DE102018214710A1

DE102018214710A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102018214710A1
Application number: DE102018214710.8A
Authority: DE
Inventors: Frederik Haußmann; Markus RUF
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2020-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), zu dessen kathodenseitiger Versorgung mit Luft in einer Kathodenzuluftleitung (3) zwei Verdichter (4, 5) angeordnet sind. Die beiden Verdichter (4, 5) weisen eine asymmetrische Auslegung hinsichtlich mindestens einem ihrer Betriebsparameter auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, zu dessen kathodenseitiger Versorgung mit Luft in der Kathodenzuluftleitung zwei Verdichter angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung .
Brennstoffzellenvorrichtungen dienen dazu, im Rahmen einer elektrochemischen Reaktion mit der Umsetzung eines Brennstoffes, in der Regel Wasserstoff, mit einem sauerstoffhaltigen Gas, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Es besteht die Möglichkeit, in einer Brennstoffzellenvorrichtung eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei insbesondere bei der Verwendung der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug ein hoher Leistungsbedarf besteht und daher die Vielzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel erforderlich ist. Damit verbunden ist ein entsprechend hoher Bedarf an Luft auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle, sodass es bekannt ist, in der Kathodenzuluftleitung einen Verdichter einzusetzen, der komprimierte Luft mit einer höheren Sauerstoffmasse bereitstellt.
Aus der US 2018/0058461 A1 ist es darüber hinaus bekannt, sich nicht auf die Verwendung eines einzigen Verdichters zu beschränken, sondern zwei gleiche Verdichter vorzusehen, die in der Kathodenzuluftleitung seriell und parallel angesteuert werden können. Vorgesehen ist auch eine alternierende Betriebsweise, in der immer nur ein Verdichter eingesetzt wird zum Schutz vor Überhitzung. Nach einem Zeitablauf zwischen 3 und 15 Sekunden wird der andere Verdichter eingesetzt, während der zuvor betriebene Verdichter ruht. Daraus ergibt sich auch das Erfordernis der gleichartigen Auslegung der beiden Verdichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, die effizienter betrieben werden kann. Aufgabe ist es weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, das den Verschleiß senkt und die Verlässlichkeit steigert. Aufgabe ist es weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Verdichter eine asymmetrische Auslegung hinsichtlich mindestens einem ihrer Betriebsparameter aufweisen. Es ist also darauf verzichtet, identische Verdichter redundant vorzuhalten, da so die Möglichkeit geschaffen ist, die beiden Verdichter unabhängig voneinander auf unterschiedliche Betriebsbereiche hin zu optimieren. Es werden Effizienz-Nachteile vermieden, die vorliegen, wenn beide Verdichter für nur einen Betriebsbereich, entweder im Niederlastbereich oder im Volllastbereich, optimiert sind.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn der erste Verdichter gegenüber dem zweiten Verdichter ein kleineres maximales Druckverhältnis aufweist, da so bei einem geringeren Bedarf an Sauerstoff bzw. Luft der Betrieb des ersten Verdichters ausreichend ist, aber als Leistungsreserve das Umschalten auf den zweiten Verdichter zur Verfügung steht und sogar bei einem weiter gesteigerten Leistungsbedarf beide Verdichter nicht nur alternierend, sondern auch gemeinsam betrieben werden können. Die maximale Flexibilität der Brennstoffzellenvorrichtung ergibt sich, wenn der erste Verdichter und der zweite Verdichter an unterschiedlichen Zweigen der Kathodenzuluftleitung angeordnet sind, wenn stromauf des einen Verdichter von dem einen Zweig der Kathodenzuluftleitung ein Verbindungszweig zu dem anderen Zweig stromab von dem anderen Verdichter führt, und wenn jedem der Zweige mindestens ein Ventil zugeordnet ist. Durch diese konstruktive Ausgestaltung ergibt sich in besonders einfacher Weise die Möglichkeit des flexiblen Einsatzes der Verdichter, die durch das entsprechende Schalten der Ventile einzeln oder parallel betrieben werden können, aber auch die Möglichkeit besteht, diese seriell, parallel und einzeln einzusetzen, wenn nach dem Durchströmen des ersten Verdichters, die Luft durch den Verbindungszweig stromauf vor den zweiten Verdichter geleitet wird.
