AT527709B1

AT527709B1 - Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: AT527709B1
Application number: ATA50879/2023A
Authority: AT
Inventors: Schubert Dipl -Ing Thomas; Zimmermann Dipl -Ing Jörg
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2023-11-06
Filing date: 2023-11-06
Publication date: 2025-08-15
Also published as: WO2025097192A1; AT527709A1; DE112024002294A5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystems (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: - Betreiben einer Kompressorvorrichtung (136) in einem Kathodenzuführabschnitt (132) des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (110) mit einer Reservedrehzahl (RD) zur Erzeugung eines Reservemassenstroms (RM) an Kathodenzuführgas (KZG), wobei der Reservemassenstrom (RM) um einen Differenzmassenstrom (DM) größer als ein für die aktuelle Lastanforderung (LA) benötigter Sollmassenstrom (SM) des Kathodenzuführgases (KZG) ist, - Führen des Differenzmassenstroms (DM) über ein wenigstens teilweise geöffnetes Kathodenbypassventil (142) in einem Kathodenbypassabschnitt (140) zwischen einem Kathodenzuführabschnitt (132) und einem Kathodenabführabschnitt (134) des Brennstoffzellensystems (100) zum Erzeugen eines Kathodenbypass-Massenstroms (KBM) an Kathodenzuführgas (KZG) an dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110) vorbei, - Erfassen einer kurzfristigen, erhöhten Lastanforderung (LA) für das Brennstoffzellensystem (100), - Bestimmen des für die erfasste erhöhte Lastanforderung (LA) notwendigen erhöhten Sollmassenstroms (SM), - Zumindest teilweises Schließen des Kathodenbypassventils (142) zum reduzieren des Kathodenbypass-Massenstroms (KBM) zum Erzielen des erhöhten Sollmassenstroms (SM).

Description

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Beschreibung

KONTROLLVERFAHREN FÜR EINE KONTROLLE EINER KURZFRISTIGEN LASTERHÖHUNG EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystems, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Kontrollverfahrens, eine Kontrollvorrichtung für eine Durchführung eines solchen Kontrollverfahrens sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Kontrollvorrichtung.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme je nach Einsatzgebiet mit unterschiedlich dynamischen Lastanforderungen zurechtkommen müssen. Insbesondere für den Fahrbetrieb bei Fahrzeugen wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder auch Zügen kann es dabei zu sehr dynamischen Lastwechseln kommen. Eine solche dynamische Lastwechselsituation liegt dann vor, wenn eine kurzfristige Lasterhöhung notwendig wird. Unter einer kurzfristigen Lasterhöhung kann insbesondere eine sprunghafte Erhöhung der Lastanforderung verstanden werden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Steigung bewältigt werden muss, bei einem Kraftfahrzeug ein Überholvorgang durchgeführt werden soll oder Ähnliches.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die Dynamik für kurzfristige Lasterhöhungen bei Brennstoffzellensystemen begrenzt ist. Ein begrenzender Faktor ist dabei die Luftzufuhr in den Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. Diese wird üblicherweise durch eine Kompressorvorrichtung kontrolliert, welche entsprechend dem aktuellen Luftbedarf als Kathodenzuführgas auf- oder abgeregelt wird. Für eine erfasste kurzfristige Lasterhöhung muss entsprechend die Drehzahl der Kompressorvorrichtung so schnell wie möglich gesteigert werden, um für die Erfüllung der erhöhten Lastanforderung eine entsprechend erhöhte Luftzufuhr als Kathodenzuführgas gewährleisten zu können. Diess Vorgehen ist durch die Dynamik der Kontrolle einer solchen Kompressorvorrichtung begrenzt. Das Erhöhen der Drehzahl entlang einer Rampe für eine solche Kompressorvorrichtung ist dabei zum Beispiel im Bereich von ein oder mehreren Sekunden durchführbar, was üblicherweise im Vergleich zu der sprunghaften Erhöhung einer Lastanforderung nicht ausreicht. Bei bekannten Lösungen muss entsprechend das Brennstoffzellensystem langsamer nachfolgen und durch die geringere Dynamik geht am Fahrzeug Schwung verloren.

