DE102019126042A1 - Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff aus einem Druckbehälter (20) an einer Brennstoffzelle (30) in einem Kraftfahrzeug (10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Zuführen eines Inertgases, insbesondere von Stickstoff, in den Druckbehälter (20); - Bestimmen einer Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter (20); - erstes Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter (20); - Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter (20); - Bestimmen des Wasserstoff/Inertgas-Verhältnisses basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs und der bestimmten Stoffmenge des Inertgases; - Zuführen des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgas zu der Brennstoffzelle (30); und - Bereitstellen einer vorgegebenen Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit durch das Gasgemisch an der Brennstoffzelle (30) basierend auf dem bestimmten Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis in dem Druckbehälter (20).

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff, ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
  • Beim Einbau von Druckbehältern in Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen sind die Druckbehälter üblicherweise stickstoffbefüllt. Beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen in Kraftfahrzeugen muss eine ausreichende Versorgung der Anode mit Wasserstoff sichergestellt werden. Vor der Inbetriebnahme werden die Druckbehälter typischerweise mehrfach mit Wasserstoff gespült, so dass im Wesentlichen nur noch Wasserstoff in dem Druckbehälter ist, um eine einwandfreie Versorgung des Brennstoffzellensystems sicherzustellen. Dies ist ein aufwändiger Vorgang, der Zeit beansprucht und Kosten verursacht.
  • Ohne eine mehrfache Spülung mit Wasserstoff verbleibt Stickstoff in dem Druckbehälter und bei Betankung des Druckbehälters mit Wasserstoff bildet sich ein Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch mit unbekanntem Verhältnis. Eine direkte Messung der Wasserstoffkonzentration in bzw. an der Anode mit einem Wasserstoffsensor würde hohe Kosten verursachen und zusätzlichen Bauraum im Kraftfahrzeug benötigen.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie ein Verfahren bzw. ein Brennstoffzellensystem aufzuzeigen, das bei Zuführung eines Gasgemisches aus einem Druckbehälter, das neben Wasserstoff noch mindestens ein weiteres Gas umfasst, zu einer Brennstoffzelle die zuverlässige Versorgung der Brennstoffzelle mit ausreichend Wasserstoff technisch einfach sicherstellt. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 9 der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff aus einem Druckbehälter an einer Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zuführen eines Inertgases, insbesondere von Stickstoff, in den Druckbehälter; Bestimmen einer Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter; erstes Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter; Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter; Bestimmen des Wasserstoff/Inertgas-Verhältnisses basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs und der bestimmten Stoffmenge des Inertgases; Zuführen des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgas zu der Brennstoffzelle; und Bereitstellen einer vorgegebenen Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit durch das Gasgemisch an der Brennstoffzelle basierend auf dem bestimmten Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis in dem Druckbehälter.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass sichergestellt ist, dass der Brennstoffzelle eine vorgegebene Menge an Wasserstoff pro Zeiteinheit zur Verfügung gestellt werden kann, auch wenn in dem Druckbehälter nicht ausschließlich Wasserstoff gespeichert ist, sondern ein Gasgemisch umfassend Wasserstoff und ein weiteres Gas. Ein weiterer Vorteil ist, dass nach einem Test des Druckbehälters, bei dem oftmals Stickstoff als Gas in dem Druckbehälter verwendet wird, der Druckbehälter nicht mit Wasserstoff gespült werden muss, um den Stickstoff aus dem Druckbehälter weitestgehend zu entfernen. Es ist durch dieses Verfahren ausreichend, den Druckbehälter mit Wasserstoff zu betanken. Somit kann die Herstellung des Kraftfahrzeugs vereinfacht werden. Folglich kann unabhängig von dem Anteil des Wasserstoffs an dem Gasgemisch in dem Druckbehälter eine vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere nach dem Einbau des Druckbehälters in ein Kraftfahrzeug oder bei einem Tausch bzw. Wechsel des Druckbehälters kann das Verfahren angewendet werden, um eine zuverlässige Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff sicherzustellen.
  • Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug gelöst, wobei das Brennstoffzellensystem folgendes umfasst: eine Brennstoffzelle zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, einen Druckbehälter zum Speichern von Wasserstoff für die Brennstoffzelle, und ein Steuergerät zum Bereitstellen von Wasserstoff aus dem Druckbehälter an der Brennstoffzelle, wobei in dem Druckbehälter ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, gespeichert ist, wobei das Steuergerät zum Bestimmen einer Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter vor einem ersten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter, zum Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter nach einem ersten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter, zum Bestimmen des Wasserstoff/Inertgas-Verhältnisses basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs und der bestimmten Stoffmenge des Inertgases, zum Zuführen des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgas zu der Brennstoffzelle, und zum Bereitstellen einer vorgegebenen Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit durch das Gasgemisch an der Brennstoffzelle basierend auf dem bestimmten Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis in dem Druckbehälter ausgebildet ist.
  • Vorteilhaft hieran ist, dass sichergestellt ist, dass der Brennstoffzelle eine vorgegebene Menge an Wasserstoff pro Zeiteinheit zur Verfügung gestellt werden kann, auch wenn in dem Druckbehälter nicht ausschließlich Wasserstoff gespeichert ist, sondern ein Gasgemisch umfassend Wasserstoff und ein weiteres Gas. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Spülung des Druckbehälters mit Wasserstoff zum Entfernen des Stickstoffs, der oftmals für Tests in den Druckbehälter eingeführt wird, aus dem Druckbehälter nicht notwendig ist. Bei diesem Brennstoffzellensystem ist es ausreichen, den Druckbehälter mit Wasserstoff zu befüllen bzw. Wasserstoff in den Druckbehälter zuzuführen, während sich noch das Inertgas bzw. Stickstoff in dem Druckbehälter befindet. Somit kann die Herstellung des Kraftfahrzeugs vereinfacht werden. Bei dem Brennstoffzellensystem kann unabhängig von dem Anteil des Wasserstoffs an dem Gasgemisch in dem Druckbehälter eine vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere nach dem Einbau des Druckbehälters in ein Kraftfahrzeug oder bei einem Tausch bzw. Wechsel des Druckbehälters ist dies vorteilhaft, um eine zuverlässige Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff sicherzustellen.
  • Zudem wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit einem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem gelöst.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter durch Erfassen der zugeführten Stoffmenge an Wasserstoff bestimmt. Hierdurch kann die Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter technisch einfach und schnell bestimmt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter folgende Schritte: Bestimmen des Drucks und der Temperatur des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgas in dem Druckbehälter; und Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Inertgases vor dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter, des Innenvolumens des Druckbehälters, des Drucks und der Temperatur des Gasgemisches in dem Druckbehälter nach dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter. Vorteilhaft hieran ist, dass die dem Druckbehälter zugeführte Menge an Wasserstoff nicht während des Zuführens erfasst werden muss. Somit müssen keine in Bezug auf ein Kraftfahrzeug externe Daten erhoben werden. Alle Messungen finden in bzw. an dem Druckbehälter statt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Rezirkulation von Wasserstoff an der Brennstoffzelle basierend auf dem Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis in dem Druckbehälter derart angepasst, dass der Brennstoffzelle die vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit bereitgestellt wird. Vorteilhaft hieran ist, dass der Brennstoffzelle die vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit zur Verfügung gestellt werden kann, ohne dem Druckbehälter vermehrt Gasgemisch entnehmen zu müssen. Auf diese Weise kann Wasserstoff eingespart werden bzw. der Wasserstoff in dem Druckbehälter effizient eingesetzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Dauer und/oder Frequenz der Öffnung eines Anodenspülventils zum Spülen von Gasen von der Anode der Brennstoffzelle abhängig von dem bestimmten Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis derart angepasst, dass der Brennstoffzelle die vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit bereitgestellt wird. Hierdurch kann die Zeitdauer, die das Gasgemisch bei der Anode oder in einem