DE102023210286A1

DE102023210286A1 - METHOD FOR COOLING DOWN A FUEL CELL

Info

Publication number: DE102023210286A1
Application number: DE102023210286.2A
Authority: DE
Inventors: Remy Fontaine
Original assignee: Stellantis Auto SAS
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2023-10-19
Filing date: 2023-10-19
Publication date: 2025-04-24
Also published as: WO2025082666A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herunterkühlen einer mit wasserstoffhaltigem Brennstoff betriebenen Brennstoffzelle (1) hat die Schritte:a) Beenden (t1) der Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle (1);b) Kühlen (t1-t3) der Brennstoffzelle (1) mit niedriger Kühlleistung, um die Abführung von in der Brennstoffzelle (1) gebildetem Wasser aus der Brennstoffzelle als Wasserdampf zu ermöglichen; dannc) Kühlen (t3-t4) der Brennstoffzelle mit hoher Kühlleistung.A method for cooling down a fuel cell (1) operated with hydrogen-containing fuel has the steps of:a) terminating (t1) the supply of fuel to the fuel cell (1);b) cooling (t1-t3) the fuel cell (1) with low cooling capacity to enable the removal of water formed in the fuel cell (1) from the fuel cell as water vapor; thenc) cooling (t3-t4) the fuel cell with high cooling capacity.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herunterkühlen einer mit wasserstoffhaltigem Brennstoff betriebenen Brennstoffzelle.The present invention relates to a method for cooling down a fuel cell operated with hydrogen-containing fuel.

Während des kontinuierlichen Betriebs einer Brennstoffzelle entstehendes Wasser wird mit durch die Zelle zirkulierender Luft fortlaufend ausgespült. Wenn zum Beenden des Betriebs der Zelle die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird, wird in der Zelle enthaltender Restbrennstoff zumindest teilweise noch umgesetzt; gleichzeitig kann eine abnehmende Temperatur der Zelle aber dazu führen, dass beim Beenden der Brennstoffzufuhr in der Zelle enthaltener oder aus dem restlichen Brennstoff entstehender Wasserdampf nicht mehr ausgespült wird, sondern in der Zelle kondensiert. Das Kondenswasser ist unerwünscht, weil es nicht nur bei Wiederinbetriebnahme der Zelle Reaktionsoberfläche belegt und dadurch die Leistung der Brennstoffzelle vermindert und das Erreichen einer einheitlichen Betriebstemperatur der Zelle verzögert, sondern auch weil die Präsenz von heißem flüssigem Wasser in der ausgeschalteten Zelle Alterungsvorgänge begünstigt. Um das erstgenannte Problem zu lindern, haben Entwickler nach Wegen gesucht, kurze Betriebsunterbrechungen zu unterdrücken. Bei langen Betriebsunterbrechungen, etwa wenn ein von einer Brennstoffzelle angetriebenes Kraftfahrzug über Nacht abgestellt wird, ist ein Weiterbetrieb der Brennstoffzelle jedoch nicht praktikabel. Es besteht daher Bedarf nach einer Technik, die es ermöglicht, die störende Wirkung von bei einer Betriebsunterbrechung in der Brennstoffzelle zurückbleibendem Wasser zu minimieren.Water produced during continuous operation of a fuel cell is continuously flushed out by air circulating through the cell. When the fuel supply is interrupted to shut down the cell, any residual fuel contained in the cell is still at least partially converted; at the same time, however, a decreasing cell temperature can lead to water vapor contained in the cell or produced from the residual fuel no longer being flushed out when the fuel supply is shut down, but instead condensing inside the cell. Condensation is undesirable not only because it covers the reaction surface when the cell is restarted, thereby reducing the fuel cell's performance and delaying the cell's reaching a uniform operating temperature, but also because the presence of hot liquid water in the switched-off cell promotes aging processes. To alleviate the first problem, developers have sought ways to suppress short interruptions in operation. However, during long interruptions in operation, such as when a motor vehicle powered by a fuel cell is parked overnight, continued operation of the fuel cell is not practical. There is therefore a need for a technology that makes it possible to minimize the disruptive effect of water remaining in the fuel cell during an interruption in operation.