[0004] Ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystems ist beispielsweise aus der DE 102017201781 A1 bekannt.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kontrolldynamik an einem Brennstoffzellensystem zu verbessern.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 7, eine Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäß en Computerprogrammprodukt, der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung sowie dem erfindungsgemäß en Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0007] Erfindungsgemäß dient ein Kontrollverfahren der Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel. Ein solches

Kontrollverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: - Betreiben einer Kompressorvorrichtung in einem Kathodenzuführabschnitt des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels mit einer Reservedrehzahl zur Erzeugung eines Re-

servemassenstroms an Kathodenzuführgas, wobei der Reservemassenstrom um einen Differenzmassenstrom größer als ein für die aktuelle Lastanforderung benötigter Sollmassenstrom des Kathodenzuführgases ist,

- Führen des Differenzmassenstroms über ein wenigstens teilweise geöffnetes Kathodenbypassventil in einem Kathodenbypassabschnitt zwischen einem Kathodenzuführabschnitt und einem Kathodenabführabschnitt des Brennstoffzellensystems zum Erzeugen eines Kathodenbypass-Massenstroms an Kathodenzuführgas an dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel vorbei,

- Erfassen einer kurzfristigen, erhöhten Lastanforderung für das Brennstoffzellensystem,

- Bestimmen des für die erfasste erhöhte Lastanforderung notwendigen erhöhten Sollmassenstroms,

- zumindest teilweises Schließen des Kathodenbypassventils zum Reduzieren des Kathodenbypass-Massenstroms zum Erzielen des erhöhten Sollmassenstroms.

[0008] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, dass in der normalen Betriebsweise das Kontrollverfahren das Brennstoffzellensystem auf kurzfristige, erhöhte Lastanforderungen vorbereitetet. Unter einer kurzfristigen, erhöhten Lastanforderung ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung eine spontane oder auch sprunghafte erhöhte Lastanforderung zu verstehen. Mit anderen Worten handelt es sich hier um eine Lastanforderung, die sich nicht langsam, rampenförmig erhöht, sondern stufenartig oder sprungartig von einem niedrigen Wert auf einen hohen Wert ansteigt. Insbesondere ist die Kurzfristigkeit dieser erhöhten Lastanforderung deutlich dynamischer als die Regeldynamik einer Kompressorvorrichtung folgen könnte.

[0009] Erfindungsgemäß wird nun die Kompressorvorrichtung in einem Kathodenzuführabschnitt mit einer Reservedrehzahl betrieben. Die Kompressorvorrichtung dient der Luftzufuhr als Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. Mit der Reservedrehzahl wird die Kompressorvorrichtung nun einen Reservemassenstrom an Kathodenzuführgas erzeugen, welcher mit dem tatsächlichen Wert der Reservedrehzahl korreliert. Im erfindungsgemäßen Kontrollverfahren wird die Reservedrehzahl so vorgegeben, dass der entstehende Reservemassenstrom größer ist als der tatsächlich benötigte Sollmassenstrom für die Erfüllung der aktuellen Lastanforderung. Beispielsweise kann der Reservemassenstrom 10%, 20%, 50% oder auch 100% größer sein als der aktuell benötigte Sollmassenstrom.

[0010] Mit anderen Worten wird die Kompressorvorrichtung mit einer, für die aktuelle Lastanforderung zu hohen, Reservedrehzahl betrieben, sodass sich ein für den aktuellen Sollmassenstrom eigentlich zu hoher Reservemassenstrom einstellt. Die Differenz zwischen dem aktuell benötigten Sollmassenstrom und dem erzeugten Reservemassenstrom wird erfindungsgemäß als Differenzmassenstrom bezeichnet. Da der Differenzmassenstrom nun für die aktuelle Lastanforderung für die chemische Umsetzung im Brennstoffzellenstapel nicht benötigt wird, kann er im erfindungsgemäßen Kontrollverfahren nun am Brennstoffzellenstapel vorbeigeführt werden. Dies geschieht in kontrollierter Weise über ein zumindest teilweise geöffnetes Kathodenbypassventil in einem Kathodenbypassabschnitt. Mit anderen Worten wird die Kompressorvorrichtung nun den Reservemassestrom erzeugen, welcher anschließend aufgeteilt wird mit Hilfe des Kathodenbypassventils in den abgeführten Differenzmassenstrom, welcher als Kathodenbypass-Massenstrom am Brennstoffzellenstapel vorbeigeführt wird, und den verbleibenden Sollmassenstrom, welcher durch den Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung der elektrischen Energie geführt wird.

[0011] Im Kathodenabführabschnitt kommen aus dem Sollmassenstrom des Kathodenzuführgases das erzeugte Kathodenabgas und der Kathodenbypass-Massenstrom an Kathodenzuführgas wieder zusammen und können in die Umgebung abgeführt oder gemeinsam einer Nachbehandlung zugeführt werden.

[0012] Der erste Teil der vorliegenden Erfindung beruht also darauf, die Kompressorvorrichtung mit einer höheren Reservedrehzahl zu betreiben als für die aktuelle Lastanforderung notwendig ist und den erzeugten erhöhten Massenstrom aufzuteilen. Anschließend erfolgt ein Führen des nicht benötigten Differenzmassenstroms über den Kathodenbypassabschnitt am Brennstoffzellenstapel vorbei.