Bevor die den Verdichter entstammende Luft dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden kann, ist deren Konditionierung erforderlich, insbesondere um die komprimierte, trockene Luft auf ein Maß zu befeuchten, das für die Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels optimiert ist. Dazu kann in der Kathodenzuluftleitung nach dem Zusammenfluss des ersten Zweiges und des zweiten Zweiges ein Befeuchter angeordnet sein. Weiterhin ist vor dem Zusammenfluss des ersten Zweiges und des zweiten Zweiges ein Ladeluftkühler angeordnet, der im Rahmen der Konditionierung der Kathodenzuluft für deren Temperierung eingesetzt werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung auch die Möglichkeit bietet, bei einer entsprechend geringen Verdichtung durch den dazu ausgelegten Verdichter auf die Verwendung des Ladeluftkühlers zu verzichten, sodass dieser durch die geeignete Positionierung auch umgangen und die mit dem Betrieb des Ladeluftkühlers erforderliche Energie eingespart werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem seriellen oder parallelen oder alternierenden Betrieb des ersten Verdichters und des zweiten Verdichters derart schaltet wird, dass die Grenztemperatur für die Zuluft eines nachfolgenden temperaturempfindlichen Bauteils, insbesondere des Befeuchters nicht überschritten wird. Diese Betriebsweise steigert die Verlässlichkeit der Brennstoffzellenvorrichtung durch ein Vorbeugen einer Beschädigung des Befeuchters oder einer Überforderung von dessen Leistungsvermögen. Die Effizienz wird weiterhin gesteigert, wenn derart zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter umgeschaltet wird, dass die Leistungsaufnahme minimal ist, also jeder einzelne Verdichter oder beide Verdichter gemeinsam so betrieben werden, dass diese in dem Betriebsbereich agieren, für den sie optimiert sind.
Weiter besteht die Möglichkeit, dass ausgehend von dem aktuellen Leistungsbedarf an die eine Batterie aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung über deren Steuergerät anhand der Nutzungshistorie und/oder des Ladezustandes der Batterie eine Leistungsprognose und der dazu erforderliche Leistungsbedarf berechnet wird, und dass der zu erwartende Leistungsbedarf die Grundlage für das Schalten des ersten Verdichters und des zweiten Verdichters bildet. Wenn sich beispielsweise aus wiederholenden Nutzungszyklen ergibt, dass eine Steigerung des Leistungsbedarf zu erwarten ist, so kann dies bei dem Einsatz der beiden Verdichter berücksichtigt werden, sodass nicht nur der momentane Ist-Zustand mit dem aktuellen Betriebspunkt bei der Umschaltstrategie zwischen den Verdichtern berücksichtigt wird, sondern auch die Leistungsprognose einbezogen wird. Ist beispielsweise anhand des Ladezustandes der Batterie ersichtlich, dass demnächst im Rahmen des Leistungsvermögens des Brennstoffzellenstapel eine Erhöhung des Ladeniveaus erfolgen sollte, so kann dies entsprechend berücksichtigt werden; befindet sich die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung darüber hinaus in einem Kraftfahrzeug mit einem Navigationssystem, so kann bei einer bevorstehenden ansteigenden Wegstrecke, zum Beispiel einer Passfahrt, oder dem Ende einer Geschwindigkeitsbegrenzung, z.B. beim Verlassen eines Stadtgebietes, ein höherer Leistungsbedarf berücksichtigt werden.
Weitere Vorteile, Merkmalen und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung des zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung,
2 eine grafische Darstellung der Effizienz eines Verdichters, in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verdichters, dargestellt für den zweiten Verdichter,
3 eine der 2 entsprechenden Darstellung, dargestellt für den ersten Verdichter,
4 eine zeitabhängige Darstellung des Luftmassenstroms mit einer in die Zukunft gerichteten Prognose, und
5 eine der 4 entsprechende Darstellung der Teilbeiträge von dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter.

In der 1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt, der kathodenseitig über eine Kathodenzuluftleitung 3 verfügt, mit der eine ausreichende Menge an Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 gefördert wird, um den erforderlichen Sauerstoff bereitzustellen. Dazu sind in der Kathodenzuluftleitung 3 zwei Verdichter 4, 5 angeordnet, wobei der erste Verdichter 4 und der zweite Verdichter 5 in unterschiedlichen Zweigen 6, 7 der Kathodenzuluftleitung 3 angeordnet sind und weiterhin stromauf des einen Verdichters 5 von dem einen Zweig 7 der Kathodenzuluftleitung 3 ein Verbindungszweig 8 zu dem anderen Zweig 6 stromab von dem anderen Verdichter 5 führt, wobei jedem der Zweige 6, 7 mindestens ein Ventil 9 zugeordnet ist.
In einer derartigen Konfiguration ergibt sich die Möglichkeit, die Verdichter 4, 5 in den beiden Zweigen 6, 7 parallel einzusetzen, wobei dazu das Ventil 9 in dem Verbindungszweig 8 geschlossen ist, während die anderen Ventile 9 sich im geöffneten Zustand befinden. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Verdichter 4, 5 seriell zu betreiben, nämlich indem die Luft zunächst durch den einen Verdichter 4 und von dort stromab durch den Verbindungszweig 8 dem anderen Verdichter 5 stromauf zugeführt wird. Das Ventil 9 des Verbindungszweiges 8 ist also geöffnet, während die anderen Ventile 9 geschlossen sind. Schließlich ist auch eine alternierende Betriebsweise des ersten Verdichter 4 sind des zweiten Verdichters 5 möglich, wobei die Intervalle nicht konstant oder fest vorgegeben gegeben sein müssen, sondern variabel sich aus den Einsatzbedingungen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ergeben können.