Aus EP 2 325 038 B1 ist ein Kühlkreislauf für eine Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem die Temperatur des zirkulierenden Kühlmittels abhängig vom Luftdruck variiert wird, um ein Austrocknen der Membran bei niedrigem Luftdruck bzw, ein Vernässen bei hohem Luftdruck zu vermeiden. Mit dem Problem eines Vernässens der Membran bei Außerbetriebnahme der Brennstoffzelle befasst die Schrift sich nicht.Out of EP 2 325 038 B1 A cooling circuit for a fuel cell in a motor vehicle is known in which the temperature of the circulating coolant is varied depending on the air pressure to prevent the membrane from drying out at low air pressure or from becoming wet at high air pressure. The document does not address the problem of the membrane becoming wet when the fuel cell is shut down.

Um das oben genannte Problem zu lösen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herunterkühlen einer mit wasserstoffhaltigem Brennstoff betriebenen Brennstoffzelle vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst:

a) Beenden der Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle;
b) Kühlen der Brennstoffzelle mit niedriger Kühlleistung, um die Abführung von in der Brennstoffzelle gebildetem Wasser aus der Brennstoffzelle als Wasserdampf zu ermöglichen; dann
c) Kühlen der Brennstoffzelle mit hoher Kühlleistung.

In order to solve the above-mentioned problem, the invention proposes a method for cooling down a fuel cell operated with hydrogen-containing fuel, which comprises the following steps:

a) stopping the supply of fuel to the fuel cell;
b) cooling the fuel cell with low cooling power to allow water formed in the fuel cell to be removed from the fuel cell as water vapor; then
c) Cooling the fuel cell with high cooling capacity.

Durch den Schritt b) wird eine Abkühlung der Brennstoffzelle, die in ihrem Innern zu Kondensation führen könnte, solange vermieden, bis zumindest ein Großteil des bei Beendigung der Brennstoffzufuhr in der Zelle enthaltenen oder danach aus Restbrennstoff noch entstehendem Wasserdampf entwichen ist. Die niedrige Kühlleistung kann auf die durch die Umsetzung des Restbrennstoffs entstehende Heizleitung abgestimmt sein, so dass die Temperatur der Zelle im Laufe des Schritts b) nicht wesentlich oder allenfalls so weit abnimmt, dass Kondensation im Laufe des Schritts b) ausgeschlossen werden kann.Step b) prevents cooling of the fuel cell, which could lead to condensation inside, until at least a large portion of the water vapor contained in the cell at the end of the fuel supply or subsequently formed from residual fuel has escaped. The low cooling capacity can be matched to the heating capacity generated by the conversion of the residual fuel, so that the temperature of the cell does not decrease significantly during step b), or at most decreases to such an extent that condensation can be ruled out during step b).

Indem so ein Großteil des beim Beenden der Brenstoffzufuhr in der Zelle vorhanden oder noch entstehenden Wassers aus der Zelle entfernt wird, kann die Menge an Flüssigwasser minimiert werden, die bei einem Neustart der Zelle in dieser Katalysatoroberfläche blockiert und dazu führen kann, dass an diesen blockierten Oberflächen anstelle von Umsetzung des Brennstoffs die Oberfläche selbst angreifende Reaktionen ablaufen. So wird die Alterung der Zelle verzögert.By removing a large portion of the water present or still being produced in the cell when the fuel supply is stopped, the amount of liquid water that becomes blocked in the catalyst surface when the cell is restarted can be minimized. This can lead to reactions that attack the surface itself instead of converting the fuel. This delays cell aging.