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[0013] Tritt nun in dieser Betriebssituation eine kurzfristige, erhöhte Lastanforderung auf, so ist die Kompressorvorrichtung und damit auch das Brennstoffzellensystem vorbereitet. Während bei bekannten Lösungen diese kurzfristige Erhöhung der Lastanforderung nun zu einem Anheben der Drehzahl der Kompressorvorrichtung mit der entsprechend begrenzten Dynamik führen würde, kann erfindungsgemäß die Kompressorvorrichtung sogar mit gleicher Reservedrehzahl weiterbetrieben werden. Für die Erfüllung des nun erhöhten Sollmassenstroms kann zumindest ein Teil des bereits vorhandenen und bisher am Brennstoffzellenstapel vorbeigeführten Differenzmassenstroms direkt verwendet werden. Der Differenzmassenstrom steht dabei bereits zum Zeitpunkt der Erfassung der kurzfristigen erhöhten Lastanforderung zur Verfügung und kann durch ein hochdynamisches Ändern der Schließstellung des Kathodenbypassventils entsprechend angepasst werden, insbesondere reduziert werden. Durch das teilweise und sehr dynamische Schließen des Kathodenbypassventils reduziert sich der Kathodenbypass-Massenstrom und damit der Differenzmassenstrom und in gleicher Weise erhöht sich der dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Ist-Massenstrom.

[0014] Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, wird nun die Kompressorvorrichtung durch den Betrieb mit der eigentlich zu hohen Reservedrehzahl aus der Kontrolldynamik bei der Erfassung einer kurzfristig erhöhten Lastanforderung sozusagen ausgekoppelt. Um ein hochdynamisches Nachregeln oder Nachjustieren auf eine kurzfristige erhöhte Lastanforderung zur Verfügung zu stellen, ist nun ein entsprechend hoch dynamisch kontrollierbares Kathodenbypassventil verwendbar. Im Vergleich zu Kompressorvorrichtungen sind Ventilvorrichtungen deutlich dynamischer kontrollierbar und können insbesondere in wenigen Millisekunden zwischen unterschiedlichen Schließstellungen variiert werden. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass das Kathodenbypassventil im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein rein qualitativ schaltendes Ventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung sein kann. Bevorzugt ist jedoch eine deutlich feinere Kontrollierbarkeit, welche insbesondere durch ein quantitativ kontrollierbares Kathodenbypassventil zur Verfügung gestellt wird.

[0015] Durch die erfindungsgemäße Kontrolllogik wird nun ohne einen konstruktiven Eingriff in die Kompressorvorrichtung die Kontrolldynamik in der Reaktion auf kurzfristig erhöhte Lastanforderungen deutlich verbessert und insbesondere von der Kompressor-Kontrolldynamik auf die Ventil-Kontrolldynamik verbessert. Insgesamt kann dies sogar dazu führen, dass nicht nur die gleiche Kompressorvorrichtung, sondern sogar eine kostengünstigere Kompressorvorrichtung verwendet werden kann, da eine geringere Kontrolldynamik zu einem kontinuierlicheren, insbesondere sogar einem statischen, Betrieb der Kompressorvorrichtung führt. Die Kontrollanforderungen wie auch die Betriebsanforderungen an die Kompressorvorrichtung sinken auf diese Weise.

[0016] Bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren wird die Kompressorvorrichtung mit einer konstanten oder im Wesentlichen konstanten Reservedrehzahl betrieben, wobei der Differenzmassenstrom in Abhängigkeit von der aktuellen Lastanforderung variiert. Dabei handelt es sich um eine besonders schonende Betriebsweise für die Kompressorvorrichtung. Die Kompressorvorrichtung kann zum Beispiel auf einer definierten Reservedrehzahl betrieben werden und jegliche Kontrolle über diesen konstanten Zeitbereich variiert ausschließlich den Differenzmassenstrom durch unterschiedliche quantitative Schließstellungen des Kathodenbypassventils. Eine auf diese Weise besonders konstante Betriebsweise der Kompressorvorrichtung kann zum einen zu einem reduzierten Verschleiß und zum anderen sogar zu einer Auswahlmöglichkeit einer kostengünstigeren und einfacheren Kompressorvorrichtung führen. Die auf diese Weise konstant gehaltene Reservedrehzahl ist insbesondere hoch genug gewählt, um alle zu erwartenden Lastspitzen in Form kurzfristiger, erhöhter Lastanforderungen entsprechend abpuffern zu können.

[0017] Beim Kontrollverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist die konstante oder im Wesentlichen konstante Reservedrehzahl mehr als 60%, insbesondere mehr als 70%, bevorzugt mehr als 80%, besonders bevorzugt mehr als 90% der maximalen Drehzahl der Kompressorvorrichtung ist. Mit anderen Worten wird die Kompressorvorrichtung mit einer bezogen auf die Maximaldrehzahl relativ hohen Reservedrehzahl konstant betrieben. Dies erlaubt es, konstant die Maximalleistung in Form der Maximaldrehzahl der Kompressorvorrichtung im Wesentlichen auszu-

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nutzen und die Kompressorvorrichtung auf diese konstante Reservedrehzahl hinsichtlich Verschleiß und Dauerstabilität auszulegen. Je höher die Reservedrehzahl konstant gewählt wird, umso höher ist der entsprechende Puffer und umso passender ist die Maximaldrehzahl für alle Lastspitzen des Brennstoffzellensystems angepasst.

