem Kühlmittelkühler, in welchem ein durch den Kühlkreis zirkulierendes Kühlmittel mittels einer zumindest einen Lüfter aufweisenden Lüfteranordnung gekühlt wird, für einen zu erreichenden Wert einer zumindest mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle korrelierenden Größe abhängig vom aktuell mittels der Lüfteranordnung geförderten Luftmassenstrom unterschiedliche Werte zuzulassen. Es wird also für den Sollwert der Größe in zumindest einem Bereich, mit welcher die Lüfteranordnung betrieben wird, eine Änderung erlaubt. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen der Sollwert möglichst konstant gehalten wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sollwert abhängig vom Istwert des Luftmassenstroms variiert. Genutzt wird dabei die überraschende Kenntnis, dass die zumindest eine Brennstoffzelle temporär Temperaturen oberhalb einer üblicherweise zugelassenen Temperatur aufweisen kann, ohne dass es zu dauerhaften Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle oder zumindest zu hinnehmbaren Beeinträchtigungen der zumindest einen Brennstoffzelle kommt. Dies ermöglicht es, die Lüfteranordnung bei für die zumindest eine Brennstoffzelle zumutbaren Temperaturen mit einer reduzierten Leistung zu betreiben und den zumindest einen Lüfter erst dann mit der maximal möglichen Leistung zu betreiben und somit den maximal möglichen Luftmassenstrom zu fördern, wenn dauerhafte und unerwünschte Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle drohen. Somit wird ein reduzierter gesamter oder mittlerer Energieverbrauch des zumindest einen Lüfters erreicht. Daraus resultiert ein reduzierter Energieverbrauch der Lüfteranordnung, welche bei tolerierbarer Erhöhung der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle zu einer Steigerung der Effizienz des Brennstoffzellensystems sowie einer Erhöhung der insgesamt für eine zugehörige Anwendung verfügbaren elektrischen Energie führt. Dem Erfindungsgedanken entsprechend umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle, den Kühlkreis, den Kühlmittelkühler, den zumindest einen Lüfter sowie die Verdunstungskühlungseinrichtung. Vorteilhaft umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest zwei, insbesondere mehrere, Brennstoffzellen, die in einem Stack zusammengefasst sind. Durch den Kühlkreis zirkuliert im Betrieb das Kühlmittel. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist dabei derart im Kühlkreis eingebunden, dass das Kühlmittel die zumindest eine Brennstoffzelle kühlt. Durch den Kühlmittelkühler strömt im Betrieb das Kühlmittel sowie, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, Luft. Im Betrieb überträgt das Kühlmittel Wärme auf die Luft und wird somit gekühlt. Zum Fördern der Luft durch den Kühlmittelkühler kommt der zumindest eine Lüfter zum Einsatz. Das Brennstoffzellensystem umfasst also eine zumindest einen Lüfter umfassende Lüfteranordnung. Die Lüfteranordnung fördert im Betrieb einen Luftmassenstrom. Dabei ist die Lüfteranordnung zum Förden von Luft zwischen einem minimalen Luftmassenstrom und einem maximalen Luftmassenstrom ausgelegt, welche nachfolgend auch als Minimalmassenstrom und Maximalmassenstrom bezeichnet werden. Hierbei wird die Lüfteranordnung im Betrieb genommen, wenn die zumindest mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle korrelierende Größe einen unteren Grenzwert überschreitet. Das heißt, dass die Lüfteranordnung oberhalb des unteren Grenzwerts Luft mit einem Luftmassenstrom zwischen dem Minimalmassenstrom und dem Maximalmassenstrom fördert. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der zu erreichende Wert und somit der Sollwert der Größe in zumindest einem Bereich zwischen dem Minimalmassenstrom und dem Maximalmassenstrom vom Istwert des Luftmassenstroms abhängt.
Durch das Betreiben der Lüfteranordnung zum Fördern von Luft mit einer Luftmassenstrom zwischen dem Minimalmassenstrom und dem Maximalmassenstrom wird aktiv Luft gefördert. Dabei ist es möglich, dass Luft auch ohne den Einsatz der Lüfteranordnung, beispielsweise mittels fremder Fördereinrichtungen, durch Fahrtwind und dergleichen, durch den Kühlmittelkühler strömt.
Der jeweilige Lüfter kann prinzipiell beliebig betrieben sein.
Zumindest einer der wenigstens einen Lüfter ist vorteilhaft elektrisch betrieben. Dies erlaubt insbesondere eine einfache Umsetzung sowie einen autarken Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Das Ändern des mit der Lüfteranordnung geförderten Luftmassenstroms erfolgt zweckmäßig durch eine entsprechende Änderung einer Leistung, mit welcher die Lüfteranordnung betrieben wird. Dabei ist die Lüfteranordnung zwischen einer minimalen Leistung und einer maximalen Leistung betreibbar, welche nachfolgend auch als Minimalleistung und Maximalleistung bezeichnet werden. Zum Fördern des Minimalmassenstroms wird die Lüfteranordnung also mit der Minimalleistung und zum Fördern des Maximalmassenstroms mit der Maximalleistung betrieben. Dabei hängen der Luftmassenstrom und die Lüfterleistung zweckmäßig im Wesentlichen bzw. näherungsweise kubisch zusammen.