Um eine Neubildung von Wasser in Schritt c) zu verhindern, sollte der Schritt b) so lange durchgeführt werden, bis die Neubildung von Wasser aus bei Beendigung der Zufuhr in der Brennstoffzelle enthaltenem Brennstoff zum Erliegen gekommen ist. Die Neubildung kann zum Erliegen kommen, weil der Restbrennstoff verbraucht ist, oder weil die Zelle auf eine Temperatur abgekühlt worden, ist, die zwar für Kondensation noch zu hoch, für die katalytische Umsetzung des Brennstoffs aber zu niedrig ist. Nachdem durch die Abführung des Wasserdampfs die Latentwärme der Brennstoffzelle erheblich reduziert ist, genügt für diese Abkühlung in Schritt c) die Zufuhr einer kleinen Menge an Kühlmittel.To prevent the formation of new water in step c), step b) should be carried out until the formation of new water from fuel present in the fuel cell at the time the supply is terminated has ceased. New formation can cease because the remaining fuel has been consumed, or because the cell has cooled to a temperature that, while still too high for condensation, is too low for the catalytic conversion of the fuel. Since the latent heat of the fuel cell has been significantly reduced by the removal of the water vapor, the addition of a small amount of coolant is sufficient for this cooling in step c).

Das Kühlen kann mittels eines Kühlkreislaufs von aus EP 2 325 038 B1 an sich bekannter Struktur erfolgen, der einen ersten Wärmetauscher in thermischem Kontakt mit der Brennstoffzelle, einen zweiten Wärmetauscher in thermischem Kontakt mit einer Wärmesenke, typischerweise der Umgebungsluft, und eine Nebenschlussleitung umfasst, die einen Eingang und einen Ausgang des ersten Wärmetauschers unter Umgehung des zweiten Wärmetauschers miteinander verbindet. Um die unterschiedlichen Kühlleistungen der Schritte b) und c) zu realisieren, sollte ein über die Nebenschlussleitung zirkulierender Anteil des Kühlmittels in Schritt b) größer sein als in Schritt c).Cooling can be achieved by means of a cooling circuit from EP 2 325 038 B1 a structure known per se, comprising a first heat exchanger in thermal contact with the fuel cell, a second heat exchanger in thermal contact with a heat sink, typically the ambient air, and a shunt line connecting an inlet and an outlet of the first heat exchanger, bypassing the second heat exchanger. In order to achieve the different cooling capacities of steps b) and c), the proportion of coolant circulating via the shunt line should be greater in step b) than in step c).

Vorzugsweise ist der in Schritt c) der über die Nebenschlussleitung zirkulierende Anteil des Kühlmittels Null.Preferably, in step c) the proportion of the coolant circulating via the shunt line is zero.

In Schritt b) kann ein kleiner Teil des Kühlmittels über den zweiten Wärmetauscher zirkulieren, vorzugsweise aber nur in einem zweiten von zwei Teilschritten des Schritts b), um so die zusätzliche Kühlwirkung, die unvermeidlicherweise damit verbunden ist, dass Kühlfluid aus dem zweiten Wärmetauscher sich mit dem Kühlmittelstrom aus der Nebenschlussleitung an einem Zusammenfluss beider mischt, zeitlich hinauszuzögern.In step b), a small portion of the coolant may circulate via the second heat exchanger, but preferably only in a second of two sub-steps of step b), so as to delay the additional cooling effect inevitably associated with cooling fluid from the second heat exchanger mixing with the coolant flow from the bypass line at a confluence of the two.

