Titel:

Verfahren zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels, Steuergerät

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels eines vorzugsweise mobilen Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Die Kühlung eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems kann mit einem Kühlsystem dargestellt werden, das eine Pumpe und einen Radiator mit Lüfter umfasst. In mobilen Anwendungen, das heißt bei einem Fahrzeug, handelt es sich bei dem Radiator in der Regel um den Fahrzeugkühler.

Aus der DE 10 2016 213 533 Al geht beispielhaft ein Kühlsystem zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems hervor, das eine geschlossene Kühlleitung für ein Kühlmittel aufweist. In die Kühlleitung ist eine Pumpe zur Einstellung des Drucks in der Kühlleitung integriert. Mit Hilfe der Pumpe wird das Kühlmittel dem zu kühlenden Brennstoffzellensystem zugeführt. Dort nimmt das Kühlmittel die Prozesswärme des Brennstoffzellensystems auf. Nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems wird das Kühlmittel einem Kühler, beispielsweise einem Fahrzeugkühler, zugeführt, wo es mit Hilfe eines Lüfters wieder abgekühlt wird.

Darüber hinaus sind Kühlsysteme mit Kühlkreisen bekannt, die einen Bypass zur Umgehung des Kühlers bzw. Radiators aufweisen. Mit Hilfe eines Wegeventils kann dann das Mischverhältnis der über den Radiator und der über den Bypass geführten Kühlmittelströme eingestellt werden. Üblicherweise wird über die Regelung des Wegeventils in Kombination mit der Regelung des Lüfters eine feste Zieltemperatur des Kühlmittels eingestellt.

Die Temperatur des Kühlmittels beeinflusst die Alterung und damit die Effizienz des Brennstoffzellenstapels über dessen Lebensdauer. Da sich eine niedrige Temperatur positiv auf die Effizienz des Brennstoffzellenstapels auswirkt, kann es von Vorteil sein, eine niedrige Kühlmitteltemperatur als feste Zieltemperatur einzustellen. Hieraus resultiert jedoch eine niedrige Temperaturdifferenz am Radiator zur Umgebung. Dies kann zur Folge haben, dass das Kühlleistungsvermögen des Kühlsystems überschritten wird oder das Kühlsystem in einem Grenzbereich betrieben wird, in dem der Energieverbrauch steigt, da die geforderte Kühlleistung nur durch eine Erhöhung des Kühlmittel- bzw. Luftstroms am Radiator erbracht werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Kühlung eines Brennstoffzellenstapels dahingehend zu optimieren, dass die Effizienz des Brennstoffzellenstapels bei zugleich geringen Energiekosten für die Kühlung gesteigert wird.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels eines vorzugsweise mobilen Brennstoffzellensystems mit Hilfe eines ein Kühlmittel führenden Kühlkreises, in den eine Pumpe, ein Radiator mit einem Lüfter sowie ein Wegeventil zum Öffnen und Schließen eines Bypasses zur Umgehung des Radiators integriert sind. Dabei wird die Temperatur des Kühlmittels über das Mischverhältnis der über den Radiator und/oder den Bypass geführten Kühlmittelströme sowie über die Luftgeschwindigkeit am Radiator auf einen vorab definierten Normwert oder Normbereich eingestellt.

Erfindungsgemäß wird die Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit von der aktuellen Kühlleistung des Kühlkreises und/oder vom aktuellen Energieverbrauch des Kühlkreises variiert und gegenüber dem Normwert bzw. Normbereich abgesenkt oder angehoben.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird demnach kein fester Zielwert für die Temperatur des Kühlmittels vorgegeben, sondern die Kühlmitteltemperatur variiert. Dabei wird - ausgehend von einem vorab definierten Normwert oder Normbereich - die Temperatur des Kühlmittels abgesenkt oder angehoben. Ausschlaggebend für das Absenken oder Anheben der Temperatur ist bzw. sind dabei die aktuelle Leistung und/oder der aktuelle Energieverbrauch des Kühlkreises. Hat man diese beiden Parameter im Blick, kann die Temperatur des Kühlmittels möglichst niedrig gehalten werden, um auf diese Weise die Effizienz des Brennstoffzellenstapels zu steigern.

Durch die vorgeschlagene Variation der Temperatur des Kühlmittels kann demnach die Temperatur an die aktuellen Gegebenheiten optimal angepasst werden, so dass eine Effizienzsteigerung auch ohne erhöhten Energieverbrauch realisierbar ist.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird vorzugsweise zunächst ein Normbereich für die Temperatur des Kühlmittels definiert. Dieser kann beispielsweise bei 62-68°C liegen. Wird ein den Normbereich nach unten begrenzender Temperaturwert unterschritten, erfolgt der Betrieb des Kühlkreises in einem abgesenkten Temperaturbereich. Wird ein den Normbereich nach oben begrenzender Temperaturwert überschritten, erfolgt der Betrieb des Kühlkreises in einem angehobenen Temperaturbereich. Die Festlegung auf einen Normbereich anstelle eines einzelnen Normwerts ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Auslegung.