Das Ändern des mit der Lüfteranordnung geförderten Luftmassenstroms wird zweckmäßig durch eine entsprechende Änderung einer Drehzahl des zumindest einen Lüfters erreicht. Weist die Lüfteranordnung einen einzigen Lüfter auf, wird der Lüfter zum Fördern des Minimalmassenstroms mit einer minimalen Drehzahl, nachfolgend auch als Minimaldrehzahl bezeichnet, und zum Fördern des Maximalmassenstroms mit einer maximalen Drehzahl, nachfolgend auch als Maximaldrehzahl bezeichnet, betrieben. Weist die Lüfteranordnung zwei oder mehr Lüfter auf, gilt dies zweckmäßig für die Summe der Drehzahlen der Lüfter. Diese Summe entspricht einer Gesamtdrehzahl der Lüfter. Folglich werden die Lüfter zum Fördern des Minimalmassenstroms mit einer minimalen Gesamtdrehzahl, nachfolgend vereinfacht ebenfalls als Minimaldrehzahl bezeichnet, und zum Fördern des Maximalmassenstroms mit einer maximalen Gesamtdrehzahl, nachfolgend vereinfacht ebenfalls als Maximaldrehzahl bezeichnet, betrieben. Ebenso wird nachfolgend die Gesamtdrehzahl vereinfacht ebenfalls als Drehzahl bezeichnet. Hierbei hängen die Drehzahl bzw. die Gesamtdrehzahl und der Luftmassenstrom zweckmäßig im Wesentlichen bzw. näherungsweise linear zusammen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Sollwert bis zu einem Grenzmassenstrom zwischen dem Minimalmassenstrom und dem Maximalmassenstrom im Wesentlichen konstant und steigt oberhalb des Grenzmassenstroms bis zu einem oberen Grenzwert der Größe an. Dieser Grenzmassenstrom wird entsprechend der vorstehenden Erläuterung bei einer entsprechenden Grenze der Drehzahl erreicht, welche nachfolgend auch als Grenzdrehzahl bezeichnet wird. Daraus resultiert, dass der Luftmassenstrom ab dem unteren Grenzwert der Größe bis zum Grenzmassenstrom derart erhöht wird, um den Sollwert im Wesentlichen konstant zu halten. Oberhalb des Grenzmassenstroms wird ein Anstieg des Sollwerts der Größe bis zum oberen Grenzwert zugelassen. Mit anderen Worten, besagter Bereich ist vom Grenzmassenstrom bis zum Maximalmassenstrom begrenzt bzw. dadurch definiert. Somit werden insbesondere bei Betriebsspitzen, in denen Spitzen der mittels der zumindest einen Brennstoffzelle erzeugten Leistung erforderlich sind, und in denen im Stand der Technik die Lüfteranordnung konstant den Maximalmassenstrom fördert, das Erreichen des Maximalmassenstroms hinausgezögert. Es wird also der maximale Energieverbrauch der Lüfteranordnung hinausgezögert. Daraus resultiert, insbesondere bei Lastspitzen, eine erhöhte, für andere Anwendungen verfügbare Energie. Es wird somit also insbesondere bei Lastspitzen die für eine zugehörige Anwendung verfügbare elektrische Energie erhöht. Zudem führt dies zu einem reduzierten mittleren Energieverbrauch der Lüfteranordnung. Bevorzugt ist es, wenn die Lüfteranordnung beim Erreichen des oberen Grenzwerts der Größe Luft mit dem Maximalmassenstrom fördert.
Der Anstieg des Luftmassenstroms vom Grenzmassenstrom bis zum Maximalmassenstrom kann prinzipiell beliebig erfolgen. Insbesondere kann der Luftmassenstrom vom Grenzmassenstrom sprunghaft, das heißt in einer Stufe, auf den Maximalmassenstrom erhöht werden.
Bevorzugt ist es, wenn der Luftmassenstrom oberhalb des Grenzmassenstroms bis zum Maximalmassenstrom erhöht wird. Insbesondere ist es vorstellbar, den Luftmassenstrom oberhalb des Grenzmassenstroms bis zum Maximalmassenstrom konstant, mehrstufig, kontinuierlich und dergleichen zu erhöhen.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen beträgt der Grenzmassenstrom zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstroms. Besonders bevorzugt beträgt der Grenzmassenstrom zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstroms. Somit werden bei einem reduzierten Energieverbrauch der Lüfteranordnung eine erhöhte Effizienz des Brennstoffzellensystems sowie die Vermeidung oder zumindest Reduzierung von Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle erzielt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Sollwert im Bereich in etwa kubisch mit dem Luftmassenstrom und somit mit der Drehzahl ansteigt. Das heißt, dass sich die Abhängigkeit des Sollwerts vom Luftmassenstrom und folglich von der Drehzahl im Bereich in der Art eines kubischen Parabelabschnitts darstellen lässt. Hierdurch wird insbesondere berücksichtigt, dass die Leistung der Lüfteranordnung näherungsweise kubisch mit dem Luftmassenstrom und folglich mit der Drehzahl zusammenhängt. Dies führt zu einer zuverlässigen Kühlung des Kühlmittels, wobei zugleich Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle vermieden oder zumindest reduziert sind.
Zweckmäßig entspricht der obere Grenzwert der Größe einer solchen, die eine oberste, tolerierbare Grenze für die zumindest eine Brennstoffzelle darstellt. Die obere Grenze der Größe entspricht also insbesondere einer unteren Grenze der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle, bei welcher eine dauerhafte Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle, insbesondere eine Schädigung einer Membran der zumindest einen Brennstoffzelle durch Austrocknen, innerhalb eines tolerierbaren Rahmens bleibt. Hierbei wird, wie vorstehend erläutert, die Kenntnis genutzt, dass bei einer kurzen Dauer des Auftretens von Temperaturen, welche zu entsprechenden Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle führen würden, keine oder zumindest tolerierbare Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle auftreten. Mit anderen Worten, oberhalb des Grenzmassenstroms wird eine Erhöhung der Größe und somit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle erlaubt, ohne dass die Lüfteranordnung den Maximalmassenstrom fördert, derart, dass dauerhafte Beschädigungen der zumindest einen Brennstoffzelle ausbleiben.