Vorzugsweise ist die Menge des Kühlmittels, das in Schritt b) durch den zweiten Wärmetauscher zirkuliert, nicht größer als das Fassungsvermögen des zweiten Wärmetauschers und einer Leitung, die den zweiten Wärmetauscher mit einem Zusammenfluss verbindet, an dem sie mit der Nebenschlussleitung zusammentrifft. Kühlmittel, das während des Schritts b) in den zweiten Wärmetauscher eintritt, gelangt daher während des Schritts b) nicht weiter als bis zum Zusammenfluss und vermischt sich nicht mit dem Kühlmittel, das über die Nebenschlussleitung zirkuliert. Aufgrund der sehr langen Verweildauer erreicht das Kühlmittel im zweiten Wärmetauscher praktisch Umgebungstemperatur und kann daher, wenn es in Schritt c) den ersten Wärmetauscher erreicht, die Brennstoffzelle sehr schnell herunterkühlen,Preferably, the amount of coolant circulating through the second heat exchanger in step b) is no greater than the capacity of the second heat exchanger and a line connecting the second heat exchanger to a confluence where it meets the shunt line. Coolant entering the second heat exchanger during step b) therefore does not travel further than the confluence during step b) and does not mix with the coolant circulating via the shunt line. Due to the very long residence time, the coolant in the second heat exchanger practically reaches ambient temperature and can therefore cool the fuel cell very quickly when it reaches the first heat exchanger in step c).

Um dieses sehr kalte Kühlmittel bestmöglich zu nutzen, sollte in Schritt c) die Zirkulation des Kühlmittels durch den ersten Wärmetauscher beendet werden, wenn der erste Wärmetauscher mit während des Schritts b) im zweiten Wärmetauscher abgekühltem Kühlmittel geflutet ist.In order to make the best possible use of this very cold coolant, the circulation of the coolant through the first heat exchanger should be stopped in step c) when the first heat exchanger is flooded with coolant cooled in the second heat exchanger during step b).

Um die Zirkulation des Kühlmittels zum gegebenen Zeitpunkt schnell und präzise stoppen zu können, kann eine Pumpe des Kühlmittelkreislaufs in Schritt c) mit niedrigerem Durchsatz betrieben werden als in Schritt b).In order to be able to stop the circulation of the coolant quickly and precisely at the given time, a pump of the coolant circuit can be operated at a lower flow rate in step c) than in step b).

Wenn dem zweiten Wärmetauscher in für einen Kraftfahrzeugkühler üblicher Weise ein Ventilator zugeordnet ist, kann der Ventilator während des Schritts b) betrieben werden, um das Kühlmittel, das erst im Schritt c) den ersten Wärmetauscher erreichen wird, effizient zu kühlen.If a fan is associated with the second heat exchanger in the manner usual for a motor vehicle radiator, the fan can be operated during step b) in order to efficiently cool the coolant which will only reach the first heat exchanger in step c).

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur. Es zeigen:

1-4 jeweils ein Blockdiagramm eines Kühlmittelkreises in verschiedenen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5 die zeitliche Entwicklung der Stellung eines Verteilerventils, des Durchsatzes einer Pumpe und der Drehzahl eines Ventilators des Kühlmittelkreises im Laufe des Verfahrens.

Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. They show:

1-4 each a block diagram of a coolant circuit in different phases of the method according to the invention, and
5 the temporal evolution of the position of a distribution valve, the flow rate of a pump and the speed of a fan of the coolant circuit during the process.

1 zeigt stark schematisiert einen Kühlmittelkreis eines Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb, dessen Motor von einer Brennstoffzelle 1 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Brennstoffzelle 1 ist gekühlt durch einen ersten Wärmetauscher 2. Im stationären Betrieb der Brennstoffzelle 1 fließt im Wärmetauscher 2 erwärmtes Kühlmittel über einen warmen Leitungszweig 3 zu einen zweiten Wärmetauscher 4, um dort seine Wärme an einen von einem Ventilator 5 oder von Fahrtwind angetriebenen Umgebungsluftstrom abzugeben. Im Wärmetauscher 4 abgekühltes Kühlmittel kehrt über einen kalten Leitungszweig 6 zurück zum ersten Wärmetauscher 2. Eine Pumpe 7 zum Umwälzen des Kühlmittels ist im kalten Leitungszweig 6 angeordnet. 1 shows a highly schematic view of a coolant circuit of an electric motor vehicle whose engine is supplied with electrical energy by a fuel cell 1. The fuel cell 1 is cooled by a first heat exchanger 2. During stationary operation of the fuel cell 1, coolant heated in the heat exchanger 2 flows via a warm line branch 3 to a second heat exchanger 4, where it transfers its heat to an ambient air flow driven by a fan 5 or by the airstream. Coolant cooled in the heat exchanger 4 returns to the first heat exchanger 2 via a cold line branch 6. A pump 7 for circulating the coolant is arranged in the cold line branch 6.

