DE102019211600A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle und dieser zugeordneten Nebenaggregaten einschließlich eines elektrisch betriebenen Turboladers (3) für die Komprimierung des Kathodengases und einer elektrischen Speichereinheit, für den Fall eines elektrischen Leistungsüberschusses, der nicht an die elektrische Speichereinheit abgegeben werden kann, umfassend die Schritte der Nutzung des Turboladers (3) als Leistungssenke durch eine schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung an den Turbolader mittels einer Beschleunigung der Turbine, der Zuleitung des im Überschuss komprimierten Kathodengases durch eine ein Drosselventil (8) aufweisende Bypass-Leitung (4) um die Brennstoffzelle und zumindest teilweises Schließen des Drosselventils (8) zur Erhöhung der Leistungsaufnahme des Turboladers (3).

Description

  • Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle und dieser zugeordneten Nebenaggregaten einschließlich eines elektrisch betriebenen Turboladers für die Komprimierung des Kathodengases und einer elektrischen Speichereinheit, für den Fall eines elektrischen Leistungsüberschusses, der nicht an die elektrische Speichereinheit abgegeben werden kann, umfassend die Schritte der Nutzung des Turboladers als Leistungssenke durch eine schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung an den Turbolader mittels einer Beschleunigung der Turbine, der Zuleitung des im Überschuss komprimierten Kathodengases durch eine ein Drosselventil aufweisende Bypass-Leitung um die Brennstoffzelle unter Öffnung des Drosselventils und zumindest teilweises Schließen des Drosselventils zur Erhöhung der Leistungsaufnahme des Turboladers.
  • Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion durch Umsetzung eines Brennstoffes, in der Regel Wasserstoff, und eines Oxidationsmittel, in der Regel der in der Luft enthaltene Sauerstoff. Die dadurch bereitgestellte Leistung ist skalierbar, indem mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden, sodass die Nennleistung so groß gewählt werden kann, dass der Brennstoffzellenstapel auch zur Versorgung eines einem Kraftfahrzeug zugeordneten Traktionsmotores geeignet ist. Der Brennstoffzellenstapel muss dafür durch Nebenaggregate zu einer Brennstoffzellenvorrichtung ergänzt werden, beispielsweise wenn der Bedarf an Sauerstoff so hoch ist, dass der dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellte Luftmassenstrom erhöht werden muss, also eine Kompression der Umgebungsluft erfolgt, wozu insbesondere auch ein elektrisch betriebener Turbolader als Verdichter geeignet ist. Der Brennstoffzellenvorrichtung ist auch eine elektrische Speichereinheit, in der Regel ein Akkumulator als „Batterie“ zugeordnet.
  • Beim Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung können, insbesondere bei deren Einsatz in einem Kraftfahrzeug, Bedingungen eintreten, bei denen ein Leistungsüberschuss vorliegt, beispielsweise die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges reduziert wird oder eine Passhöhe erklommen ist. Der Leistungsüberschuss kann in einfachster Weise der elektrischen Speichereinheit zur Verfügung gestellt werden, wobei dies aus Effizienzgründen die Methode der Wahl ist. Es sind allerdings auch Konstellationen denkbar, in denen die elektrischen Speichereinheit keine weitere Ladung aufnehmen kann. Da ein Brennstoffzellenstapel konzeptbedingt eine Mindestleistung abgeben muss, kann sich das Erfordernis ergeben, den Brennstoffzellenstapel abzuschalten, was nachteilig ist, das auf eine erneute erhöhte Leistungsanforderung nicht schnell reagiert werden kann.
  • Auch kann es im hochdynamischen Betrieb des Kraftfahrzeuges zu Spannungs- und Stromspitzen im Hochvolt-System kommen, was gleichfalls zur Vermeidung von Schäden an der Brennstoffzellenvorrichtung abgepuffert werden muss.
  • In der US 2007/0202367 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Gasdichtigkeitsprüfung beschrieben, wobei auch das vorstehend erläuterte Problem erwähnt ist, nämlich dass die Erzeugung elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel die Aufnahmekapazität der Verbraucher, insbesondere der Batterie und Hilfsaggregate überschreitet, wobei dieser Leistungsüberschuss verbraucht wird, indem die elektrischen Verluste der Hilfsaggregate erhöht werden, beispielsweise die Belastung des Kompressors erhöht wird.