Rezirkulationsströmungspfad der Brennstoffzelle verbleibt, abhängig von dem Wasserstoffanteil an dem Gasgemisch variiert bzw. eingestellt werden. Folglich kann die Purgerate an das Verhältnis zwischen Wasserstoff und dem weiteren Gas oder den weiteren Gasen in dem Gasgemisch angepasst bzw. variiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter basierend auf dem Innenvolumen des Druckbehälters, der Temperatur des Inertgases in dem Druckbehälter vor dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter und des Drucks des Inertgases in dem Druckbehälter vor dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter bestimmt. Hierdurch kann die Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter technisch einfach bestimmt werden. Zudem kann die Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter auf Grundlage der im Wesentlichen gleichen bzw. korrespondierenden Messwerte bestimmt werden, wie die Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter bestimmt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner folgende Schritte: Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs und der Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter vor einem zweiten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter; zweites Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter; Bestimmen des Drucks des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgases in dem Druckbehälter nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter; Bestimmen einer Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Inertgases vor dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs, der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs vor dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter und dem Druck des Gasgemisches in dem Druckbehälter nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter; und erneutes Bestimmen des Wasserstoff/Inertgas-Verhältnisses basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter und der bestimmten Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter. Hierdurch kann technisch einfach auch nach einem erneuten Füllen bzw. Tanken von Wasserstoff in den Druckbehälter bestimmt werden, wie groß der Wasserstoffanteil in dem Druckbehälter ist und der Brennstoffzelle entsprechend viel bzw. eine entsprechende Menge des Gasgemisches (pro Zeiteinheit) zur Verfügung gestellt werden, so dass eine vorgegebene Menge an Wasserstoff pro Zeiteinheit der Brennstoffzelle zur Verfügung steht bzw. vorhanden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird abhängig von dem Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis der Brennstoffzelle derart Gasgemisch aus dem Druckbehälter zugeführt, dass eine vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit zu der Brennstoffzelle strömt. Hierdurch kann, auch ohne Rezirkulation bzw. ohne eine Änderung der Rezirkulation und ohne Änderung der Purgerate, der Brennstoffzelle die vorgegebene Menge an Wasserstoff pro Zeiteinheit zur Verfügung gestellt werden.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
  • Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw ARB) sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
  • Der Anodenzuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffquelle und der Anode des Brennstoffzellenstapels her. Der Anodenzuströmungspfad kann durch mehrere Anodenzuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Anodenzuströmungspfad miteinander verbinden.
  • Der mindestens eine Rezirkulationsströmungspfad wird auch als Rezirkulationskreis des Anodensubsystems bezeichnet und beginnt i.d.R. am Anodenauslass vom Brennstoffzellenstapel. Der Rezirkulationsströmungspfad mündet stromauf vom Brennstoffzellenstapel an einer Mündung in den Anodenzuströmungspfad. In der Regel ist diese Mündung in der Rezirkulationsstrahlpumpe vorgesehen, sofern das System eine Rezirkulationsstrahlpumpe umfasst. Der Rezirkulationsströmungspfad wird in der Regel durch mehrere Rezirkulationsleitungen ausgebildet, die die im Rezirkulationsströmungspfad angeordneten Komponenten miteinander verbinden. Ein solches Rezirkulationssystem stellt sicher, dass der während der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel unverbrauchte Brennstoff zumindest teilweise wiederverwendet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens ein Anodenspülventil zum Spülen des Anodensubsystems. Ein Anodenspülventil wird auch als Purge-Ventil bezeichnet. Durch das wiederkehrende Öffnen und Schließen des Anodenspülventils werden aus dem Rezirkulationsströmungspfad Anodenabgase entnommen und in einen Abgaspfad (z.B. in eine Anodenspülleitung) eingeleitet. In der Regel ist das Anodenspülventil im, am oder stromab vom Wasserabscheider vorgesehen. Das Anodenspülventil ist regelmäßig ein elektromagnetisches Ventil.
