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WO2024170382A1 - Trocknungsverfahren zum trocknen eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Trocknungsverfahren zum trocknen eines brennstoffzellenstapels Download PDF

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Publication number
WO2024170382A1
WO2024170382A1 PCT/EP2024/053061 EP2024053061W WO2024170382A1 WO 2024170382 A1 WO2024170382 A1 WO 2024170382A1 EP 2024053061 W EP2024053061 W EP 2024053061W WO 2024170382 A1 WO2024170382 A1 WO 2024170382A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
coolant
cell stack
coolant temperature
drying
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/053061
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helerson Kemmer
Fabian Straub
Rajendra Prasad Bandi
Matthias Rink
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2024170382A1 publication Critical patent/WO2024170382A1/de

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
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    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
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    • H01M8/04231—Purging of the reactants
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the presented invention relates to a drying method for drying a fuel cell stack and a fuel cell system according to the appended claims.
  • oxygen from the ambient air is usually used as an oxidizing agent and as a reducing agent, and hydrogen as the fuel is used to react in the fuel cell to form water or water vapor and thus to deliver electrical power through electrochemical conversion.
  • a major technical challenge for mobile fuel cell systems is to functionally realize a start under all globally relevant conditions and during downtimes of varying lengths while still meeting the respective specified lifetime requirements.
  • a freeze start i.e. a start at low outside temperatures of, for example, below 4°C
  • the freeze start is incorrect, the fuel cell stack may suffer massive, irreversible damage and the fuel cell system may not be able to start, so the fuel cell system must be brought into a “warm” environment.
  • the fuel cell stack For a successful freeze start, it is important how much water the fuel cell stack contains before or at the beginning of the freeze start. This amount of water must be within a tolerance band so that the fuel cell stack can store product water that arises during the freeze start in its storage-capable components, such as a membrane, a gas diffusion layer, etc., without becoming blocked by freezing water, and so that the fuel cell stack is not dried out to such an extent that no proton conductivity of the
  • Membrane is possible or the membrane is damaged due to excessively dry conditions.
  • the invention presented serves in particular to enable a reliable freeze start of a fuel cell system.
  • a drying method for drying a fuel cell stack comprises a first drying phase in which a Coolant temperature of coolant flowing through the fuel cell stack is set and maintained at a first coolant temperature setpoint and a second drying phase in which the coolant temperature is set to a second coolant temperature setpoint, the first coolant temperature setpoint being greater than the second coolant temperature setpoint.
  • the drying process presented is based on a multi-stage drying process in which different temperatures are set in the fuel cell stack in different drying phases. This ensures that the fuel cell stack is not stored too wet.
  • the drying process presented prevents the fuel cell stack from being turned off too warm, particularly at low ambient temperatures, so that water subsequently evaporates, redistributes itself and condenses at unfavorable positions in the fuel cell system during a cooling process. Accordingly, the drying process presented eliminates problems during a freeze start, such as icing, degradation, damage or malfunctions of the fuel cell stack.
  • a coolant temperature of the coolant flowing through the fuel cell stack is set, i.e. changed.
  • a coolant flow directed to a cooler can be set.
  • the coolant temperature is set or regulated at a high temperature level of, for example, 60°C. Due to a high temperature level, air flowing through the fuel cell stack can absorb a lot of water until the air is saturated with water or water vapor. This allows the fuel cell stack to be dried efficiently and quickly.
  • the coolant temperature is set or regulated to a lower temperature level for the second drying phase, which results in cooling and homogenization of the temperature of the fuel cell stack. This means that ideally the same temperature prevails throughout the fuel cell stack and critical points where moisture can accumulate are avoided.
  • Another effect of the second drying phase is the removal of additional condensed water. This can be achieved by blowing out the cathode tract and allowing hydrogen to flow through the anode tract, as well as opening the purge or drain valve, both in the first drying phase and in the second drying phase.
  • the first drying phase is carried out for a predetermined period of time or is carried out until an anode humidity in an anode tract of the fuel cell stack and a cathode humidity in a cathode tract of the fuel cell stack are below a predetermined humidity threshold value, or is carried out until a difference in a fluid temperature of fluid flowing through the fuel cell stack to the coolant temperature is above a predetermined first temperature difference threshold value.