Eine Nebenschlussleitung 8 erstreckt sich von einem Verteilerventil 9 im warmen Leitungszweig 3 zu einem Zusammenfluss 10, der stromaufwärts von der Pumpe 7 im kalten Leitungszweig 6 angeordnet ist. Das Verteilerventil 9 ist eingerichtet, den Strom des Kühlmittels zu vorgegebenen, veränderlichen Anteilen auf den Wärmetauscher 4 und die Nebenschlussleitung 8 zu verteilen. Da eine direkte Beaufschlagung des ersten Wärmetauschers 2 mit Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 4 zu einer lokalen Unterkühlung der Brennstoffzelle 1 führen würde, wird das Aufteilungsverhältnis am Verteilerventil 9 von einer Steuereinheit 11 so vorgegeben, dass am Eingang des Wärmetauschers 2 eine gewünschte Kühlmitteltemperatur nicht weit unter einer Sollbetriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 erreicht wird.A bypass line 8 extends from a distribution valve 9 in the warm line branch 3 to a confluence 10, which is arranged upstream of the pump 7 in the cold line branch 6. The distribution valve 9 is configured to distribute the flow of coolant in predetermined, variable proportions to the heat exchanger 4 and the bypass line 8. Since direct application of coolant from the heat exchanger 4 to the first heat exchanger 2 would lead to local subcooling of the fuel cell 1, the distribution ratio at the distribution valve 9 is predetermined by a control unit 11 such that a desired coolant temperature not far below a target operating temperature of the fuel cell 1 is reached at the inlet of the heat exchanger 2.

Im stationären Betrieb wird die Brennstoffzelle 1 kontinuierlich mit Wasserstoff aus einem Tank 12 und mit verdichteter Luft von einem Kompressor 13 versorgt, und ein Strom von Abluft und Wasserdampf entweicht über einen Auslass 14.During stationary operation, the fuel cell 1 is continuously supplied with hydrogen from a tank 12 and with compressed air from a compressor 13, and a stream of exhaust air and water vapor escapes via an outlet 14.

Wenn das Fahrzeug anhält und ausgeschaltet wird, zum Zeitpunkt t1 der Fig, 5, endet die Zufuhr von Wasserstoff vom Tank 12 zur Brennstoffzelle 1; es sind aber noch Wasserdampf, Luft und Wasserstoff in ihr enthalten, so dass auch nach Beendigung der Zufuhr noch weiterer Wasserdampf gebildet wird. Der Kompressor 13 kann mit der Wasserstoffzufuhr ausgeschaltet werden, denkbar ist aber auch, ihn noch eine Zeitlang nachlaufen zu lassen, um Wasserdampf aus der Brennstoffzelle herauszuspülen. Auf jeden Fall wird der Kompressor 13 bis zu einem später noch genauer beschriebenen Zeitpunkt t3 ausgeschaltet.When the vehicle stops and is switched off, at time t1 in Fig. 5, the supply of hydrogen from tank 12 to fuel cell 1 ceases; however, it still contains water vapor, air, and hydrogen, so that even after the supply has ended, further water vapor is formed. The compressor 13 can be switched off with the hydrogen supply, but it is also conceivable to leave it running for a while to flush water vapor out of the fuel cell. In any case, the compressor 13 is switched off until a time t3, which will be described in more detail later.