Zu beachten ist weiterhin, dass die beiden Verdichter 4, 5 eine asymmetrische Auslegung hinsichtlich mindestens einem ihrer Betriebsparameter aufweisen, dass also der erste Verdichter 4 gegenüber dem zweiten Verdichter 5 ein kleineres maximales Druckverhältnis aufweist. In der 2 ist für den zweiten Verdichter 5 auf der Abzisse der Massenfluss aufgetragen, während die Ordinate das Druckverhältnis zeigt zwischen dem Druck nach dem Verdichter 5 und dem Druck vor dem Verdichter 5. Die Linien in der grafischen Darstellung grenzen Bereiche unterschiedlicher Effizienz des zweiten Verdichters 5 voneinander ab. Im Vergleich der 2 mit der 3 ergibt sich, dass bei dem ersten Verdichter 4 ein kleineres maximales Druckverhältnis vorliegt, was mit gegenüber dem zweiten Verdichter 5 abweichenden Effizienzbereichen korreliert.
Der 1 lässt sich weiterhin entnehmen, dass in der Kathodenzuluftleitung 3 nach dem Zusammenfluss des ersten Zweiges 6 und des zweiten Zweiges 7 ein Befeuchter 10 angeordnet ist, während vor dem Zusammenfluss ein Ladeluftkühler 11 bereitsteht.
Mit der in 1 ersichtlichen Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist damit eine unterschiedliche Betriebsweise möglich, die insbesondere auch ausnutzt, dass durch eine geringere Kompression und damit Erwärmung der Einsatz des Ladeluftkühlers 11 nicht zwingend erforderlich ist und daher zur Verringerung des Verschleißes und des Energiebedarfes unterbleiben kann.
Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist vorzugsweise so gewählt, dass zwischen dem ersten Verdichter 4 und dem zweiten Verdichter 5 umgeschaltet wird, sodass die Leistungsaufnahme minimal ist, wobei auch die Möglichkeit besteht, nicht nur den aktuellen Leistungsbedarf von dem gegebenen aktuellen Betriebspunkt anzusetzen, sondern Leistungsprognosen für den zukünftig erforderlichen Leistungsbedarf zu erstellen, wobei dann der zu erwartende Leistungsbedarf die Grundlage für das Schalten des ersten Verdichters 4 und des zweiten Verdichter 5 bildet, um sicherzustellen, dass entweder der erste Verdichter 4 oder der zweite Verdichter 5 oder sogar beide zusammen in dem Bereich ihrer optimalen Effizienz betrieben werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Kathodenzuluftleitung
4: erster Verdichter
5: zweiter Verdichter
6: Zweig der Kathodenzuluftleitung
7: Zweig der Kathodenzuluftleitung
8: Verbindungszweig
9: Ventil
10: Befeuchter
11: Ladeluftkühler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018/0058461 A1 [0003]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), zu dessen kathodenseitiger Versorgung mit Luft in einer Kathodenzuluftleitung (3) zwei Verdichter (4, 5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verdichter (4, 5) eine asymmetrische Auslegung hinsichtlich mindestens einem ihrer Betriebsparameter aufweisen.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (4) gegenüber dem zweiten Verdichter (5) ein kleineres maximales Druckverhältnis aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (4) und der zweite Verdichter (5) in unterschiedlichen Zweigen (6, 7) der Kathodenzuluftleitung (3) angeordnet sind, dass stromauf des ersten Verdichters (4) von dem einen Zweig (6) der Kathodenzuluftleitung (3) ein Verbindungszweig (8) zu dem anderen Zweig (7) stromab von dem zweiten Verdichter (5) führt, und dass jedem der Zweige (6, 7, 8) mindestens ein Ventil (9) zugeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenzuluftleitung (3) nach dem Zusammenfluss des ersten Zweiges (6) und des zweiten Zweiges (7) ein Befeuchter (10) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zusammenfluss des ersten Zweiges (6) und des zweiten Zweiges (7) ein Ladeluftkühler (11) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem seriellen oder parallelen oder alternierenden Betrieb des ersten Verdichters (4) und des zweiten Verdichters (5) derart umgeschaltet wird, dass eine Grenztemperatur für die Zuluft eines nachfolgenden temperaturempfindlichen Bauteils, insbesondere des Befeuchters (10) nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass derart zwischen dem ersten Verdichter (4) und dem zweiten Verdichter (5) umgeschaltet wird, dass die Leistungsaufnahme minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem aktuellen Leistungsbedarf an die eine Batterie aufweisende Brennstoffzellenvorrichtung (1) über deren Steuergerät anhand der Nutzungshistorie und/oder des Ladezustandes der Batterie eine Leistungsprognose und der dazu erforderliche Leistungsbedarf berechnet wird, und dass der zu erwartende Leistungsbedarf die Grundlage für das Schalten des ersten Verdichters (4) und des zweiten Verdichters (5) bildet.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.