[0018] Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem nicht zur Erfindung gehörenden Kontrollverfahren die Reservedrehzahl der Kompressorvorrichtung variiert wird für eine Erzeugung eines konstanten oder im Wesentlichen konstanten Differenzmassenstroms. So kann immer oder zumindest zeitweise nun auch die Reservedrehzahl sozusagen nachgeführt oder nachgeregelt werden. Wird eine kurzfristige erhöhte Lastanforderung erfasst, so wird der Sollmassenstrom entsprechend durch das Schließen des Kathodenbypassventils erhöht. Anschließend kann nun, unabhängig von der benötigten Kontrolldynamik für die Leistung des Brennstoffzellensystems, die Reservedrehzahl entsprechend der für die Kompressorvorrichtung möglichen Kontrolldynamik langsam nacherhöht werden, um wieder auf einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Differenzmassenstrom bei erhöhtem Sollmassenstrom zu kommen. Mit anderen Worten wird die Reservedrehzahl so nachgeführt, dass immer ein gleicher Puffer in Form eines konstanten oder im Wesentlichen konstanten Differenzmassenstroms vorhanden ist.

[0019] Vorteile kann es weiter mit sich bringen, wenn bei einem nicht zur Erfindung gehörenden Kontrollverfahren die Reservedrehzahl der Kompressorvorrichtung stufenweise variiert wird für eine Überschreitung eines minimalen Differenzmassenstroms. Eine solche Kontrolle erlaubt es, sicherzustellen, dass der Differenzmassenstrom nicht unter ein gewünschtes Minimum fällt. Dieser minimale Differenzmassenstrom stellt dementsprechend den minimalen Puffer dar und kann mit einer minimal auszugleichenden kurzfristig erhöhten Lastanforderung korrelieren. Insbesondere kann hier ein kontinuierliches, wie auch ein sprunghaftes, Nachführen erfolgen, also ein Erhöhen der Reservedrehzahl um einen definierten Sprungwert immer dann, wenn der Differenzmassenstrom unter die Minimalgrenze fällt oder fallen würde. Dies kann insbesondere auch in beiden Richtungen gelten, sodass auch beim Überschreiten eines maximalen Differenzmassenstroms entsprechend des Anpassens der Reservedrehzahl erfolgt. Auf diese Weise kann ein Reservekorridor für einen Differenzmassenstromkorridor zur Verfügung gestellt werden.

[0020] Es kann weiter Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäß en Kontrollverfahren beim Betrieb der Kompressorvorrichtung die Reservedrehzahl wenigstens eine vorgegebene Reserveobergrenze nicht überschreitet und/oder wenigstens eine vorgegebene Reserveuntergrenze nicht unterschreitet. Zusätzlich oder alternativ zu dem Differenzmassenstromkorridor wird hier ein Drehzahlkorridor definiert, welcher einen Ausschluss an zu hohen und zu niedrigen Reservedrehzahlen vorgibt und dementsprechend insbesondere absolute Drehzahlgrenzen für die Drehzahlbereiche definiert. Ein zu langsames Drehen der Kompressorvorrichtung, wie auch ein Überdrehen der Kompressorvorrichtung, kann durch diese absoluten Grenzwerte vermieden werden.

[0021] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren beim Betrieb der Kompressorvorrichtung die Reservedrehzahl wenigstens einen Vermeidungs-Drehzahlbereich vermeidet. Bei Kompressorvorrichtungen kann es zum Beispiel besonders ineffiziente Drehzahlbereiche geben. Durch die Entkopplung der Reservedrehzahl beim Betrieb der Kompressorvorrichtung von der Erfüllung des Sollmassenstroms können nun solche Vermeidungs-Drehzahlbereiche einfach vermieden werden, indem die Reservedrehzahl mit einem geringeren Differenzmassenstrom unterhalb des Vermeidungs-Drehzahlbereichs und/oder mit einer höheren Reservedrehzahl und einem entsprechend höheren Differenzmassenstrom oberhalb eines solchen Vermeidungs-Drehzahlbereichs kontrolliert vorgegeben wird.

[0022] Neben dem Vermeiden ineffektiver Drehzahlbereiche können hochverschleißende Drehzahlbereiche, aber auch Resonanzdrehzahlbereiche, auf diese Weise wirksam vermieden werden.