Bevorzugt ist es folglich, die vom Luftmassenstrom abhängige Erhöhung des Sollwerts derart umzusetzen, dass eine dauerhafte Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle ausbleibt oder die Wahrscheinlichkeit einer dauerhaften Beschädigung zumindest reduziert ist. Insbesondere wird die Anpassung des Sollwerts an den Luftmassenstrom ausgesetzt, wenn eine dauerhafte Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle droht.
Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, den Sollwert der Größe auf einen Wert einzustellen, wenn eine dauerhafte Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle droht, wobei der Wert kleiner als der obere Grenzwert und größer oder gleich dem unteren Grenzwert ist. Dieser Wert wird nachfolgend auch als Sicherheitswert bezeichnet. Um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzelle durch langanhaltendes Anliegen der erhöhten Temperatur zu verhindern oder zumindest zu verringern, ist es alternativ oder zusätzlich bevorzugt, die Erhöhung des Sollwerts der Größe nur für eine gewisse Dauer zu erlauben und/oder nach einer gewissen Dauer zu reduzieren. Das heißt, dass der Sollwert auf die Sicherheitsgrenze eingestellt wird, wenn bis zum Erreichen des oberen Grenzwerts eine kritische Dauer überschritten wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Sollwert vor dem Erreichen des oberen Grenzwerts auf die Sicherheitsgrenze einzustellen, wenn die elektrische Spannung an zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen abfällt.
Die Dauer kann eine feste und somit fest vorgegebene Dauer sein.
Ebenso kann die Dauer dynamisch angepasst bzw. ermittelt werden.
Insbesondere kann die Dauer über einen Ansatz, der die Austrocknung der zumindest einen Brennstoffzelle abschätzt, ermittelt werden. Dabei können Faktoren wie z.B. Luftfeuchte, Temperatur der Umgebung, Temperatur zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen, die elektrische Leistung bzw. Spannung an zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen, die Feuchte einer Membran zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen, die Größe selbst oder Kombinationen dieser Faktoren herangezogen werden.
Prinzipiell kann die Abhängigkeit des Sollwerts vom Luftmassenstrom im Bereich beliebig umgesetzt sein.
Denkbar ist es, die Abhängigkeit des Sollwerts vom Luftmassenstrom in zumindest einer Kennlinie zu hinterlegen und die Lüfteranordnung gemäß der Kennlinie zu betreiben. Somit lässt sich die Lüfteranordnung also entlang der Kennlinie abhängig von der Größe betreiben. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, die Abhängigkeit des Sollwerts vom Luftmassenstrom in einem Regelkreis durch eine aktive Anpassung des Sollwerts umzusetzen. Dadurch kann die Größe, insbesondere die Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle, vereinfacht und genau sowie ohne bleibende Regelabweichung auf dem Sollwert gehalten werden.
Bevorzugt ist es, wenn das Brennstoffzellensystem ferner eine Verdunstungskühlungseinrichtung aufweist, welche zur Steigerung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers in den Luftstrom stromauf des Kühlmittelkühlers Wasser einbringt. Die Verdunstungskühlungseinrichtung bringt also im Betrieb Wasser stromauf des Kühlmittelkühlers in die durch die Lüfteranordnung geförderte Luft ein. Dies erfolgt derart, dass das Wasser verdunstet und somit der Luft und/oder dem Kühlmittelkühler Wärme entzieht. Das Wasser kann dabei mit einer Rate in die Luft eingebracht werden, welche nachfolgend auch als Einbringrate bezeichnet wird. Die Verdunstungskühlungseinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass Wasser zwischen einer minimalen Rate und einer maximalen Rate, nachfolgend als Minimalrate und Maximalrate bezeichnet, eingebracht werden kann. Hierbei werden zum Steigern der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers die Einbringrate und der Luftmassenstrom erhöht.
Bevorzugt ist es dabei, wenn der Maximalwert der Einbringrate vor dem Erreichen des Maximalmassenstroms erreicht wird. Mit anderen Worten, die Einbringrate und der Luftmassenstrom werden derart erhöht, dass die Maximalrate vor dem Maximalmassenstrom erreicht wird. In der Folge wird zum Erreichen der maximalen Kühlleistung des Kühlmittelkühlers zunächst die mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung steigernde Kühlleistung maximal ausgenutzt, bevor die mit dem zumindest einen Lüfter maximal mögliche Steigerung der Kühlleistung verwendet wird. Dabei führt die bereits vor dem Erreichen der maximalen Leistung des zumindest einen Lüfters gegebene Strömung der Luft zu einem mittels der Verdunstungswärme erreichten Erhöhung der Kühlleistung. Erst wenn die somit erreichte Kühlleistung nicht ausreichend ist, wird der zumindest eine Lüfter zum Fördern mit dem Maximalmassenstrom betrieben. Daraus resultiert ein weiter reduzierter gesamter oder mittlerer Energieverbrauch des zumindest einen Lüfters und somit eine weiter erhöhte Effizienz des Brennstoffzellensystems sowie einer maximal verfügbaren Leistung des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei Lastspitzen.