  • the end of the first drying phase on the anode side and on the cathode side can be time-controlled or predetermined or can be determined based on temperature differences between the fuel cell stack or the anode tract and the cathode tract and the coolant or a course of outlet temperatures of fluid streams flowing out of the anode tract or the cathode tract.
  • a 3-way valve of a cooling system of the fuel cell system can be set in such a way that the entire cooling mass flow runs through a cooler of the cooling system, so that a rapid reduction in the coolant temperature is achieved.
  • a cooler outlet temperature can be set during The first drying phase can be regulated down to a permissible minimum temperature using a cooling fan.
  • the start of the second drying phase occurs, for example, when the setpoint value of the coolant temperature has reached a target value of a ramp function and/or a coolant inlet temperature, measured at a coolant inlet of the fuel cell stack, corresponds to a second coolant temperature setpoint value or is within an amount of the second coolant temperature setpoint value and a permissible variance or a so-called “offset”.
  • the second drying phase is carried out for a predetermined period of time or is carried out until a difference between a coolant inlet temperature measured at a coolant inlet of the fuel cell stack and a coolant outlet temperature measured at a coolant outlet of the fuel cell stack is below a predetermined second temperature difference threshold value.
  • the end of the second drying phase can be time-controlled or predetermined or can be determined based on temperature differences between the fuel cell stack or the anode tract and the cathode tract and the coolant or a course of outlet temperatures of fluid streams flowing out of the anode tract or the cathode tract.
  • the drying method further comprises flowing through an anode tract of the fuel cell stack with an anode fluid stream by controlling a purge valve of the fuel cell stack with a predetermined flow rate, and flowing through a cathode tract of the fuel cell stack with a predetermined flow mass flow provided by a fan for supplying the cathode tract with fluid, wherein during a transition of the coolant temperature from the first coolant temperature setpoint to the second coolant temperature setpoint, the flow rate with which the purge valve is controlled and the flow mass flow is reduced and wherein the flow rate and the flow mass flow are increased again when the coolant temperature corresponds to the second coolant temperature setpoint.
  • a drying break is inserted between the first drying phase and the second drying phase to prevent the fuel cell stack from drying out too much.
  • the coolant temperature of the coolant flowing through the fuel cell stack is adjusted by means of a 3-way valve, wherein a larger coolant flow is passed over a cooler of the fuel cell system to reduce the coolant temperature.
  • the 3-way valve can, for example, switch between a cooling path through the cooler and a bypass path around or past the cooler, in particular gradually or continuously.
  • the first coolant temperature setpoint is successively reduced to the second coolant temperature threshold value by means of a ramp function.
  • the coolant temperature can be reduced in preparation for the second drying phase along a setpoint ramp.
  • the second drying phase can be started, for example, when a setpoint has reached its target value along a ramp.
  • the second coolant temperature threshold value is formed by means of a maximum of an application parameter, an ambient temperature of the fuel cell system and a predetermined variance value. If the end of the first drying phase has been initiated, e.g. if the first coolant temperature setpoint is detected in the anode section and cathode section, the coolant temperature is adjusted to the second, lower coolant temperature setpoint.
  • the second coolant temperature setpoint can be determined from the
  • a maximum selection can be made between an application parameter and the sum of an ambient temperature and a variance value or a so-called “offset”.
  • the sum of the ambient temperature and the variance value is a minimum achievable coolant temperature in common cooling systems.
  • drying process is started in response to a command to shut down the fuel cell system.
  • the drying process presented can be started when a respective fuel cell system or a corresponding vehicle is switched off or deactivated.
  • the presented invention relates to a fuel cell system for converting energy.
  • the presented fuel cell system comprises a fuel cell stack comprising an anode tract and a cathode tract, a purge valve for discharging fluid from the anode tract, a metering valve for metering fluid into the anode tract, a fan for supplying a volume flow into the cathode tract, a cooling system and a computing unit, wherein the computing unit is configured to carry out a possible embodiment of the presented drying method.
  • the cooling system comprises a 3-way valve, a coolant pump that supplies the fuel cell stack with coolant and a heat exchanger that is in contact with an environment, wherein the 3-way valve is connected to a line to an outlet of the heat exchanger, a line to the coolant pump and a bypass line, and wherein the bypass line passes the pump and the fuel cell stack and is connected to an inlet of the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of the drying process presented
  • Figure 2 shows a possible design of the presented fuel cell system.