Zum Zeitpunkt t1 legt die Steuereinheit 11 das Aufteilungsverhältnis auf 100% über die Nebenschlussleitung 8 fest, d.h. das Kühlmittel zirkuliert unter Umgehung des Wärmetauschers 4, wie in 1 durch dicke Linien entlang eines Teils der Leitungszweige 3, 6 und der Nebenschlussleitung 8 veranschaulicht. Da die Brennstoffzelle 1 so nur wenig Wärme abgibt, andererseits aber durch Umsetzung von restlichem Wasserstoff in der Brennstoffzelle 1 weiterhin Wärme erzeugt wird, ändert sich deren Temperatur allenfalls geringfügig; auf jeden Fall bleibt sie warm genug, um eine Kondensation von Wasser in der Brennstoffzelle 1 unmöglich zu machen, so dass der Wasserdampf über den Auslass 14 entweichen kann.At time t1, the control unit 11 sets the distribution ratio to 100% via the secondary connection line 8, ie the coolant circulates bypassing the heat exchanger 4, as in 1 illustrated by thick lines along part of the line branches 3, 6 and the shunt line 8. Since the fuel cell 1 thus releases only a small amount of heat, but on the other hand, heat is still generated by the conversion of residual hydrogen in the fuel cell 1, its temperature changes at most slightly; in any case, it remains warm enough to make condensation of water in the fuel cell 1 impossible, so that the water vapor can escape via the outlet 14.

Zu einem späteren Zeitpunkt t2, vorzugsweise noch bevor der Abfluss des Wasserdampfs aus der Brennstoffzelle 1 vollständig abgeschlossen ist, gibt das Verteilerventil 9 den Weg über den Wärmetauscher 4 in geringem Umfang wieder frei. Wie in der mit Pos(9) bezeichneten oberen Kurve der 5 angedeutet, kann diese Freigabe darin bestehen, dass kontinuierlich ein geringer Anteil des Kühlmittels zum Wärmetauscher 4 geleitet wird, oder dass das Verteilerventil 9 den Weg zum Wärmetauscher 4 jeweils nur impulsartig für eine kurze Zeitspanne, dafür aber mit einem hohen Anteil, freigibt.At a later time t2, preferably before the outflow of water vapor from the fuel cell 1 is completely completed, the distribution valve 9 releases the path via the heat exchanger 4 to a small extent. As can be seen in the upper curve of the 5 As indicated, this release can consist in a small proportion of the coolant being continuously directed to the heat exchanger 4, or in the distribution valve 9 releasing the path to the heat exchanger 4 only in pulses for a short period of time, but with a high proportion.

So erreicht breitet sich das warme Kühlmittel im Laufe der Zeit bis zum Wärmetauscher 4 aus (2).In this way, the warm coolant spreads over time to the heat exchanger 4 ( 2 ).

Wenn zu einem Zeitpunkt t3 der Druck zwischen dem Innern der Brennstoffzelle 1 und der Umgebung im Wesentlichen ausgeglichen und die Reaktion zum Erliegen gekommen ist, entweicht kein weiterer Wasserdampf mehr über den Auslass 14. Die Zeitspanne vom Ausschalten des Fahrzeugs t1 bis zu diesem Zeitpunkt ist entweder durch den Aufbau des Brennstoffzellensystems vorgegeben und bekannt, oder sie kann von der Steuereinheit 11 festgelegt werden, indem sie den Abfluss über ein Ventil 15 am Auslass 14 steuert. Im einen wie im anderen wählt die Steuereinheit 11 den Zeitpunkt t2 und das Verteilungsverhältnis des Verteilerventils 9 so, dass das vom Verteilerventil seit dem Zeitpunkt t2 durchgelassene Kühlmittel den Wärmetauscher 4 und eventuell einen Teil des kalten Leitungszweigs stromaufwärts vom Zusammenfluss 10 ausfüllt (s. 3), aber nicht über den Zusammenfluss 10 hinaus vorgedrungen ist und folglich auch noch nicht begonnen hat, vermischt mit dem Kühlmittel aus der Nebenschlussleitung 8 die Brennstoffzelle 1 zu kühlen.When, at a time t3, the pressure between the interior of the fuel cell 1 and the environment has essentially equalized and the reaction has come to a standstill, no further water vapor escapes via the outlet 14. The time period from the vehicle shutdown t1 to this time is either predetermined and known by the design of the fuel cell system, or it can be determined by the control unit 11 by controlling the outflow via a valve 15 at the outlet 14. In both cases, the control unit 11 selects the time t2 and the distribution ratio of the distribution valve 9 such that the coolant passed through by the distribution valve since time t2 fills the heat exchanger 4 and possibly part of the cold line branch upstream of the confluence 10 (see 3 ), but has not penetrated beyond the confluence 10 and consequently has not yet begun to cool the fuel cell 1 mixed with the coolant from the shunt line 8.