Insbesondere ist es vorstellbar, dass die Maximalrate beim Erreichen des Grenzmassenstroms eingebracht wird. Mit anderen Worten, beim Erreichen des Grenzmassenstroms wird die mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung erreichte Steigerung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers erhöht. Daraus resultiert, dass die Größe oberhalb des Grenzmassenstrom weniger stark ansteigt. Folglich wird eine Erhöhung des Luftmassenstroms verhindert oder zumindest hinausgezögert. In der Folge ist die von der Lüfteranordnung benötigte und verbrauchte Energie weiter reduziert.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Lüfteranordnung vor der Verdunstungskühlungseinrichtung in Betrieb genommen wird. Hieraus resultiert insgesamt, dass die Zuschaltkennlinie der Verdunstungskühlungseinrichtung steiler ist als die Zuschaltkennlinie der Lüfteranordnung. Folglich fördert die Lüfteranordnung vor dem Einbringen von Wasser mit der Minimalrate Luft mit einem Luftmassenstrom, welcher zumindest dem Minimalmassenstrom entspricht und unterhalb des Maximalmassenstroms liegt. Dieser Luftmassenstrom wird nachfolgend auch als Schwellmassenstrom bezeichnet. Die dazugehörige Drehzahl der Lüfteranordnung wird nachfolgend auch als Schwelldrehzahl bezeichnet. Somit wird sichergestellt, dass eine Luftströmung vor dem Einbringen von Wasser mit der Minimalrate vorhanden ist. In der Folge wird vermieden, dass Wasser an der Lüfteranordnung und/oder am Kühlmittelkühler verbleibt oder die Verweildauer des Wassers zumindest reduziert. Somit werden durch das Wasser bedingte Beschädigungen, die beispielsweise durch Korrosion und/oder thermische Spannungen bedingt sein können, vermieden oder zumindest reduziert. Zudem wird auf diese Weise sichergestellt, dass das Wasser mittels der Luftströmung zumindest teilweise transportiert wird, sodass die mit der Verdunstungskühlungseinrichtung beabsichtigte Kühlung mittels der Verdunstungswärme überhaupt oder mit einer erhöhten Effizienz auftritt. Folglich werden auf diese Weise sowohl eine zumindest reduzierte Beschädigung sowie eine erhöhte Leistung und Effizienz des Brennstoffzellensystems erreicht.
Der Schwellmassenstrom ist dabei zweckmäßig kleiner als der Grenzmassenstrom. Entsprechend ist die Schwelldrehzahl kleiner als die Grenzdrehzahl.
Vorstellbar ist es, als Größe die Temperatur zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzelle zu verwenden. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, als Größe die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreis zu verwenden. Ebenso ist es denkbar, die Temperatur eines vom Kühlmittelkühler unterschiedlichen Wärmeübertragers als Größe heranzuziehen.
Es versteht sich, dass neben dem Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems auch ein derart betriebenes Brennstoffzellensystem zum Umfang dieser Erfindung gehört. Das Brennstoffzellensystem ist dabei zum erfindungsgemäßen Betreiben ausgestaltet. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem eine Steuereinrichtung umfassen, welche entsprechend ausgestaltet ist.
Das Brennstoffzellensystem kann in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es insbesondere, das Brennstoffzellensystem in einer mobilen Anwendung, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, einzusetzen. Dabei kann das Brennstoffzellensystem, insbesondere die zumindest eine Brennstoffzelle, dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen.
Es versteht sich, dass neben dem Verfahren auch ein solches Brennstoffzellensystem sowie eine solche Anwendung, insbesondere ein solches Kraftfahrzeug, jeweils zum Umfang dieser Erfindung gehören.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines
Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 bis 6 weitere Diagramme zur Erläuterung des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoffzellensystem 1 , wie es beispielsweise in Figur 1 stark vereinfacht und schaltplanartig gezeigt ist, weist zumindest eine Brennstoffzelle 2 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem 1 mehrere Brennstoffzellen 2 auf, die zum einem Stack 3 zusammengefasst sind. Im Betrieb benötigt die zumindest eine Brennstoffzelle 2 einen Brennstoff sowie ein Kathodengas, beispielsweise Luft. Der Brennstoff wird dem Stack 2 über eine Brennstoffzuführanlage 4 zugeführt. Das Kathodengas wird der zumindest einen Brennstoffzelle 2 mit Hilfe einer Kathodengaszuführanlage 5 zugeführt. Zum Fördern des Kathodengases zur zumindest einen Brennstoffzelle 2 weist die Kathodengaszuführanlage 5 eine Fördereinrichtung 6 auf, die nachfolgend auch als Kathodengasfördereinrichtung 6 bezeichnet wird. Die Kathodengasfördereinrichtung 6 kann zum Fördern des Kathodengases das Kathodengas verdichten. Im Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelle 2 entsteht Abgas, das wasserhaltig ist, insbesondere Dampf. Dieses Abgas wird mit Hilfe einer Abgasanlage 7 eines Kraftfahrzeugs 25 abgeführt. Im Betrieb der zumindest eine Brennstoffzelle 2 entsteht ferner Wärme, sodass im Betrieb des Kraftfahrzeugs 25 eine Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle 2 erforderlich sein kann.
Zum Kühlen der zumindest eine Brennstoffzelle 2 weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Kühlkreis 8 auf, durch den im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert. Die zumindest eine Brennstoffzelle 2, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Stack 3, ist derart im Kühlkreis 8 eingebunden, dass sie im Betrieb durch das Kühlmittel gekühlt wird. Zum Kühlen des Kühlmittels weist Brennstoffzellensystem 1 einen Kühler 9 auf, der nachfolgend auch als Kühlmittelkühler 9 bezeichnet wird. Der Kühlmittelkühler 9 ist ebenfalls im Kühlkreis 8 eingebunden und im Betrieb vom Kühlmittel durchströmt. Der Kühlkreis 8 weist zweckmäßig weitere Bestandteile, beispielsweise eine Fördereinrichtung 10 zum Fördern des Kühlmittels durch den Kühlkreis 8, nachfolgend auch Kühlmittelfördereinrichtung 10 genannt, auf, welche im Kühlkreis 8 eingebunden sind. Es führt also ein Strömungspfad 11 des Kühlmittels, nachfolgend auch als Kühlmittelpfad 11 bezeichnet, durch den Kühlkreis 8. Zum Kühlen des Kühlmittels kommt Luft als ein Kühlgas zum Einsatz. Die Luft durchströmt den Kühlmittelkühler 9 entlang eines zugehörigen Strömungspfads 12, nachfolgend auch Kühlgaspfad 12 genannt, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, sodass im Kühlmittelkühler 9 das Kühlmittel von der Luft fluidisch getrennt Wärme auf die Luft überträgt und somit gekühlt wird.