  • Figure 1 shows a drying method 100.
  • the drying method 100 starts in response to a command to deactivate a fuel cell system in a start step 101.
  • a cooler outlet temperature is reduced to a minimum value, constant conditions are created in the anode tract of the fuel cell system by regularly carrying out purging or draining processes, and a constant cathode air mass flow with a constant pressure level is set in the cathode tract.
  • a checking step 105 it is checked whether a predetermined drying time has been reached and/or a temperature-based criterion, such as reaching the first coolant temperature setpoint, so that if this is not the case, the first drying phase 103 is continued or, if this is the case, a drying break 107 is inserted.
  • a predetermined drying time has been reached and/or a temperature-based criterion, such as reaching the first coolant temperature setpoint
  • a checking step 109 it is checked whether a target value of a ramp function for setting the coolant temperature has been reached and/or a measured coolant temperature of the fuel cell stack corresponds to the second coolant temperature setpoint, so that if this is not the case, the drying pause 107 is continued or, if this is the case, a second drying phase 111 is started.
  • the anode tract is again regularly or increasingly flushed with hydrogen and the cathode tract is increasingly flushed with air.
  • a checking step 113 it is checked whether a predetermined drying time has been reached and/or whether a coolant temperature measured at the output or coolant outlet of the fuel cell stack corresponds to a coolant temperature measured at the input or coolant inlet of the fuel cell stack, possibly plus a predetermined variance value or so-called “offset”, so that, if this is not the case, the second drying phase 111 is continued or, if this is the case, a termination step 115 is initiated.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 200.
  • the fuel cell system 200 comprises a fuel cell stack 201, which comprises an anode tract 203 and a cathode tract 205, a purge valve 207 for discharging fluid from the anode tract 203, a metering valve 209 for metering fluid into the anode tract 203, a blower 211 for supplying a volume flow into the cathode tract 205, a cooling system 213 and a computing unit 215.
  • the computing unit 215 is configured to carry out the drying process 100 according to Figure 1.
  • the computing unit 215 is communicative with a 3-way valve 223 of the cooling system 213 in order to divide a coolant flow flowing through a coolant path 217 of the fuel cell stack 201 between a cooling line 219 through a cooler 221 of the cooling system and a bypass line 225 past the cooler 221 and, as a result, to control a coolant temperature of the coolant or a

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Trocknungsverfahren (100) zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels (201). Das Trocknungsverfahren (200) umfasst: - eine erste Trocknungsphase (103), in der eine Kühlmitttemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel (201) strömendem Kühlmittel auf einen ersten Kühlmitteltemperatursollwert eingestellt und gehalten wird, - eine zweite Trocknungsphase (111), in der die Kühlmitteltemperatur auf einen zweiten Kühlmitteltemperatursollwert eingestellt wird, wobei der erste Kühlmitteltemperatursollwert größer ist als der zweite Kühlmitteltemperatursollwert.

Description

Beschreibung
Titel
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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Trocknungsverfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels und ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Stand der Technik
In Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel und der Kraftstoff Wasserstoff genutzt, um in der Brennstoffzelle zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
Eine große technische Herausforderung ist es bei mobilen Brennstoffzellensystemen, einen Start bei allen weltweit relevanten Bedingungen und bei unterschiedlich langen Stillstandzeiten funktional zu realisieren und dabei noch jeweilig vorgegebene Lebenszeitanforderungen zu erreichen.
Bei einem Gefrierstart, d. h., einem Start bei niedrigen Außentemperaturen von bspw. unter 4°C, ist es erforderlich, einen Brennstoffzellenstapel möglichst schnell über eine kritische Temperatur von 0°C zu erwärmen, damit im Betrieb des Brennstoffzellenstapels entstehendes Produktwasser insbesondere an an kritischen Stellen im Brennstoffzellenstapel, wie bspw. dünnen Leitungen oder Bögen, nicht einfriert. Bei einem fehlerhaftem Gefrierstart kann sowohl der Brennstoffzellenstapel massiv irreversibel Schaden nehmen als auch das Brennstoffzellensystem nicht startfähig sein, sodass das Brennstoffzellensystem in eine „warme“ Umgebung gebracht werden muss.