Das Kühlmittel im Wärmetauscher 4 hat einen Großteil des Zeitintervalls [t2, t3] zur Verfügung gehabt, um sich, unterstützt von dem zu dieser Zeit wie im Diagramm v(5) der 5 gezeigt mit hoher Drehzahl laufenden Ventilator 5, auf die Umgebungstemperatur abzukühlen. Diese abgekühlte Portion Kühlmittel ist in 3 und 4 jeweils durch eine fette punktierte Linie bezeichnet.The coolant in heat exchanger 4 has had a large part of the time interval [t2, t3] available to heat up, supported by the temperature at that time as shown in diagram v(5) of the 5 shown with high speed fan 5, to cool down to the ambient temperature. This cooled portion of coolant is in 3 and 4 each indicated by a bold dotted line.

Zum Zeitpunkt t3 schaltet die Steuereinheit 11 das Verteilerventil 9 in eine Stellung, in der der gesamte Strom der Kühlflüssigkeit über den Wärmetauscher 4 geleitet wird. Dadurch setzt das darin gesammelte kalte Kühlmittel sich in Richtung des Wärmetauschers 2 in Bewegung. Da der Strom über die Nebenschlussleitung 8 unterbrochen ist, findet am Zusammenfluss 10 keine Durchmischung statt, und die Kühlflüssigkeit erreicht die Brennstoffzelle 1 im Wesentlichen ohne ihre Temperatur zu ändern.At time t3, the control unit 11 switches the distribution valve 9 to a position in which the entire flow of the coolant is directed through the heat exchanger 4. This causes the cold coolant collected therein to move toward the heat exchanger 2. Since the flow through the shunt line 8 is interrupted, no mixing occurs at the confluence 10, and the coolant reaches the fuel cell 1 essentially without changing its temperature.

Nach dem Zeitpunkt t3 reduziert die Steuereinheit 11 den Durchsatz der Pumpe 7, wie im mittleren Diagramm q(7) der 5 gezeigt. Sobald die umgewälzte Menge so groß ist, dass der Wärmetauscher 2 mit dem kalten Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 4 ausgefüllt ist, stoppt die Steuereinheit 11 die Pumpe 7 (Zeitpunkt t4 in 5), und das kalte Kühlmittel bleibt im Wärmetauscher 2 stehen. Da die Menge des Wasserdampfs in der Brennstoffzelle 1 zum Zeitpunkt t4 bereits wesentlich kleiner ist als zum Zeitpunkt t1, ist die Latentwärme der Brennstoffzelle 1 erheblich reduziert, und es genügt eine einmalige Füllung des Verdampfers 2 mit dem kalten Kühlmittel, damit die Brennstoffzelle 1 einen Temperaturbereich, in dem heißes flüssiges Wasser die Oberflächen der Brennstoffzelle 1 angreifen kann, in kurzer Zeit durchläuft.After time t3, the control unit 11 reduces the flow rate of the pump 7, as shown in the middle diagram q(7) of the 5 As soon as the circulated quantity is so large that the heat exchanger 2 is filled with the cold coolant from the heat exchanger 4, the control unit 11 stops the pump 7 (time t4 in 5 ), and the cold coolant remains in the heat exchanger 2. Since the amount of water vapor in the fuel cell 1 at time t4 is already significantly smaller than at time t1, the latent heat of the fuel cell 1 is considerably reduced, and a single filling of the evaporator 2 with the cold coolant is sufficient for the fuel cell 1 to pass through a temperature range in which hot liquid water can attack the surfaces of the fuel cell 1 in a short time.