Die durch den Kühlmittelkühler 9 geförderte Luft wird mittels einer Lüfteranordnung 20 gefördert, welche zumindest einen elektrisch betriebenen Lüfter 21 umfasst. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist rein beispielhaft angenommen, dass die Lüfteranordnung 20 einen einzigen Lüfter 21 aufweist. Um die Strömung der Luft durch den Kühlmittelkühler 9 zu variieren, wird mit der Lüfteranordnung 20 geförderter Luftmassenstrom 28 (siehe Figur 2) durch den Kühlmittelkühler 9 geändert. Hierbei kann die Lüfteranordnung 20 Luft zwischen einem minimalen Luftmassenstrom 30, nachfolgend auch als Minimalmassenstrom 30 bezeichnet, und einem maximalen Luftmassenstrom 31, nachfolgend auch als Maximalmassenstrom 31 bezeichnet, fördern. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hängt der Luftmassenstrom 28 linear mit einer Drehzahl des Lüfters 21 zusammen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem 1 zudem eine Verdunstungskühlungseinrichtung 13 auf, mit welcher am Kühlmittelkühler 9 und stromab des Kühlmittelkühlers 9 Wasser in den Kühlgaspfad 12 eingebracht werden kann. Somit kommt es zu einer Verdunstung des Wassers, welche zu einer erhöhten Kühlung des Kühlmittels im Kühlmittelkühler 9 führt. Die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 kann hierbei Wasser zwischen einer Minimalrate 32 und einer Maximalrate 33 (siehe Figur 2) in den Kühlgaspfad 12 einbringen. Eine Einbringrate 29 (siehe Figur 2) des mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 eingebrachten Wassers ist also zwischen der Minimalrate 32 und der Maximalrate 33 einstellbar. Das der Verdunstungskühlungseinrichtung 3 zugeführte Wasser stammt im gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Wasserbehälter 14, in welchem aus dem Abgas gewonnenes Wasser gesammelt wird. Das im Wasserbehälter 14 gesammelte Wasser kann aus dem Abgas beispielsweise mittels eines in der Abgasanlage 7 vorgesehenen Wasserabscheiders 19 gewonnen werden. Zum Versorgen der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 mit Wasser führt ein Strömungspfad 15 vom Wasserbehälter 14 zur Verdunstungskühlungseinrichtung 13, wobei dieser Strömungspfad 15 nachfolgend auch als Verdunstungspfad 15 bezeichnet wird.
Zum Einbringen des Wassers zwischen der Minimalrate 32 und der Maximalrate 33 mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 wird das Wasser mit Druck beaufschlagt. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt dies rein beispielhaft mittels der Kathodengasfördereinrichtung 6. Zu diesem Zweck führt ein Strömungspfad 16 des Kathodengases druckseitig der Kathodengasfördereinrichtung 6 zum Wasserbehälter 14, wobei dieser Strömungspfad 16 nachfolgend auch als Druckluftpfad 16 bezeichnet wird. Zum Variieren der Einbringrate kann dabei zumindest ein Ventil 17 einer Ventileinrichtung 18 zum Einsatz kommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei im Druckluftpfad 16 ein Ventil 17a und/oder im Verdunstungspfad 15 ein Ventil 17b angeordnet.
Zum Variieren der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 9 kann im gezeigten Beispiel neben dem Luftmassenstrom 28 die Einbringrate 29 entsprechend variiert werden. Dabei werden der Luftmassenstrom 28 und/oder die Einbringrate 29 zum Steigern der Kühlleistung erhöht. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung 22, welche entsprechend ausgestaltet und mit der Lüfteranordnung 20 kommunizierend verbunden ist (nicht gezeigt). Zudem ist die Steuereinrichtung 22 vorteilhaft mit der Ventileinrichtung 18 kommunizierend verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystem 1 ferner eine Einrichtung 23 zum Ermitteln einer Größe, welche mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2 korreliert, auf, wobei die Einrichtung 23 nachfolgend auch als Größenerkennungseinrichtung 23 bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei der Größenerkennungseinrichtung 23 um einen Temperatursensor 24, welcher die Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2, insbesondere des Stacks 3, und/oder die Temperatur des Kühlmittels, im gezeigten Ausführungsbeispiel stromab der zumindest einen Brennstoffzelle 2, bestimmt. Bei der Größe handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel also um die Temperatur zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen 3 und/oder um die Temperatur des Kühlmittels stromab der zumindest einen Brennstoffzelle 2. Die Größenerkennungseinrichtung 23 ist ebenfalls kommunizierend mit der Steuereinrichtung 22 verbunden.
Das Betreiben des Brennstoffzellensystems 1, welches beispielsweise in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug 25 zum Einsatz kommen kann, um insbesondere das Kraftfahrzeug 25 anzutreiben, wird nachfolgend anhand der in den Figuren 2 bis 6 dargestellten Diagrammen erläutert. In den Diagrammen sind dabei die Einbringrate 29 und der Luftmassenstrom 28 dimensionslos als prozentualer Anteil ihres jeweiligen Maximalwerts dargestellt.