Für einen gelungenen Gefrierstart ist es relevant, wieviel Wasser der Brennstoffzellenstapel vor dem Gefrierstart bzw. beim Beginn des Gefrierstarts enthält. Dieses Maß an Wasser muss innerhalb eines Toleranzbandes liegen, damit der Brennstoffzellenstapel einerseits beim Gefrierstart anfallendes Produktwasser noch in seine speicherfähigen Komponenten, wie bspw. eine Membran, eine Gasdiffusionslage, etc. einlagern kann ohne Blockaden durch gefrierendes Wasser zu bekommen und andererseits der Brennstoffzellenstapel nicht soweit getrocknet ist, dass keine Protonenleitfähigkeit der
Membran möglich ist bzw. durch zu trockene Zustände die Membran geschädigt ist.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Trocknungsverfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels und Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen verlässlichen Gefrierstart eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Trocknungsverfahren zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels vorgestellt. Das Trocknungsverfahren umfasst eine erste Trocknungsphase, in der eine Kühlmitteltemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel strömendem Kühlmittel auf einen ersten Kühlmitteltemperatursollwert eingestellt und gehalten wird und eine zweite Trocknungsphase, in der die Kühlmitteltemperatur auf einen zweiten Kühlmitteltemperatursollwert eingestellt wird, wobei der erste Kühlmitteltemperatursollwert größer ist als der zweite Kühlmitteltemperatursollwert.
Das vorgestellte Trocknungsverfahren basiert auf einem mehrstufigen Trocknungsprozess, bei dem in unterschiedlichen Trocknungsphasen unterschiedliche Temperaturen in dem Brennstoffzellenstapel eingestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Brennstoffzellenstapel nicht zu feucht abgestellt wird.
Weiterhin wird durch das vorgestellten Trocknungsverfahren vermieden, dass, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, der Brennstoffzellenstapel zu warm abgestellt wird, sodass anschließend Wasser verdampft, sich neu verteilt und während eines Abkühlvorgangs an ungünstigen Positionen im Brennstoffzellensystem kondensiert. Entsprechend werden durch das vorgestellte Trocknungsverfahren Probleme bei einem Gefrierstart ausgeschlossen, wie bspw. eine Vereisung, eine Degradation, eine Schädigung oder Fehlfunktionen des Brennstoffzellenstapels.
Zum Einstellen unterschiedlicher Temperaturen in dem Brennstoffzellenstapel wird eine Kühlmitttemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel strömendem Kühlmittel eingestellt, d. h., verändert. Zum Einstellen der Kühlmitteltemperatur kann bspw. ein zu einem Kühler geleiteter Kühlmittelstrom eingestellt werden.
In der ersten Trocknungsphase des vorgestellten Trocknungsverfahrens wird die Kühlmitteltemperatur auf einem hohen Temperaturniveau von bspw. 60°C eingestellt bzw. eingeregelt. Durch ein hohes Temperaturniveau kann durch den Brennstoffzellenstapel strömende Luft viel Wasser aufnehmen bis die Luft mit Wasser bzw. Wasserdampf gesättigt ist. Somit kann eine effiziente und schnelle Trocknung des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden. Im Anschluss an die erste Trocknungsphase wird die Kühlmitteltemperatur für die zweite Trocknungsphase auf ein niedrigeres Temperaturniveau eingestellt bzw. eingeregelt, wodurch eine Abkühlung und Homogenisierung einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels erreicht wird. Dies bedeutet, dass im gesamten Brennstoffzellenstapel idealerweise dieselbe Temperatur herrscht und kritische Stellen, in denen sich Feuchtigkeit ansammeln kann, vermieden werden.
Ein weiterer Effekt der zweiten Trocknungsphase ist der Abtransport von zusätzlich auskondensiertem Wasser. Dazu kann bspw. ein Ausblasen des Kathodentrakts und ein Durchströmen des Anodentrakts mit Wasserstoff sowie ein Öffnen des Purge- bzw. Drainventils sowohl in der ersten Trocknungsphase als auch in der zweiten Trocknungsphase aufrechterhalten werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Trocknungsphase für einen vorgegebenen Zeitraum ausgeführt wird oder ausgeführt wird, bis eine Anodenfeuchtigkeit in einem Anodentrakt des Brennstoffzellenstapels und eine Kathodenfeuchtigkeit in einem Kathodentrakt des Brennstoffzellenstapels unter einem vorgegebenen Feuchtigkeitsschwellenwert liegen, oder ausgeführt wird, bis eine Differenz einer Fluidtemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel strömendem Fluid zu der Kühlmitteltemperatur über einem vorgegebenen ersten Temperaturdifferenzschwellenwert liegt.