Bevorzugt wird die Temperatur des Kühlmittels gegenüber dem Normwert bzw. Normbereich abgesenkt, wenn

(i) ein Überschreiten des Kühlleistungsvermögens des Kühlkreises sicher verhindert wird und (ii) der Energieverbrauch des Kühlkreises unterhalb eines vorab definierten Grenzwerts gehalten werden kann.

Das Absenken der Kühlmitteltemperatur ist demnach an Bedingungen geknüpft. Nur wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann die Temperatur zur Effizienzsteigerung des Brennstoffzellenstapels abgesenkt werden. Auf diese Weise wird nicht nur ein Überschreiten des Kühlleistungsvermögens des Kühlkreises, sondern zugleich ein erhöhter Energieverbrauch des Kühlkreises, insbesondere der Pumpe und des Lüfters des Kühlkreises, vermieden.

Der Energieverbrauch wird vorzugsweise anhand der aktuellen Umgebungstemperatur und/oder der aktuellen Luftgeschwindigkeit am Radiator ermittelt, wobei vorzugsweise der Ermittlung eine Schätzung zugrunde liegt. Das heißt, dass der Energieverbrauch bevorzugt geschätzt wird. Da in mobilen Anwendungen die Luftgeschwindigkeit am Radiator von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängig ist, kann auch diese der Schätzung zugrunde gelegt werden.

Des Weiteren bevorzugt wird die Temperatur des Kühlmittels gegenüber dem Normwert bzw. Normbereich angehoben, wenn

(i) eine Überschreitung des Kühlleistungsvermögens des Kühlkreises droht und

(ii) die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels unterhalb eines maximal zulässigen Grenzwerts gehalten werden kann.

Das Anheben der Kühlmitteltemperatur ist demnach ebenfalls an Bedingungen geknüpft. Nur wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann die Temperatur über den Normwert bzw. den Normbereich angehoben werden. Die Einhaltung der Bedingungen stellt sicher, dass weder das Kühlleistungsvermögen des Kühlkreises, noch die maximal zulässige Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels überschritten wird.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der Betrieb des Kühlkreises bei angehobener Temperatur des Kühlmittels beendet wird, wenn sichergestellt ist, dass das Kühlleistungsvermögen des Kühlkreises für den Betrieb bei einer dem Normwert oder dem Normbereich entsprechenden Temperatur des Kühlmittels ausreicht. Das heißt, das sobald das Kühlleistungsvermögen des Kühlkreises es zulässt, die Temperatur des Kühlmittels wieder abgesenkt wird, um die Effizienz des Brennstoffzellenstapels zu steigern. Denn dies setzt eine möglichst niedrige Kühlmitteltemperatur voraus.

Vorteilhafterweise wird der Betrieb des Kühlkreises bei angehobener Temperatur zeitlich begrenzt. Die zeitliche Begrenzung kann pro Ereignis und/oder über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels vorgenommen werden. Das heißt, dass jede einzelne Anhebung und/oder alle Anhebungen in Summe zeitlich begrenzt sind. Wird die zeitliche Begrenzung überschritten, ist eine Anhebung der Kühlmitteltemperatur nicht mehr zulässig. Gegebenenfalls ist dann eine Reduktion der Leistung des Brennstoffzellenstapels erforderlich, um die Kühlleistung des Kühlkreises auf die maximal mögliche Kühlleistung zu reduzieren.

Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsmäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts kann beispielsweise eine Steuerung oder Regelung des in den Kühlkreis integrierten Wegeventils und/oder Lüfters realisiert werden, um die Temperatur des Kühlmittels abzusenken oder anzuheben.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines an einen Kühlkreis angeschlossenen Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Der dargestellte Brennstoffzellenstapel 2 eines Brennstoffzellensystems 1 weist eine Anode 2.1 und eine Kathode 2.2 auf. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird die Anode 2.1 über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) mit Wasserstoff versorgt. Der Kathode 2.2 wird über einen Zuluftpfad (nicht dargestellt) Umgebungsluft als Sauerstofflieferant zugeführt. In den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 werden Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.