  • Das Anoden-Subsystem umfasst mindestens einen Rezirkulationsförderer zur Förderung von Brennstoff in den Anodenzuströmungspfad. Der Rezirkulationsförderer ist zweckmäßig im Rezirkulationsströmungspfad angeordnet. Der Rezirkulationsförderer wird insbesondere nicht von einer Strahlpumpe ausgebildet.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge), umfassend das hier offenbarte Brennstoffzellensystem.
  • Anstelle der Stoffmenge kann natürlich die Teilchenzahl des jeweiligen Gases bestimmt werden, da die Teilchenzahl direkt von der Stoffmenge bzw. umgekehrt über die Avogadro-Konstante (6,02214076 * 1023/mol) abhängig ist. Ebenso ist die Masse des Wasserstoffs bzw. des Inertgases direkt von der Stoffmenge bzw. umgekehrt abhängig und kann anstelle der Stoffmenge bestimmt werden.
  • Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie, dass der gemessene Stickstoffdruck nach Installation bzw. Einbau des Druckbehälters im Kraftfahrzeug, z.B. im Steuergerät, gespeichert wird (z.B. mittels Diagnosejob) und nach der Betankung mit Wasserstoff wird mittels des bekannten Innenvolumens des Druckbehälters das H2/N2-Verhältnis im Druckbehälter berechnet bzw. bestimmt. Nun kann das Modell zur Wasserstoffkonzentrationsschätzung der Anode entsprechend der berechneten H2-Konzentration bzw. dem H2-Anteil korrigiert werden und z.B. durch erhöhte Rezirkulation und/oder Purgerate reagiert werden. Diese Berechnung des H2/N2-Verhältnisses kann beim nächsten Tankvorgang wiederholt werden, nur das dann die Teilchenzahl für Wasserstoff und die Teilchenzahl von Stickstoff vor dem Tanken des Wasserstoffs ausgerechnet werden muss und nach dem Tanken bei der Neuberechnung der Wasserstoffkonzentration entsprechend verrechnet bzw. beachtet wird.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand einer Figur erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der hier offenbarten Technologie in einem Kraftfahrzeug.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der hier offenbarten Technologie in einem Kraftfahrzeug 10.
  • Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle 30 zum Erzeugen von elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10, einen Druckbehälter 20 zum Speichern von Wasserstoff und ein Steuergerät 40 zum Steuern und/oder Regeln der Zufuhr des Gases bzw. Gasgemisches aus dem Druckbehälter 20 zu der Brennstoffzelle 30 auf.
  • Das Kraftfahrzeug 10 kann ein PKW, ein Motorrad, ein Bus, ein Flugzeug, ein Schiff oder ein LKW sein.
  • Die Brennstoffzelle 30 kann wiederum einen Brennstoffzellenstapel umfassen, d.h. mehrere einzelne Brennstoffzellen aufweisen.
  • Der Druckbehälter 20 wird vor seinem Einbau in das Kraftfahrzeug 10 geprüft, u.a. auf Dichtigkeit etc. Hierfür wird der Druckbehälter 20 mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff, gefüllt. Anschließend wird der Stickstoff zumindest teilweise wieder aus dem Druckbehälter 20 entfernt. Jedoch darf der Druck in dem Innenvolumen des Druckbehälters 20 einen vorgegebenen Mindestdruck typischerweise nicht unterschreiten, um Schäden des Druckbehälters 20 zu verhindern. Daher verbleibt ein Teil des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20, wenn der Druckbehälter 20 in das Kraftfahrzeug 10 eingebaut wird.
  • Wenn der Druckbehälter 20 mit Wasserstoff befüllt wird bzw. Wasserstoff in den Druckbehälter 20 zugeführt wird, bildet sich ein Wasserstoff/StickstoffGemisch in dem Druckbehälter 20. Dieses wird anschließend der Anode der Brennstoffzelle 30 zugeführt. Das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Stickstoff in dem Gasgemisch in dem Druckbehälter 20 wird bestimmt, um unabhängig von dem Verhältnis eine vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit der Anode der Brennstoffzelle 30 zur Verfügung zu stellen.