Das Ende der ersten Trocknungsphase auf Anodenseite wie auf Kathodenseite kann zeitlich gesteuert erfolgen bzw. zeitlich vorgegeben sein oder anhand von Temperaturdifferenzen des Brennstoffzellenstapels bzw. des Anodentrakts und des Kathodentrakts zum Kühlmittel bzw. einem Verlauf von Auslasstemperaturen von aus dem Anodentrakt bzw. dem Kathodentrakt ausströmenden Fluidströmen bestimmt werden.
Um die Kühlmitteltemperatur nach dem Ende der ersten Trocknungsphase auf den zweiten Kühlmitteltemperatursollwert einzustellen bzw. einzuregeln, kann ein 3-Wege-Ventil eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems derart eingestellt werden, dass der gesamte Kühlmassenstrom über einen Kühler des Kühlsystems läuft, sodass ein schnelles Absenken der Kühlmitteltemperatur erreicht wird. Bspw. kann dazu eine Kühlerauslasstemperatur bereits während der ersten Trocknungsphase mit Hilfe eines Kühlergebläses auf eine zulässige Minimaltemperatur heruntergeregelt werden.
Der Start der zweiten Trocknungsphase erfolgt bspw. dann, wenn der Sollwert der Kühlmitteltemperatur bspw. einen Zielwert einer Rampenfunktion erreicht hat und/oder eine Kühlmitteleingangstemperatur, gemessen an einem Kühlmitteleintritt des Brennstoffzellenstapels einem zweiten Kühlmitteltemperatursollwert entspricht bzw. innerhalb eines Betrags aus dem zweiten Kühlmitteltemperatursollwert und einer zulässigen Varianz bzw. einem sogenannten „Offset“ liegt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die zweite Trocknungsphase für einen vorgegebenen Zeitraum ausgeführt wird oder ausgeführt wird, bis eine Differenz einer Kühlmitteleinlasstemperatur, die an einem Kühlmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels gemessen wird, und einer Kühlmittelauslasstemperatur, die an einem Kühlmittelauslass des Brennstoffzellenstapels gemessen wird, unter einem vorgegebenen zweiten Temperaturdifferenzschwellenwert liegt.
Das Ende der zweiten Trocknungsphase kann zeitlich gesteuert erfolgen bzw. zeitlich vorgegeben sein oder anhand von Temperaturdifferenzen des Brennstoffzellenstapels bzw. des Anodentrakts und des Kathodentrakts zum Kühlmittel bzw. einem Verlauf von Auslasstemperaturen von aus dem Anodentrakt bzw. dem Kathodentrakt ausströmenden Fluidströmen bestimmt werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Trocknungsverfahren weiterhin das Durchströmen eines Anodentrakts des Brennstoffzellenstapels mit einem Anodenfluidstrom, indem ein Purgeventil des Brennstoffzellenstapels mit einer vorgegebenen Durchströmungsrate angesteuert wird, und das Durchströmen eines Kathodentrakts des Brennstoffzellenstapels mit einem vorgegebenen und durch ein Gebläse zum Versorgen des Kathodentrakts mit Fluid bereitgestellten Durchströmungsmassenstrom umfasst, wobei während eines Übergangs der Kühlmitteltemperatur von dem ersten Kühlmitteltemperatursollwert zu dem zweiten Kühlmitteltemperatursollwert die Durchströmungsrate mit der das Purgeventil angesteuert wird und der Durchströmungsmassenstrom reduziert werden und wobei die Durchströmungsrate und der Durchströmungsmassenstrom wieder erhöht werden, wenn die Kühlmitteltemperatur dem zweiten Kühlmitteltemperatursollwert entspricht.