[0023] Vorteile kann es darüber hinaus mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäß en Kontrollverfahren die Kompressorvorrichtung in Form eines elektrischen Verdichters betrieben wird. Insbesondere ein rein elektrischer Verdichterbetrieb erlaubt die hochdynamische Kontrolle,

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da ein einfaches und entsprechend kontrolliertes Nachjustieren oder Nachführen mit dem elektrischen Antrieb möglich wird. Insbesondere ist eine solche Kompressorvorrichtung unabhängig von einem Rückstrom im Kathodenabführabschnitt und erlaubt damit eine größere Kontrollfreiheit.

[0024] Alternativ zum voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren die Kompressorvorrichtung in Form eines elektrischen Turboladers betrieben wird. Dieser weist eine Turbine im Kathodenabführabschnitt auf, um entsprechend für eine höhere Energieeffizienz Abgasenthalpie im Kathodenabgas auszunutzen. Zusätzlich ist jedoch dieser Turbolader mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet, um die elektrische Antriebsmöglichkeit mit der gewünschten Kontrollierbarkeit unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit im Kathodenabgas zur Verfügung zu stellen.

[0025] Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren eine Schließposition wenigstens eines Gegendruckventils im Kathodenzuführabschnitt zwischen dem Kathodenbypassabschnitt und dem Brennstoffzellenstapel und/oder im Kathodenabführabschnitt zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Kathodenbypassabschnitt verändert wird. Darunter ist eine separate Kontrolle des Drucks im Stapel zu verstehen. Mit anderen Worten wird es hier nun möglich den Sollmassenstrom zu erhöhen und durch Öffnen des Gegendruckventils einen Überdruck zu vermeiden. Vorzugsweise wird hierfür ein Gegendruckventil stromabwärts des Brennstoffzellenstapels eingesetzt.

[0026] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens durchzuführen. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind.

[0027] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kontrollvorrichtung für eine Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel. Eine solche Kontrollvorrichtung zeichnet sich aus durch ein Betriebsmodul zum Betreiben einer Kompressorvorrichtung in einem Kathodenzuführabschnitt des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels mit einer Reservedrehzahl zur Erzeugung eines Reservemassenstroms an Kathodenzuführgas, wobei der Reservemassenstrom um einen Differenzmassenstrom größer als ein für die aktuelle Lastanforderung benötigter Sollmassenstrom des Kathodenzuführgases ist. Weiter dient das Betriebsmodul dem Führen des Differenzmassenstroms über ein wenigstens teilweise geöffnetes Kathodenbypassventil in einem Kathodenbypassabschnitt zwischen einem Kathodenzuführabschnitt und einem Kathodenabführabschnitt des Brennstoffzellensystems zum Erzeugen eines Kathodenbypass-Massenstroms an Kathodenzuführgas an dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel vorbei. Weiter weist eine solche Kontrollvorrichtung ein Erfassungsmodul zum Erfassen einer kurzfristigen, erhöhten Lastanforderung für das Brennstoffzellensystem auf. Mit Hilfe eines Bestimmungsmoduls erfolgt ein Bestimmen des für die erhöhte Lastanforderung notwendigen erhöhten Sollmassenstroms. Weiter ist ein Schließmodul vorgesehen zum zumindest teilweisen Schließen des Kathodenbypassventils zum Reduzieren des Kathodenbypass-Massenstroms zum Erzielen des erhöhten Sollmassenstroms. Dabei sind das Betriebsmodul, das Erfassungsmodul, das Bestimmungsmodul und/oder das Schließmodul für eine Durchführung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens ausgebildet. Eine solche Kontrollvorrichtung bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind.

[0028] Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischen Stroms. Ein solches Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt für eine Zufuhr von Anodenzuführgas und mit einem Anodenabführabschnitt für eine Abfuhr von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt weist entsprechend einen Kathodenzuführabschnitt für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas und einen Kathodenabführabschnitt für eine Abfuhr von Kathodenabgas auf. Darüber hinaus sind der Kathodenzuführabschnitt und der Kathodenabführabschnitt über einen Katho-

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denbypassabschnitt miteinander fluidkommunizierend verbunden, in welchem wenigstens ein Kathodenbypassventil angeordnet ist. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass für die Kontrolle des wenigstens einen Kathodenbypassventils eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung vorgesehen ist. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind.

[0029] 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. Es zeigen schematisch:

[0030] Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, [0031] Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, [0032] Fig. 3 ein möglicher Verlauf der Massenströme,

[0033] Fig. 4 ein weiterer möglicher Verlauf der Massenströme,

[0034] Fig. 5 ein weiterer möglicher Verlauf der Massenströme und

[0035] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

[0036] Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100. Dieses ist hier mit einem einzelnen Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet, welcher einen Kathodenabschnitt 130 und einen Anodenabschnitt 120 aufweist. Grundsätzlich können selbstverständlich auch zwei, drei, vier oder mehrere Brennstoffzellenstapel 110 vorgesehen sein. Im Energieerzeugungsbetrieb wird Anodenzuführgas AZG, zum Beispiel als wasserstoffhaltiges Gas, über den Anodenzuführabschnitt 122 zugeführt und in dem Brennstoffzellenstapel 110 unter der Erzeugung elektrischer Energie chemisch umgesetzt. Das entstehende Anodenabgas AAG wird aus dem Anodenabschnitt 120 über den Anodenabführabschnitt 124 abgeführt. Restwärmenutzungen und Wasserabführungen sind hier nicht näher dargestellt.