  • Hierfür kann die Strömungsrate, d.h. die Menge, die pro Zeiteinheit der Anode an Gasgemisch aus dem Druckbehälter 20 zugeführt wird, erhöht oder erniedrigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Rezirkulation des Gasgemisches, das sich bereits an der Anode befand, erhöht oder erniedrigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei geschlossenen Brennstoffzellensystemen, bei denen das Gasgemisch für einen Zeitraum an der Anode der Brennstoffzelle 30 verleibt, die Purgerate, d.h. die Frequenz und die Öffnungsdauer eines Anodenspülventils zum Spülen von Gasen von der Anode weg, erhöht oder erniedrigt werden.
  • Ziel ist es, der Anode die vorgegebene Menge an Wasserstoff pro Zeiteinheit zur Verfügung zu stellen, egal ob der Wasserstoffanteil beispielsweise 70-Volumenprozent oder 90-Volumenprozent des Gasgemisches in dem Druckbehälter 20 beträgt.
  • Zunächst wird die Stoffmenge des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20 vor dem ersten Zuführen des Wasserstoffs bzw. Betanken mit Wasserstoff bestimmt. Die Temperatur und der Druck des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20 werden gemessen. Dieser Wert der Stoffmenge kann auch beispielsweise in dem Steuergerät 40 gespeichert sein. Zudem ist das Innenvolumen des Druckbehälters 20 bekannt oder wird gemessen. Hieraus lässt sich mittels der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase die Stoffmenge bzw. Teilchenzahl des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20 bestimmen: N = ( p * V ) / ( k B * T )
    Figure DE102019126042A1_0001
    wobei
    • N
    die Stoffmenge ist,
    p
    der Druck des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20 ist,
    V
    das Innenvolumen des Druckbehälters 20 ist,
    kB
    die Boltzmann-Konstante ist, und
    T
    die Temperatur des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20 ist.
  • Die Teilchenzahl lässt sich durch folgende Formel bestimmen: n = ( p * V ) / ( R m * T )
    Figure DE102019126042A1_0002
    wobei
    • n
    die Teilchenanzahl ist,
    p
    der Druck des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20 ist,
    V
    das Innenvolumen des Druckbehälters 20 ist,
    Rm
    die universelle Gaskonstante ist, und
    T
    die Temperatur des Stickstoffs in dem Druckbehälter 20 ist.
  • Diese Werte werden vor dem ersten Befüllen des Druckbehälters 20 mit Wasserstoff bzw. vor dem ersten Einführen von Wasserstoff in den Druckbehälter 20 erfasst bzw. bestimmt. Anschließend wird der Druckbehälter 20 mit Wasserstoff befüllt bzw. es wird Wasserstoff in den Druckbehälter 20 eingebracht und es bildet sich ein Gasgemisch umfassend oder bestehend aus Wasserstoff und Stickstoff in dem Druckbehälter 20.
  • Nun wird die Stoffmenge des Wasserstoffs bestimmt. Dies kann durch Erfassung der Menge an zugeführtem bzw. getanktem Wasserstoff durchgeführt werden. Wenn beispielsweise das Volumen, die Temperatur und der Druck des zugeführten Wasserstoffs bekannt sind, kann die zugeführte Wasserstoffmenge bzw. Stoffmenge an Wasserstoff bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wasserstoffmenge in dem Druckbehälter 20 auf folgende Weise bestimmt werden: Es wird die Temperatur und der Druck des Gasgemisches bestimmt. Das Innenvolumen des Druckbehälters 20 ist im Wesentlichen unverändert bzw. wird als solches angenommen.
  • Mittels folgender Formel kann die Stoffmenge des Wasserstoffs bestimmt werden: N Wasserstoff = ( p * V ) / ( k B * T ) − N Stickstoff
    Figure DE102019126042A1_0003
    wobei
    • NWasserstoff
    die Stoffmenge des Wasserstoffs ist,
    NStickstoff
    die Stoffmenge des Stickstoffs ist,
    p
    der Druck des Gasgemisches in dem Druckbehälter 20 ist,
    V
    das Innenvolumen des Druckbehälters 20 ist,
    kB
    die Boltzmann-Konstante ist, und
    T
    die Temperatur des Gasgemisches in dem Druckbehälter 20 ist.