Durch eine Reduktion der Durchströmungsrate und des Durchströmungsmassenstroms zwischen der ersten Trocknungsphase und der zweiten Trocknungsphase wird eine Trocknungspause zwischen der ersten Trocknungsphase und der zweiten Trocknungsphase eingelegt, um ein zu starkes Austrocknen des Brennstoffzellenstacks zu vermeiden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kühlmitttemperatur des durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Kühlmittels mittels eines 3-Wege-Ventils eingestellt wird, wobei zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur ein größerer Kühlmittelstrom über einen Kühler des Brennstoffzellensystems geleitet wird.
Mittels eines 3-Wege-Ventil kann ein durch einen Kühler geleiteter Kühlmittelstrom und, dadurch bedingt, ein Austrag thermischer Energie aus dem Kühlmittel durch den Kühler schnell und genau eingestellt werden. Dazu kann das 3-Wege-Ventil bspw. zwischen einem Kühlpfad durch den Kühler und einem Bypasspfad um den Kühler herum bzw. an dem Kühler vorbei, umstellen, insbesondere graduell bzw. kontinuierlich umstellen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Kühlmitteltemperatursollwert mittels einer Rampenfunktion sukzessive auf den zweiten Kühlmitteltemperaturschwellenwert reduziert wird.
Das Herunterregeln der Kühlmitteltemperatur in Vorbereitung auf die zweite Trocknungsphase kann entlang einer Sollwertrampe erfolgen. Der Start der zweiten Trocknungsphase kann bspw. erfolgen, wenn ein Sollwert entlang einer Rampe seinen Zielwert erreicht hat.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zweite Kühlmitteltemperaturschwellenwert mittels eines Maximums eines Applikationsparameters, einer Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems und einem vorgegebenen Varianzwert gebildet wird. Ist das Ende der ersten Trocknungsphase eingeleitet, d. h., bspw. im Anodentrakt und Kathodentrakt der erste Kühlmitteltemperatursollwert detektiert, wird die Kühlmitteltemperatur auf den zweiten, niedrigeren Kühlmitteltemperatursollwert eingeregelt. Dabei kann der zweite Kühlmitteltemperatursollwert aus der
Maximumauswahl zwischen einem Applikationsparameter und der Summe aus einer Umgebungstemperatur und einem Varianzwert bzw. einem sogenannten „Offset“ gebildet werden. Dabei ist die Summe aus der Umgebungstemperatur und dem Varianzwert eine in gängigen Kühlsystemen minimal realisierbare Kühlmitteltemperatur.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Trocknungsverfahren in Reaktion auf einen Befehl zum Abstellen des Brennstoffzellensystems gestartet wird.
Um einen sicheren Gefrierstart zu ermöglichen, kann das vorgestellte Trocknungsverfahren gestartet werden, wenn ein jeweiliges Brennstoffzellensystem bzw. ein entsprechendes Fahrzeug abgestellt bzw. deaktiviert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie.
Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der einen Anodentrakt und einen Kathodentrakt umfasst, ein Purgeventil zum Auslassen von Fluid aus dem Anodentrakt, ein Dosierventil zum Eindosieren von Fluid in den Anodentrakt, ein Gebläse zum Zuführen eines Volumenstroms in den Kathodentrakt, ein Kühlsystem und eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens durchzuführen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Kühlsystem ein 3-Wege-Ventil, eine Kühlmittelpumpe, die den Brennstoffzellenstapel mit Kühlmittel versorgt und einen Wärmetauscher, der mit einer Umgebung in Kontakt steht, umfasst, wobei das 3-Wege-Ventil mit einer Leitung zu einem Ausgang des Wärmetauschers, einer Leitung zu der Kühlmittelpumpe und einer Bypassleitung verbunden ist, und wobei die Bypassleitung an der Pumpe und dem Brennstoffzellstapel vorbeiläuft und mit einem Eingang des Wärmetauschers verbunden ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
In Figur 1 ist ein Trocknungsverfahren 100 dargestellt. Das Trocknungsverfahren 100 startet in Reaktion auf einen Befehl zum Deaktivieren eines Brennstoffzellensystems in einem Startschritt 101.