Hierbei zeigt Figur 2 ein Diagramm, bei welchem entlang der Abszissenachse 26 besagte Größe, insbesondere die Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2, aufgetragen ist. Entlang der Ordinatenachse 27 ist ein Prozentsatz aufgetragen, wobei mit einer gestrichelten Linie besagter prozentualer Luftmassenstrom 28 und mit einer durchgezogenen Linie besagte prozentuale Einbringrate 29 aufgetragen sind. Entsprechend Figur 2 beträgt also der Luftmassenstrom 28 zwischen dem Minimalmassenstrom 30 bei 0% und dem Maximalmassenstrom 31 bei 100%. Aufgrund des im Wesentlichen linearen Zusammenhangs zwischen dem Luftmassenstrom 28 und der Drehzahl entspricht der gezeigte prozentuale Verlauf des Luftmassenstroms 28 und somit die Kennlinie des Luftmassenstroms 28 im Wesentlichen dem prozentualen Verlauf bzw. der Kennlinie der Drehzahl. Analog hierzu beträgt die Einbringrate 29 zwischen der Minimalrate 32 bei 0% und der Maximalrate 33 bei 100%. Wie Figur 2 entnommen werden kann, werden sowohl der Luftmassenstrom 28 als auch die Einbringrate 29 mit zunehmender Größe erhöht, um die Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 9 zu steigern. Wie Figur 2 ferner entnommen werden kann, wird hierbei die Maximalrate 33 früher erreicht als der Maximalmassenstrom 31.
Wie Figur 2 ferner entnommen werden kann, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel ferner die Lüfteranordnung 20 vor der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 in Betrieb genommen. Das heißt, dass die Lüfteranordnung 20 vor dem Einbringen von Wasser mit der Minimalrate 32 Luft mit einem zumindest dem Minimalmassenstrom 30 entsprechendem prozentualen Luftmassenstrom 34 fördert, wobei dieser Luftmassenstrom 34 nachfolgend auch als Schwellmassenstrom 34 bezeichnet wird. Umgekehrt bedeutet dies, dass die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 Wasser erst beim Erreichen des Schwellmassenstroms 34 mit der Minimalrate 32 in die Luft einbringt. Hieraus ergibt sich, wie ebenfalls Figur 2 entnommen werden kann, dass die Kennlinie der Einbringrate 29 steiler verläuft als die Kennlinie des Luftmassenstroms 28 und somit als die Kennlinie der Drehzahl. Wie Figur 2 entnommen werden kann, beträgt der Schwellmassenstrom 34 dabei zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstroms 31, bevorzugt zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstroms 31, im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 45 % des Maximalmassenstroms 31.
Wie Figur 2 ebenfalls entnommen werden kann, erfolgt die mittels der Lüfteranordnung 20 und der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 erzielte Steigerung der Kühlleistung erst dann, wenn die Größe und somit die Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle 2 einen unteren Grenzwert 35 überschreitet. Dabei wird die Lüfteranordnung 20 beim Überschreiten der unteren Grenze 35 zum Fördern mit dem Minimalmassenstrom 30 betrieben. Aus dem vorstehend Beschriebenen resultiert, dass die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 in Betrieb genommen wird und Wasser mit der Minimalrate 32 einbringt, wenn die Größe einen Grenzwert 36 erreicht oder überschreitet, welcher nachfolgend auch als Zwischengrenzwert 36 bezeichnet wird. Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Lüfteranordnung 20 abhängig von der ermittelten Größe betrieben wird. Ferner ist es bevorzugt, wenn die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 und somit die Einbringrate 29 abhängig vom Luftmassenstrom 28, vorteilhaft abhängig von der Drehzahl, eingestellt wird. Während der Luftmassenstrom 28 und folglich die Drehzahl also an die Größe gekoppelt ist, ist die Einbringrate 29 am Luftmassenstrom 28 und folglich der Drehzahl und somit indirekt mit der Größe gekoppelt.
Die Lüfteranordnung 20 wird also oberhalb des unteren Grenzwerts 35 abhängig von einem Sollwert der Größe zum Fördern eines Luftmassenstroms 28 zwischen dem Minimalmassenstrom 30 und dem Maximalmassenstrom 31 betrieben.
Figur 3 zeigt ein weiteres Diagramm, bei welchem entlang der Ordinatenachse 26 der Luftmassenstrom 28 oder analog hierzu die Drehzahl und entlang der Abszissenachse 27 die Einbringrate 29 jeweils prozentual aufgetragen ist. Wie Figur 3 entnommen werden kann, herrscht zwischen dem prozentualen Luftmassenstrom 28 und der Einbringrate 29 abschnittsweise ein im Wesentlichen kubischer Zusammenhang. In diesem Abschnitt, der zwischen dem Schwellmassenstrom 34 und der Maximalrate 33 begrenzt ist, verläuft die in Figur 3 gezeigte Kennlinie 37 also im Wesentlichen als ein Parabelabschnitt. Hierdurch wird insbesondere berücksichtigt, dass die Leistung der Lüfteranordnung 20 kubisch mit der Drehzahl und somit mit dem geförderten Luftmassenstrom zusammenhängt. Entsprechend den Figuren 4 bis 6 wird der zu erreichende Wert der Größe und somit der Sollwert der Größe in zumindest einem Bereich zwischen dem Minimalmassenstrom 30 und dem Maximalmassenstrom 31 vom Istwert des Luftmassenstroms 28 und folglich von der Drehzahl abhängig geändert. Dabei zeigt Figur 4 ein Diagramm, bei welchem entlang der Abszissenachse 26 der prozentuale Luftmassenstrom 28 und entlang der Ordinatenachse 27 der Sollwert der Größe aufgetragen ist. Figur 5 zeigt ein Diagramm, bei welchem entlang der Abszissenachse 26 der Istwert der Größe und entlang der Ordinatenachse 27 der Luftmassenstrom 28 aufgetragen ist. In Figur 6 ist ein Diagramm zu sehen, bei welchem entlang der Abszissenachse 26 der Istwert der Größe und entlang der Ordinatenachse 27 der Luftmassenstrom 28 aufgetragen ist.