Die bei diesem Prozess entstehende Wärme wird über einen Kühlkreis 3 abgeführt, der hierzu abschnittsweise durch den Brennstoffzellenstapel 2 geführt ist. Außerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 sind eine Pumpe 4, ein Radiator 5 mit einem Lüfter 6 sowie ein Wegeventil 7 in den Kühlkreis 3 integriert. Mit Hilfe der Pumpe 4 wird ein Kühlmittel im Kühlkreis 3 zirkuliert. Gelangt das Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel 2, nimmt es Wärme auf, die es dann später mit Hilfe des Radiators 5 und des Lüfters 6 an die Umgebung abgibt. Mit Hilfe des Wegeventils 7 kann der über den Radiator 5 geführte Kühlmittelstrom gesteuert werden. Denn je nach Schaltstellung des Wegeventils 7 wird zumindest ein Teilstrom des Kühlmittels nicht dem Radiator 5 zugeführt, sondern in einen den Radiator 5 umgehenden Bypass 8 abgezweigt. Das heißt, dass das Kühlmittel weniger Wärme an die Umgebung abgeben kann. Über das Mischungsverhältnis der über den Radiator 5 und den Bypass 8 geführten Kühlmittelströme kann demnach die Temperatur des Kühlmittels eingestellt werden. Einfluss auf die Kühlmitteltemperatur hat ferner die Luftgeschwindigkeit am Radiator 5. Diese kann über den Betrieb des Lüfters 6 beeinflusst werden. In mobilen Anwendungen hängt die Luftgeschwindigkeit zudem von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab.

Da eine niedrige Kühlmitteltemperatur im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 sich positiv auf die Alterung und damit Effizienz des Brennstoffzellenstapels 2 auswirkt, wird eine möglichst niedrige Kühlmitteltemperatur angestrebt. Daraus resultiert jedoch eine niedrige Temperaturdifferenz am Radiator 5 zur Umgebung. Ist die Umgebungstemperatur ausreichend niedrig, kann davon ausgegangen werden, dass die von dem Kühlmittel aufgenommene Wärme auch ohne eine signifikante Erhöhung der für die Wärmeabfuhr notwendigen Energie abgegeben werden kann. Allgemein gilt aber, dass, um dieselbe Kühlleistung erfüllen zu können, der Kühlmittel- und/oder Luftstrom am Radiator 5 erhöht werden muss bzw. müssen. Das heißt, dass die Leistung der Pumpe 4 und/oder des Lüfters 6 angehoben werden muss, was zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs des Kühlkreises 3 führt. Eine erhöhte Kühlmitteltemperatur wiederum resultiert in einer höheren Temperaturdifferenz am Radiator 5 zur Umgebung, so dass bei unverändertem Kühlmittel- und Luftstrom am Radiator 5 eine höhere Kühlleistung erbracht werden kann. Zur Steigerung der Effizienz des Brennstoffzellenstapels 2 ist jedoch eine erhöhte Kühlmitteltemperatur weniger wünschenswert.

Um diesen Zielkonflikt zu lösen, schlägt das erfindungsgemäße Verfahren eine variable Einstellung der Kühlmitteltemperatur vor. Die Einstellung erfolgt dabei abhängig von der aktuellen Kühlleistung und/oder dem aktuellen Energieverbrauch des Kühlkreises 3, insbesondere der in den Kühlkreis 3 integrierten Pumpe 4 sowie des in den Kühlkreis 3 integrierten Lüfters 6.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kühlmitteltemperatur gegenüber einem vorab definierten Normwert bzw. Normbereich abgesenkt oder angehoben. Das Absenken oder Anheben der Kühlmitteltemperatur ist dabei an bestimmte Bedingungen geknüpft.

Ein Absenken der Kühlmitteltemperatur gegenüber dem Normwert bzw. dem Normbereich kommt nur in Betracht, wenn sichergestellt ist, dass das Kühlleistungsvermögen, das heißt eine maximal zulässige Kühlleistung des Kühlkreises 3 nicht überschritten wird und dabei der Energieverbrauch unterhalb eines vorab definierten Grenzwerts bleibt. Da diese Betriebsart zu einer Steigerung der Effizienz des Brennstoffzellenstapels 2 führt, wird sie bevorzugt gewählt, vorausgesetzt, dass die beiden vorstehend genannten Bedingungen erfüllt sind.

Ein Anheben der Kühlmitteltemperatur gegenüber dem Normwert bzw. dem Normbereich ist nur dann gestattet, wenn das Kühlleistung des Kühlkreises 3 nicht mehr ausreicht, so dass eine Überschreitung des Kühlleistungsvermögens des Kühlkreises 3 droht und zugleich sichergestellt ist, dass eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 2 nicht überschritten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Betriebsstrategie so auszulegen, dass das Brennstoffzellensystem 1 möglichst häufig bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen betrieben wird. Führt dies jedoch zu einem deutlichen Anstieg des Energieverbrauchs und/oder zu einem Betrieb des Kühlkreises 3 im Grenzbereich, so dass die Gefahr eines Überschreitens des Kühlleistungsvermögens des Kühlkreises 3 besteht, kann die Kühlmitteltemperatur angehoben werden. Durch das Anheben der Temperatur wird der Energieverbrauch gesenkt und ein Überschreiten des Kühlleistungsvermögens des Kühlkreises 3 sicher vermieden.