In einer ersten Trocknungsphase 103 werden eine Kühlerauslasstemperatur auf einen Minimalwert abgesenkt, im Anodentrakt des Brennstoffzellensystems konstante Bedingungen geschaffen, indem regelmäßig Purge- bzw. Drainvorgänge durchgeführt werden, und ein konstanter Kathoden- Luftmassenstrom mit einem konstanten Druckniveau im Kathodentrakt eingestellt.
In einem Überprüfungsschritt 105 wird geprüft, ob eine vorgegebene Trocknungsdauer erreicht ist und/oder ein temperaturbasiertes Kriterium, wie bspw. das Erreichen des ersten Kühlmitteltemperatursollwerts, sodass, wenn dies nicht zutrifft die erste Trocknungsphase 103 fortgeführt wird oder, wenn dies zutrifft, eine Trocknungspause 107 eingelegt wird. In der Trocknungspause 107 werden der Kathodenmassenstrom abgesenkt, eine Purgefrequenz und/oder eine Purgedauer verringert, und die Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellenstapels auf den zweiten Kühlmitteltemperatursollwert eingestellt
In einem Überprüfungsschritt 109 wird geprüft, ob ein Zielwert einer Rampenfunktion zum Einstellen der Kühlmitteltemperatur erreicht ist und/oder eine gemessene Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellenstapels dem zweiten Kühlmitteltemperatursollwert entspricht, sodass, wenn dies nicht zutrifft, die Trocknungspause 107 fortgeführt wird oder, wenn dies zutrifft, eine zweite Trocknungsphase 111 gestartet wird.
In der zweiten Trocknungsphase 111 wird der Anodentrakt wieder regelmäßig bzw. vermehrt mit Wasserstoff durchströmt und der Kathodentrakt vermehrt mit Luft durchströmt.
In einem Überprüfungsschritt 113 wird geprüft, ob eine vorgegebene Trocknungsdauer erreicht und/oder eine Kühlmitteltemperatur, gemessen am Ausgang bzw. Kühlmittelauslass des Brennstoffzellenstapels einer Kühlmitteltemperatur, gemessen am Eingang bzw. Kühlmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels ggf. zuzüglich eines vorgegebenen Varianzwerts bzw. sogenannten „Offsets“ entspricht, sodass, wenn dies nicht zutrifft, die zweite Trocknungsphase 111 fortgeführt wird oder, wenn dies zutrifft, ein Terminierungsschritt 115 eingeleitet wird.
In Figur 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 201 , der einen Anodentrakt 203 und einen Kathodentrakt 205 umfasst, ein Purgeventil 207 zum Auslassen von Fluid aus dem Anodentrakt 203, ein Dosierventil 209 zum Eindosieren von Fluid in den Anodentrakt 203, ein Gebläse 211 zum Zuführen eines Volumenstroms in den Kathodentrakt 205, ein Kühlsystem 213 und eine Recheneinheit 215.
Die Recheneinheit 215 ist dazu konfiguriert, das Trocknungsverfahren 100 gemäß Figur 1 auszuführen. Dazu ist die Recheneinheit 215 kommunikativ mit einem 3-Wege-Ventil 223 des Kühlsystems 213 verbunden, um einen durch einen Kühlmittelpfad 217 des Brennstoffzellenstapels 201 strömenden Kühlmittelstrom zwischen einer Kühlleitung 219 durch einen Kühler 221 des Kühlsystems und einer Bypassleitung 225 an dem Kühler 221 vorbei, aufzuteilen und, dadurch bedingt, eine Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels bzw. eine
Brennstoffzellenstapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels 201 einzustellen.

Claims

Ansprüche
1. Trocknungsverfahren (100) zum Trocknen eines Brennstoffzellenstapels (201), wobei das Trocknungsverfahren (200) umfasst:
- eine erste Trocknungsphase (103), in der eine Kühlmitttemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel (201) strömendem Kühlmittel auf einen ersten Kühlmitteltemperatursollwert eingestellt und gehalten wird,
- eine zweite Trocknungsphase (111), in der die Kühlmitteltemperatur auf einen zweiten Kühlmitteltemperatursollwert eingestellt wird, wobei der erste Kühlmitteltemperatursollwert größer ist als der zweite Kühlmitteltemperatursollwert.