[0037] Auf der Seite des Kathodenabschnitts 130 wird insbesondere Luft als Kathodenzuführgas KZG dem Kathodenabschnitt 130 für diese chemische Umsetzung mit dem Anodenzuführgas AZG zugeführt. Das entstehende Kathodenabgas KAG wird entsprechend über einen Kathodenabführabschnitt 134 abgeführt. Während das Anodenzuführgas AZG zum Beispiel aus einem unter Druck stehenden Gastank über ein entsprechendes, nicht dargestelltes Drosselventil zugeführt wird, kann das Kathodenzuführgas KZG in Form von Luft aus der Umgebung über die Kompressorvorrichtung 136 angesaugt werden.

[0038] Erfindungsgemäß ist nun ein Kathodenbypassabschnitt 140 vorgesehen, welcher es erlaubt, einen Kathodenbypass-Massenstrom KBM direkt von dem Kathodenzuführabschnitt 132 über den Kathodenbypassabschnitt 140 in den Kathodenabführabschnitt 134 und damit am Kathodenabschnitt 130 des Brennstoffzellenstapels 110 vorbeizuführen. Die Menge und die grundsätzliche Kontrolle des Kathodenbypass-Massenstroms KBM erfolgt dabei über die Öffnungsstellung und/oder die Schließstellung des Kathodenbypassventils 142. Dieses Kathodenbypassventil 142 kann mit Hilfe einer Kontrollvorrichtung 10, wie sie zum Beispiel die Figur 2 näher darstellt, kontrolliert werden. Diese Kontrollvorrichtung 10 ist insbesondere mit einem Verbraucher 300 informationsübertragend gekoppelt, um entsprechend eine Lastanforderung LA von dort zu erhalten.

[0039] Figur 2 zeigt schematisch, wie in einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung 10 ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren durchgeführt werden kann. Das Betriebsmodul 40 kann im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 eine Reservedrehzahl RD an die Kompressorvorrichtungen 136 vorgeben. Damit wird entsprechend ein später noch näher erläuterter Reservemassenstrom RM erzeugt und ein Teil davon als Differenzmassenstrom DM durch das Betriebsmodul 40 entsprechend einer Stellung des Kathodenbypassventils 142 als Kathodenbypass-Massenstrom KBM am Brennstoffzellenstapel vorbeigeführt.

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[0040] Wie die Figur 2 zeigt, kann nun von dem Erfassungsmodul 50 eine Lastanforderung LA vom Verbraucher 300 erfasst werden. Insbesondere handelt es sich dabei um eine kurzfristige, erhöhte Lastanforderung LA, welche anschließend an das Bestimmungsmodul 60 weitergegeben wird. Das Bestimmungsmodul 60 ist in der Lage, auf Basis dieser kurzfristigen, erhöhten Lastanforderung LA den für die Erfüllung dieser erhöhten Lastanforderung LA notwendigen neuen erhöhten Sollmassenstrom SM zu bestimmen. Dieser wird weitergegeben an das Schließmodul 70, welches nun aus dem erhöhten Sollmassenstrom SM einen entsprechend reduzierten Differenzmassenstrom DM bestimmt und in Form einer veränderten Schließstellung an das Kathodenbypassventil 142 weitergibt. Durch die veränderte Schließstellung ändert sich die Menge an Differenzmassenstrom DM und damit auch an Kathodenbypass-Massenstrom KBM und es erhöht sich in der gewünschten Weise der verbleibende Sollmassenstrom SM zum Brennstoffzellenstapel 110.

[0041] In der Figur 3 ist eine besonders einfache Kontrollweise dargestellt. Entlang der Zeitachse von links nach rechts ist bis zum Zeitpunkt T1 der Sollmassenstrom SM konstant. Auch der Differenzmassenstrom DM wird konstant gehalten, bei konstanter Reservedrehzahl RD, sodass sich in Summe aus Sollmassenstrom SM und Differenzmassenstrom DM ein konstanter Reservemassenstrom RM einstellt. Zum Zeitpunkt T1 wird nun eine kurzfristig, erhöhte Lastanforderung LA erfasst, welche durch das Bestimmungsmodul 60 mit einem erhöhten Sollmassenstrom SM korreliert. Diese Erhöhung ist am Zeitpunkt T1 in der Figur 3 gut zu erkennen. Erfindungsgemäß wird bei dieser Ausführungsform nun die Reservedrehzahl RD konstant gehalten, sodass ausschließlich durch einen reduzierten Durchlass am Kathodenbypassventil 142 nun der Differenzmassenstrom DM so weit gedrosselt wird, dass sich bei konstanter Summe in Form des Reservemassenstroms RM nun automatisch der gewünschte erhöhte Sollmassenstrom SM einstellt. Hier ist gut zu erkennen, dass ausschließlich durch die Kontrolle des Kathodenbypassventils 142 trotz konstanter Reservedrehzahl RD die Erhöhung des Sollmassenstroms SM erzielt werden kann.