Entsprechend dem Figuren 4 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, dass der Sollwert bis zu einer Grenze 38 des Luftmassenstroms 28, nachfolgend auch als Grenzmassenstrom 38 bezeichnet, im Wesentlichen konstant ist und oberhalb des Grenzmassenstroms 38 bis zu einem oberen Grenzwert 39 der Größe ansteigt. Der Schwellmassenstrom 34 ist dabei zweckmäßig kleiner als der Grenzmassenstrom 38. Die entsprechenden Kennlinien sind in den Figuren 4 bis 6 durch eine durchgezogene Linie dargestellt. In den Figuren 4 bis 6 ist demgegenüber der Vergleich zum Stand der Technik gestrichelt dargestellt. Wie den Figuren 4 bis 6 entnommen werden kann, ergibt sich somit im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem der Sollwert der Größe über den gesamten verfügbaren Luftmassenstrom 28 und somit zwischen der Minimaldrehzahl 30 und der Maximaldrehzahl 31 möglichst konstant gehalten wird, ein Hinauszögern bis zum Erreichen des Maximalmassenstroms 31. Der obere Grenzwert 39 der Größe korreliert hierbei mit einer solchen Temperatur zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzelle 2, deren Überschreiten zu einer dauerhaften Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle 2 führen würde. Die Anpassung des Sollwerts an den Luftmassenstrom 28 im Bereich kann mittels der in Figur 6 gezeigten Kennlinie und somit kennlinienbasiert erfolgen. Wie den Figuren 4 bis 6 ferner entnommen werden kann, wird im gezeigten Ausführungsbeispiel die Lüfteranordnung 20 beim Erreichen des oberen Grenzwerts 39 der Größe zum Fördern mit dem Maximalmassenstrom 31 betrieben. Dabei erfolgt die Erhöhung des Luftmassenstroms 28 oberhalb des Grenzmassenstroms 38 bis zum Maximalmassenstrom 31. In dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht hierbei zwischen dem Luftmassenstrom 28 bzw. der Drehzahl und der Größe im Bereich, das heißt zwischen dem Grenzmassenstrom 38 und dem Maximalmassenstrom 31 in etwa ein linearer Zusammenhang.
Bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Luftmassenstrom 28 und dem Istwert der Größe im Bereich, das heißt zwischen dem Grenzmassenstrom 38 und dem Maximalmassenstrom 31 , ein quadratischer bzw. kubischer Zusammenhang in der Art eines Parabelabschnitts vorgesehen.
Wie Figur 4 entnommen werden kann, besteht bevorzugt im Bereich, das heißt zwischen dem Grenzmassenstrom 38 und dem Maximalmassenstrom 31 , zwischen dem Luftmassenstrom 28 und dem Sollwert der Größe ein näherungsweise kubischer Zusammenhang, insbesondere in der Art eines Parabelabschnitts. Durch die kubischen Zusammenhänge wird dabei insbesondere berücksichtigt, dass die Lüfterleistung der Lüfteranordnung 20 mit dem Luftmassenstrom 28 und somit mit der Drehzahl der Lüfteranordnung 20 annähernd kubisch zusammenhängt.
Wie den Figuren 4 bis 6 entnommen werden kann, beträgt hierbei der Grenzmassenstrom 38 in den gezeigten Ausführungsbeispielen und bevorzugt zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstroms 31, besonders bevorzugt zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstroms 31. In den gezeigten Ausführungsbeispielen beträgt der Grenzmassenstrom 38dabei 70 % des Maximalmassenstroms 31.
Bei einer Zusammenschau der Figuren 2 bis 5 ist also festzustellen, dass der Schwellmassenstrom 34 kleiner ist als der Grenzmassenstrom 38. Entsprechendes gilt für die zugehörigen Drehzahlen
Wie insbesondere Figur 2 entnommen werden kann, wird dabei bevorzugt die Maximalrate 33 der Einbringrate 29 mit dem Erreichen des Grenzmassenstroms 38 bereits eingebracht. In der Folge wird die mittels der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 erzielte Erhöhung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 9 vor dem Erreichen des Maximalmassenstroms31 möglichst vollständig ausgeschöpft. Dies führt dazu, dass die Größe oberhalb des Grenzmassenstroms 38 weniger stark ansteigt. In der Folge ist die Phase, ab welcher die Lüfteranordnung 20 zum Fördern mit dem Maximalmassenstrom 31 betrieben wird, weiter hinausgezögert bzw. verkürzt. Daraus resultiert ein weiter reduzierter Energieverbrauch der Lüfteranordnung 20.