2. Trocknungsverfahren (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trocknungsphase (103) für einen vorgegebenen Zeitraum ausgeführt wird, oder ausgeführt wird, bis eine Anodenfeuchtigkeit in einem Anodentrakt (203) des Brennstoffzellenstapels (201) und eine Kathodenfeuchtigkeit in einem Kathodentrakt (205) des Brennstoffzellenstapels (201) unter einem vorgegebenen Feuchtigkeitsschwellenwert liegen, oder ausgeführt wird, bis eine Differenz einer Fluidtemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel (201) strömendem Fluid zu der Kühlmitteltemperatur über einem vorgegebenen ersten Temperaturdifferenzschwellenwert liegt.
3. Trocknungsverfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Trocknungsphase (111) für einen vorgegebenen Zeitraum ausgeführt wird, oder ausgeführt wird, bis eine Differenz einer Kühlmitteleinlasstemperatur, die an einem Kühlmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels (201) gemessen wird, und einer Kühlmittelauslasstemperatur, die an einem Kühlmittelauslass des Brennstoffzellenstapels (201) gemessen wird, unter einem vorgegebenen zweiten Temperaturdifferenzschwellenwert liegt
4. Trocknungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsverfahren (100) weiterhin umfasst:
- Durchströmen eines Anodentrakts (203) des Brennstoffzellenstapels (201) mit einem Anodenfluidstrom, indem ein Purgeventil (207) des Brennstoffzellenstapels (201) mit einer vorgegebenen Durchströmungsrate angesteuert wird,
- Durchströmen eines Kathodentrakts (205) des Brennstoffzellenstapels (201) mit einem vorgegebenen und durch ein Gebläse (211) zum Versorgen des Kathodentrakts (205) mit Fluid bereitgestellten Durchströmungsmassenstrom, wobei während eines Übergangs der Kühlmitteltemperatur von dem ersten Kühlmitteltemperatursollwert zu dem zweiten Kühlmitteltemperatursollwert die Durchströmungsrate mit der das Purgeventil (207) angesteuert wird und der Durchströmungsmassenstrom reduziert werden und wobei die Durchströmungsrate und der Durchströmungsmassenstrom wieder erhöht werden, wenn die Kühlmitteltemperatur dem zweiten Kühlmitteltemperatursollwert entspricht.
5. Trocknungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitttemperatur des durch den Brennstoffzellenstapel (201) strömenden Kühlmittels mittels eines 3-Wege-Ventils (223) eingestellt wird, wobei zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur ein größerer Kühlmittelstrom über einen Kühler (221) des Brennstoffzellensystems (200) geleitet wird.
6. Trocknungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlmitteltemperatursollwert mittels einer Rampenfunktion sukzessive auf den zweiten Kühlmitteltemperaturschwellenwert reduziert wird.
7. Trocknungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmitteltemperaturschwellenwert mittels eines Maximums eines Applikationsparameters, einer Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems und einem vorgegebenen Varianzwert gebildet wird.
8. Trocknungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsverfahren in Reaktion auf einen Befehl zum Abstellen des Brennstoffzellensystems gestartet wird.
9. Brennstoffzellensystem (200) zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (200) umfasst:
- einen Brennstoffzellenstapel (201), der einen Anodentrakt (201) und einen Kathodentrakt (203) umfasst,
- ein Purgeventil (207) zum Auslassen von Fluid aus dem Anodentrakt (203),
- ein Dosierventil (209) zum Eindosieren von Fluid in den Anodentrakt (203),
- ein Gebläse (211) zum Zuführen eines Volumenstroms in den Kathodentrakt (205),
- ein Kühlsystem (213),
- eine Recheneinheit (215), wobei die Recheneinheit (215) dazu konfiguriert ist, ein Trocknungsverfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
10. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (213) ein 3-Wege-Ventil (223), eine Kühlmittelpumpe, die den Brennstoffzellenstapel (201) mit Kühlmittel versorgt, und einen Wärmetauscher, der mit einer Umgebung in Kontakt steht, umfasst, wobei das 3-Wege-Ventil (223) mit einer Leitung (219) zu einem Ausgang des Wärmetauschers, einer Leitung zu der Kühlmittelpumpe und einer Bypassleitung (225) verbunden ist, wobei die Bypassleitung (225) an der Kühlmittelpumpe und dem Brennstoffzellstapel (201) vorbeiläuft und mit einem Eingang des Wärmetauschers verbunden ist.
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