[0042] Die Figur 4 zeigt eine Weiterbildung der Kontrollmöglichkeit der Figur 3. Auch hier wird zum Zeitpunkt T1 eine erhöhte Lastanforderung LA zu einem erhöhten Sollmassenstrom SM führen. Hier wird jedoch zum Zeitpunkt T1 die Reservedrehzahl RD nicht konstant gehalten, sondern entlang der reduzierten Kontrolldynamik der Kompressorvorrichtung 136 langsam entsprechend einer Kontrollrampe angehoben. Der Reservemassenstrom RM steigt entsprechend an auf einen höheren Wert als vor dem Zeitpunkt T1. Zum Zeitpunkt T2 erreicht die Reservedrehzahl RD einen Wert, bei welchem der Differenzmassenstrom DM trotz des erhöhten Sollmassenstroms SM wieder den gewünschten Minimalwert aufweist. Gleichzeitig wurde bei der Reservedrehzahl RD ein Vermeidungs-Drehzahlbereich VD vermieden, um zum Beispiel Resonanzproblematik auszuschließen.

[0043] Die Figur 5 zeigt eine Kombination der Kontrollmöglichkeiten der Figuren 3 und 4. So wird zum Zeitpunkt T1 die erhöhte Lastanforderung LA ausschließlich durch einen reduzierten Differenzmassenstrom DM bei verbleibend konstanter Reservedrehzahl RD erfüllt. Zum Zeitpunkt T2 wird die Lastanforderung LA nochmals erhöht und entsprechend ein noch weiter erhöhter Sollmassenstrom SM bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt sinkt der verbleibende Differenzmassenstrom DM unter eine Mindestgrenze, sodass nun die Reservedrehzahl RD wieder rampenartig erhöht wird, bis der sich ergebende Differenzmassenstrom DM zum Zeitpunkt T3 wieder den gewünschten Mindestwert erreicht. Die Reservedrehzahl RD wird hier zusätzlich noch in einem Reservekorridor zwischen einer Reserveuntergrenze RUG und einer Reserveobergrenze ROG kontrolliert.

[0044] In der Figur 6 ist eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 dargestellt. Hier ist im Kathodenabführabschnitt 134 noch ein Gegendruckventil 150 vorgesehen. Dieses kann bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren genutzt werden, um in Abhängigkeit des tatsächlichen sich einstellenden Sollmassenstroms Einfluss auf den Druck im Brennstoffzellenstapel 110 zu nehmen. So kann unabhängig von dem Verhältnis der Reservedrehzahl und der Ventilstellung des Kathodenbypassventils 142 eine Anpassung spezifisch in dem Kathodenabschnitt 130 des Brennstoffzellenstapels 110 hinsichtlich des dort befindlichen Innendrucks vorgenommen werden.

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[0045] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 Kontrollvorrichtung 40 Betriebsmodul

50 Erfassungsmodul 60 Bestimmungsmodul 70 Schließmodul

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 136 Kompressorvorrichtung 140 Kathodenbypassabschnitt 142 Kathodenbypassventil 150 Gegendruckventil

300 Verbraucher

AZG Anodenzuführgas

AAG Anodenabgas

KZG Kathodenzuführgas

KAG Kathodenabgas

KBM Kathodenbypass-Massenstrom

RD _ Reservedrehzahl

ROG Reserveobergrenze RUG Reserveuntergrenze VD Vermeidungs-Drehzahlbereich RM Reservemassenstrom DM Differenzmassenstrom SM Sollmassenstrom

LA Lastanforderung

T1 Zeitpunkt 1

T2 Zeitpunkt 2

T3 Zeitpunkt 3

Claims

A ‚hes AT 527 709 B1 2025-08-15 Ss N Patentansprüche

1. Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystems (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

- Betreiben einer Kompressorvorrichtung (136) in einem Kathodenzuführabschnitt (132) des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (110) mit einer Reservedrehzahl (RD) zur Erzeugung eines Reservemassenstroms (RM) an Kathodenzuführgas (KZG), wobei der Reservemassenstrom (RM) um einen Differenzmassenstrom (DM) größer als ein für die aktuelle Lastanforderung (LA) benötigter Sollmassenstrom (SM) des Kathodenzuführgases (KZG) ist,