Droht im Bereich eine dauerhafte Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle 2, wird die Anpassung des Sollwerts der Größe an den Luftmassenstrom 28 vorteilhaft ausgesetzt und/oder unterbrochen, um Luft mit dem Maximalmassenstrom 31 zu fördern. Dies kann beispielsweise durch das Einstellen des Sollwerts auf einen Sicherheitswert, der kleiner als der obere Grenzwert 39 und größer oder gleich dem unteren Grenzwert 35 ist, erreicht werden (nicht gezeigt). Insbesondere kann der Sollwert auf den Sicherheitsgrenzwert eingestellt werden, wenn im Bereich eine vorgegebene oder ermittelte maximale der Anhebung des Sollwerts überschritten wird, und/oder wenn die an zumindest einer der wenigstens einen Brennstoffzellen 2 anfallende elektrische Leistung abnimmt. Mit dem Betriebsverfahren, dem beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 sowie dem Kraftfahrzeugs 25 erfolgt eine zuverlässige Kühlung der zumindest einen Brennstoffzelle 2 bei einer erhöhten Effizienz. Insbesondere kommt es auf diese Weise zu einem reduzierten Energieverbrauch der Lüfteranordnung 20. Da die Lüfteranordnung 20 elektrisch betrieben ist, steht somit auch der zugehörigen Anwendung, hier also dem Kraftfahrzeug 25, insgesamt mehr elektrische Energie zur Verfügung. Daraus resultiert neben einer erhöhten verfügbaren Leistung auch eine erhöhte Reichweite des Kraftfahrzeugs 25.
*****

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1 ),
- wobei das Brennstoffzellensystem (1) aufweist:
• zumindest eine Brennstoffzelle (2),
• einen Kühlkreis (8), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine Brennstoffzelle (2) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) eingebunden ist,
• einen Kühlmittelkühler (9), durch den im Betrieb das Kühlmittel strömt und durch den, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, Luft strömt, um das Kühlmittel zu kühlen,
• eine zumindest einen Lüfter (21 ) aufweisende Lüfteranordnung (20) zum Fördern der Luft durch den Kühlmittelkühler (9), welche im Betrieb Luft mit einem Luftmassenstrom (28) zwischen einem Minimalmassenstrom (30) und einem Maximalmassenstrom (31) fördert,
- wobei die Lüfteranordnung (20) oberhalb eines unteren Grenzwerts (35) einer Größe, welche mit der Temperatur der zumindest einen Brennstoffzelle (2) korreliert, Luft mit Luftmassenstromeinen Luftmassenstrom (28) zwischen dem Minimalmassenstrom (30) und dem Maximalmassenstrom (31) fördert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert in zumindest einem Bereich zwischen dem Minimalmassenstrom (30) und dem Maximalmassenstrom (31) vom Istwert des Luftmassenstrom (28) abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, - dass der Sollwert bis zu einem Grenzmassenstrom (38) zwischen dem Minimalmassenstrom (30) und dem Maximalmassenstrom (31) konstant ist,
- dass der Sollwert oberhalb des Grenzmassenstroms (38) bis zu einem oberen Grenzwert (39) der Größe ansteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfteranordnung (20) beim Erreichen des oberen Grenzwerts (39) den Maximalmassenstrom (31) fördert.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom (28) oberhalb des Grenzmassenstrom (38) bis zum Maximalmassenstrom (31) ansteigt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert vor dem Erreichen des oberen Grenzwerts (39) auf eine Sicherheitsgrenze eingestellt wird, die kleiner als der obere Grenzwert (39) und größer oder gleich dem unteren Grenzwert (35) ist, wenn eine dauerhafte Beschädigung der zumindest einen Brennstoffzelle (2) droht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert auf die Sicherheitsgrenze eingestellt wird, wenn bei der Dauer des Erreichens des oberen Grenzwerts (39) eine kritische Dauer überschritten wird und/oder wenn die Spannung an der zumindest einen Brennstoffzelle (2) abfällt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzmassenstrom (38) zwischen 30 % und 90 % des Maximalmassenstrom (31) beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzmassenstrom (38) zwischen 50 % und 80 % des Maximalmassenstrom (31) beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert im Bereich kubisch vom der Luftmassenstrom (28) abhängt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit des Sollwerts vom Luftmassenstrom (28) in einer Kennlinie hinterlegt und die Lüfteranordnung (20) gemäß der Kennlinie betrieben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit des Sollwerts vom Luftmassenstrom (28) in einem Regelkreis durch eine Anpassung des Sollwerts umgesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Brennstoffzellensystem (1) ferner eine
Verdünstungskühlungseinrichtung (13) aufweist, mit welcher Wasser mit einer Einbringrate (29) zwischen einer Minimalrate (33) und einer Maximalrate (34) stromauf des Kühlmittelkühlers (9) in die durch die Lüfteranordnung (20) geförderte Luft einbringbar ist,
- wobei mit der Verdünstungskühlungseinrichtung oberhalb der unteren Grenze (35) der Größe und oberhalb des Minimalmassenstroms (30) Wasser mit der Einbringrate (29) zwischen der Minimalrate (32) und der Maximalrate (33) eingebracht wird,
- wobei die Einbringrate (29) und der Luftmassenstrom (28) derart erhöht werden, dass die Maximalrate (34) vor dem Maximalmassenstrom (31) erreicht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12 und einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalrate (33) vor dem oder beim Erreichen des
Grenzmassenstroms (38) eingebracht wird.
14. Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (25),
- mit zumindest einer Brennstoffzelle (2),
- mit einem Kühlkreis (8), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die zumindest eine Brennstoffzelle (2) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) eingebunden ist,
- mit einem Kühlmittelkühler (9), durch den im Betrieb das Kühlmittel strömt und durch den, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, Luft strömt, um das Kühlmittel zu kühlen,
- mit einer zumindest einen Lüfter (21) aufweisenden Lüfteranordnung (20), welche im Betrieb Luft mit einem Luftmassenstrom (28) zwischen einem Minimalmassenstrom (30) und einem Maximalmassenstrom (31) fördert,
- mit einer Steuereinrichtung (22) welche derart ausgestaltet ist, dass sie das Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 betreibt.
15. Kraftfahrzeug (25) mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 14.
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