Da Kühlmittel, das erst nach dem Zeitpunkt t3 den Wärmetauscher 4 erreicht, zum Kühlen der Brennstoffzelle 1 nicht mehr zum Einsatz kommt, kann die Steuereinheit 11 wie in 5 gezeigt den Ventilator 5 nach dem Zeitpunkt t3 auslaufen lassen.Since coolant that reaches the heat exchanger 4 only after the time t3 is no longer used to cool the fuel cell 1, the control unit 11 can be operated as in 5 shown, let the fan 5 run down after time t3.

BezugszeichenReference symbol

11: Brennstoffzellefuel cell
22: Wärmetauscherheat exchanger
33: warmer Leitungszweigwarm line branch
44: Wärmetauscherheat exchanger
55: Ventilatorfan
66: kalter Leitungszweigcold line branch
77: Pumpepump
88: Nebenschlussleitungshunt line
99: Verteilerventildistribution valve
1010: Zusammenflussconfluence
1111: SteuereinheitControl unit
1212: Tanktank
1313: Kompressorcompressor
1414: AuslassOutlet
1515: Ventilvalve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2 325 038 B1 [0003, 0008]

Claims

A method for cooling a fuel cell (1) operated with hydrogen-containing fuel, comprising the steps of: a) terminating (t1) the supply of fuel to the fuel cell (1); b) cooling (t1-t3) the fuel cell (1) with low cooling capacity to enable the removal of water formed in the fuel cell (1) from the fuel cell as water vapor; then c) cooling (t3-t4) the fuel cell with high cooling capacity.

Procedure according to Claim 1 , in which step b) is carried out until the formation of new water from fuel contained in the fuel cell (1) at the end of the supply has ceased.

Procedure according to Claim 1 or 2 , in which the cooling takes place by means of a cooling circuit which comprises a first heat exchanger (2) in thermal contact with the fuel cell (1), a second heat exchanger (4) in thermal contact with a heat sink and a shunt line (8) which connects an inlet and an outlet of the first heat exchanger (2) while bypassing the second heat exchanger (4), wherein a proportion of the coolant circulating via the shunt line (8) in step b) (t1-t3) is greater than in step c) (t3-t4).

Procedure according to Claim 3 , in which in step c) the proportion of the coolant circulating via the shunt line (8) is zero.

Procedure according to Claim 3 or 4 , in which the quantity of coolant circulating through the second heat exchanger (4) is zero in a first sub-step (t1-t2) of step b) and different from zero in a second sub-step (t2-t3).

Method according to one of the Claims 3 until 5 , wherein the quantity of coolant circulating through the second heat exchanger (4) in step b) is not greater than the capacity of the second heat exchanger (4) and a line connecting the second heat exchanger (4) to a confluence (10) where it meets the bypass line (8).

Method according to one of the Claims 3 until 6 , in which in step c) the circulation of the coolant through the first heat exchanger (2) is terminated (t4) when the first heat exchanger (2) is flooded with coolant cooled in the second heat exchanger (4) during step b).

Method according to one of the Claims 3 until 7 , in which the coolant circuit has a pump (7) and the pump (7) is operated in step c) (t3-t4) with a lower throughput than in step b).

Method according to one of the Claims 3 until 8 , in which a fan (5) is assigned to the second heat exchanger (4) and the fan (5) is operated during step b).