  • Die Stoffmenge des Stickstoffs ist zuvor bestimmt worden und somit bekannt. Das Innenvolumen des Druckbehälters 20 ist im Wesentlichen unveränderlich bzw. unverändert bzw. wird als unverändert angenommen. Entsprechend kann auch die Teilchenanzahl des Gasgemisches bestimmt werden.
  • Anschließend kann das Verhältnis zwischen Stickstoff und Wasserstoff bzw. zwischen Wasserstoff und Stickstoff in dem Druckbehälter 20 bestimmt werden. Dieses kann nun dafür verwendet werden um zu bestimmen, wieviel Gasgemisch einer Anode der Brennstoffzelle 30 (pro Zeiteinheit) zugeführt werden muss, um eine vorgegebene Menge bzw. Stoffmenge an Wasserstoff (pro Zeiteinheit) der Anode der Brennstoffzelle 30 zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise beträgt der Volumenanteil des Wasserstoffs an dem Gasgemisch 80% (somit ist der Volumenanteil des Stickstoffs an dem Gasgemisch 20%). Daher muss der Anode pro Sekunde 1 Liter Gasgemisch zugeführt werden, um der Anode pro Sekunde 0,8 Liter Wasserstoff zuzuführen.
  • Das Steuergerät 40 kann auf Grundlage des bestimmten Verhältnisses die Zufuhr an Gasgemisch regeln bzw. steuern, die Rezirkulation und/oder die Purgerate regeln bzw. steuern.
  • Auch bei einem erneuten Tanken bzw. Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter 20 kann das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Stickstoff bestimmt werden. Hierzu werden vor dem zweiten bzw. erneuten Tanken des Wasserstoffs der Druck und die Temperatur des Gasgemisches und die Stoffmenge bzw. Teilchenanzahl des Stickstoffs und des Wasserstoffs bestimmt und anschließend, d.h. nach dem Betanken mit Wasserstoff, der Druck und die Temperatur des Gasgemisches erneut bestimmt. Somit werden die Stoffmenge des Wasserstoffs und die Stoffmenge des Inertgases vor dem zweiten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter 20 bestimmt, insbesondere unmittelbar bzw. kurz vor dem vor dem zweiten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter 20. Das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Inertgas vor dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter 20 hat sich durch die Entnahme des Gasgemisches aus dem Druckbehälter 20 nicht verändert. Die Bestimmung der Stoffmenge des Wasserstoffs und der Stoffmenge des Inertgases vor dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter 20 kann z.B. durch Erfassung der Stoffmenge des aus dem Druckbehälter 20 ausgeführten bzw. entnommenen Gasgemisches bestimmt werden.
  • Durch die thermodynamische Zustandsgleichung idealer Gase kann das neue Verhältnis, d.h. nach dem zweiten Zuführen von Wasserstoff, zwischen Stickstoff und Wasserstoff in dem Druckbehälter 20 berechnet werden. Dementsprechend kann das Steuergerät 40 die Zufuhrrate des Gasgemisches zu der Anode, die Rezirkulationsrate der Brennstoffzelle 30 und/oder die Purgerate der Brennstoffzelle 30 anpassen, um der Anode der Brennstoffzelle 30 die vorgegebene Menge an Wasserstoff (pro Zeiteinheit) bereitzustellen.
  • Die vorgegebene Menge an Wasserstoff (pro Zeiteinheit), die der Anode zur Verfügung gestellt wird, kann u.a. von der Last der Brennstoffzelle 30 bzw. von der benötigten Leistung der Brennstoffzelle 30 abhängen.
  • Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter 20, das/ein Steuergerät 40, die/eine Brennstoffzelle 30, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter 20, das mindestens eine Steuergerät 40, die mindestens eine Brennstoffzelle 30, etc.).
  • Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“).