- Führen des Differenzmassenstroms (DM) über ein wenigstens teilweise geöffnetes Kathodenbypassventil (142) in einem Kathodenbypassabschnitt (140) zwischen einem Kathodenzuführabschnitt (132) und einem Kathodenabführabschnitt (134) des Brennstoffzellensystems (100) zum Erzeugen eines Kathodenbypass-Massenstroms (KBM) an Kathodenzuführgas (KZG) an dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110) vorbei,

- Erfassen einer kurzfristigen, erhöhten Lastanforderung (LA) für das Brennstoffzellensystem (100),

- Bestimmen des für die erfasste erhöhte Lastanforderung (LA) notwendigen erhöhten Sollmassenstroms (SM),

- Zumindest teilweises Schließen des Kathodenbypassventils (142) zum Reduzieren des Kathodenbypass-Massenstroms (KBM) zum Erzielen des erhöhten Sollmassenstroms (SM)

- dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressorvorrichtung (136) mit einer konstanten oder im Wesentlichen konstanten Reservedrehzahl (RD) betrieben wird, wobei der Differenzmassenstrom (DM) in Abhängigkeit von der aktuellen Lastanforderung (LA) variiert, wobei die konstante oder im Wesentlichen konstante Reservedrehzahl (RD) mehr als 60%, insbesondere mehr als 70%, bevorzugt mehr als 80%, besonders bevorzugt mehr als 90% der Maximaldrehzahl der Kompressorvorrichtung (136) ist.

2. Kontrollverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Kompressorvorrichtung (136) die Reservedrehzahl (RD) wenigstens eine vorgegebene Reserveobergrenze (ROG) nicht überschreitet und/oder wenigstens eine vorgegebene Reserveuntergrenze (RUG) nicht unterschreitet.

3. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Kompressorvorrichtung (136) die Reservedrehzahl (RD) wenigstens einen Vermeidungs-Drehzahlbereich (VD) vermeidet.

4. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressorvorrichtung (136) in Form eines elektrischen Verdichters betrieben wird.

5. Kontrollverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressorvorrichtung (136) in Form eines elektrischen Turboladers betrieben wird.

6. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schließposition wenigstens eines Gegendruckventils (150) im Kathodenzuführabschnitt (132) zwischen dem Kathodenbypassabschnitt (140) und dem Brennstoffzellenstapel (110) und/oder im Kathodenabführabschnitt (134) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (110) und dem Kathodenbypassabschnitt (140) verändert wird.

7. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines Kontrollverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.

8. Kontrollvorrichtung (10) für eine Kontrolle einer kurzfristigen Lasterhöhung eines Brennstoffzellensystems (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110), gekennzeichnet durch ein Betriebsmodul (40) zum Betreiben einer Kompressorvorrichtung (136) in einem Kathodenzuführabschnitt (132) des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (110) mit einer

Reservedrehzahl (RD) zur Erzeugung eines Reservemassenstroms (RM) an Kathodenzuführgas (KZG), wobei der Reservemassenstrom (RM) um einen Differenzmassenstrom (DM) größer als ein für die aktuelle Lastanforderung (LA) benötigter Sollmassenstrom (SM) des Kathodenzuführgases (KZG) ist, und zum Führen des Differenzmassenstroms (DM) über ein wenigstens teilweise geöffnetes Kathodenbypassventil (142) in einem Kathodenbypassabschnitt (140) zwischen einem Kathodenzuführabschnitt (132) und einem Kathodenabführabschnitt (134) des Brennstoffzellensystems (100) zum Erzeugen eines Kathodenbypass-Massenstroms (KBM) an Kathodenzuführgas (KZG) an dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110) vorbei, weiter aufweisend ein Erfassungsmodul (50) zum Erfassen einer kurzfristigen, erhöhten Lastanforderung (LA) für das Brennstoffzellensystem (100), ein Bestimmungsmodul (60) zum Bestimmen des für die erfasste erhöhte Lastanforderung (LA) notwendigen erhöhten Sollmassenstroms (SM), ein Schlie@modul (70) zum zumindest teilweisen Schließen des Kathodenbypassventils (142) zum Reduzieren des KathodenbypassMassenstroms (KBM) zum Erzielen des erhöhten Sollmassenstroms (SM), wobei das Betriebsmodul (40), das Erfassungsmodul (50), das Bestimmungsmodul (60) und/oder das Schließmodul (70) für eine Durchführung eines Kontrollverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet sind.

9. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung elektrischen Stroms, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für eine Zufuhr von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Kathodenabgas (KAG), wobei der Kathodenzuführabschnitt (132) und der Kathodenabführabschnitt (134) über einen Kathodenbypassabschnitt (140) miteinander fluidkommunizierend verbunden sind, in welchem wenigstens ein Kathodenbypassventil (142) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kontrolle des wenigstens einen Kathodenbypassventils (142) eine Kontrollvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgesehen ist.

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