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kraftfahrzeug
    20
    Druckbehälter
    30
    Brennstoffzelle
    40
    Steuergerät

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bereitstellen von Wasserstoff aus einem Druckbehälter (20) an einer Brennstoffzelle (30) in einem Kraftfahrzeug (10), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Zuführen eines Inertgases, insbesondere von Stickstoff, in den Druckbehälter (20); - Bestimmen einer Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter (20); - erstes Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter (20); - Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter (20); - Bestimmen des Wasserstoff/Inertgas-Verhältnisses basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs und der bestimmten Stoffmenge des Inertgases; - Zuführen des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgas zu der Brennstoffzelle (30); und - Bereitstellen einer vorgegebenen Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit durch das Gasgemisch an der Brennstoffzelle (30) basierend auf dem bestimmten Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis in dem Druckbehälter (20).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter (20) durch Erfassen der zugeführten Stoffmenge an Wasserstoff bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter (20) folgende Schritte umfasst: - Bestimmen des Drucks und der Temperatur des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgas in dem Druckbehälter (20); und - Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter (20) basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Inertgases vor dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20), des Innenvolumens des Druckbehälters (20), des Drucks und der Temperatur des Gasgemisches in dem Druckbehälter (20) nach dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rezirkulation von Wasserstoff an der Brennstoffzelle (30) basierend auf dem Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis in dem Druckbehälter (20) derart angepasst wird, dass der Brennstoffzelle (30) die vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit bereitgestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer und/oder Frequenz der Öffnung eines Anodenspülventils zum Spülen von Gasen von der Anode der Brennstoffzelle (30) abhängig von dem bestimmten Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis derart angepasst wird, dass der Brennstoffzelle (30) die vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit bereitgestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter (20) basierend auf dem Innenvolumen des Druckbehälters (20), der Temperatur des Inertgases in dem Druckbehälter (20) vor dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20) und des Drucks des Inertgases in dem Druckbehälter (20) vor dem ersten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner folgende Schritte umfassend: - Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs und der Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter (20) vor einem zweiten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter (20); - zweites Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter (20); - Bestimmen des Drucks des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgases in dem Druckbehälter (20) nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20); - Bestimmen einer Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter (20) nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20) basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Inertgases vor dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs, der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs vor dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20) und dem Druck des Gasgemisches in dem Druckbehälter (20) nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20); und - erneutes Bestimmen des Wasserstoff/Inertgas-Verhältnisses basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs nach dem zweiten Zuführen des Wasserstoffs in den Druckbehälter (20) und der bestimmten Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter (20).
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei abhängig von dem Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis der Brennstoffzelle (30) derart Gasgemisch aus dem Druckbehälter (20) zugeführt wird, dass eine vorgegebene Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit zu der Brennstoffzelle (30) strömt.
  9. Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug (10), wobei das Brennstoffzellensystem folgendes umfasst: eine Brennstoffzelle (30) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (10), einen Druckbehälter (20) zum Speichern von Wasserstoff für die Brennstoffzelle (30), und ein Steuergerät (40) zum Bereitstellen von Wasserstoff aus dem Druckbehälter (20) an der Brennstoffzelle (30), wobei in dem Druckbehälter (20) ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, gespeichert ist, wobei das Steuergerät (40) - zum Bestimmen einer Stoffmenge des Inertgases in dem Druckbehälter (20) vor einem ersten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter (20), - zum Bestimmen der Stoffmenge des Wasserstoffs in dem Druckbehälter (20) nach einem ersten Zuführen von Wasserstoff in den Druckbehälter (20), - zum Bestimmen des Wasserstoff/Inertgas-Verhältnisses basierend auf der bestimmten Stoffmenge des Wasserstoffs und der bestimmten Stoffmenge des Inertgases, - zum Zuführen des Gasgemisches umfassend Wasserstoff und Inertgas zu der Brennstoffzelle (30), und - zum Bereitstellen einer vorgegebenen Wasserstoffmenge pro Zeiteinheit durch das Gasgemisch an der Brennstoffzelle (30) basierend auf dem bestimmten Wasserstoff/Inertgas-Verhältnis in dem Druckbehälter (20) ausgebildet ist.
  10. Kraftfahrzeug (10) mit einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9.
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