  • In der DE 10 2017 201 276 A1 ist ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Bei diesem Verfahren wird während einer Aufwärmphase die Förderrichtung des Oxidationsmittel umgedreht im Verhältnis der Förderrichtung des Oxidationsmittels während des Normalbetrieb, sodass der Kathode über die Kathodenabgasleitung Luft zugeführt wird. Zeitgleich kann während dieser Aufwärmphase über die Anodenspülleitung Brennstoff der Kathodenabgasleitung und somit dem Kathodenraum zugeführt werden. Im Kathodenraum reagieren Sauerstoff und Wasserstoff unter Freisetzung von Wärme, um so während der Aufwärmphase das schnelle Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels zu fördern. Angesprochen ist auch das Problem, dass während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems Leerlaufspannungen am Brennstoffzellenstapel auftreten können, so dass die Möglichkeit einer Leistungsentnahme vorhanden sein soll, falls der elektrische Energiespeicher bereits gefüllt ist. Dabei kann ein Oxidationsförderer mit vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad als zusätzliche Leistungssenke behilflich sein, wobei während der Aufwärmphase ein kathodenseitiges Bypassventil geschlossen ist. Über den Bypass kann auch die Förderung des Oxidationsmittelförderers gesteigert werden, falls dieser als Leistungssenke genutzt werden soll.
  • In der DE 10 2014 005 598 A1 ist bei einer Brennstoffzellenvorrichtung ein Verfahren zur Bereitstellung von elektrischer Leistung offenbart, bei der zur Gewährleistung eines hochdynamischen Betriebes die Luftfördereinrichtung bei einem Leistungsübergang von einer kleineren Leistungsanforderung auf eine größere Leistungsanforderung in die Regelung einbezogen ist, derart, dass die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung in Abhängigkeit einer verfügbaren Leistung des elektrischen Energiespeichers vorgegeben wird, um beispielsweise bei einer starken Beschleunigung des Kraftfahrzeug die verfügbare Leistung nicht ungünstig zwischen den Traktionsmotor und den elektrischen Antriebsmotors der Luftfördereinrichtung zu verteilen. Mit zunehmender Leistung von der Brennstoffzelle wird die Grenze der Luftfördereinrichtung zur Verfügung gestellten Leistung angehoben, um eine vollständige Beschleunigung der Luftfördereinrichtung auf den gewünschten Wert zu ermöglichen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, durch das die Nutzung eines elektrisch betriebenen Turbolader als Leistungssenke für einen Leistungsüberschuss verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist erreicht, dass in Situationen, in denen die Brennstoffzellenvorrichtung ansonsten unter Umständen in undefinierten bzw. ungewollten Zustände ausgeschaltet werden müsste, vermieden werden, bzw. die Grenze, in denen das Ausschalten doch erforderlich ist, weiter verschoben werden kann. Dies wird erreicht, indem nicht lediglich ein elektrischer Leistungsüberschuss dem elektrisch betriebenen Turbolader zugeführt wird, sondern dessen Betrieb so gewählt ist, dass dieser möglichst viel Energie verbraucht, also einen großen Leistungsbedarf besitzt. Dies wird erreicht durch eine schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung, bei dem die dem Turbolader eigene Turbine entsprechend schnell beschleunigt wird, was mehr Energie verbraucht, als eine langsame Leistungsanpassung. Diese schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung ist naturgemäß auch mit einem erhöhten Luftmassenstrom verbunden, der den durch den Brennstoffzellenstapel gegebenen Bedarf übersteigen kann, so sich dies nachteilig auf dessen Betrieb auswirken kann, auch durch eine Verschiebung des stöchiometrischen Verhältnisses der Reaktanten und einen erhöhten Feuchteeintrag in den Brennstoffzellenstapel. Daher ist die Möglichkeit geschaffen, den überschüssigen Luftmassenstrom durch die Bypassleitung an die Brennstoffzelle vorbei zu führen, wobei durch die Erfindung bekannt ist, dass das durch das der Bypass-Leitung zugeordnete Dresselventil die Möglichkeit ergibt, die Leistungsaufnahme des Turbolader zu erhöhen, nämlich durch das erneute teilweise Schließen des Drosselventils, um die überschüssige Luftmasse aufzustauen und den Strömungswiderstand zu erhöhen.
  • Bevorzugt ist dabei, wenn die Beschleunigung der Turbine mit mindestens 60% der Maximalbeschleunigung, insbesondere mindestens 80% der Maximalbeschleunigung und vorzugsweise mit mindestens 90% der Maximalbeschleunigung erfolgt, also die schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung nicht willkürlich gewählt, sondern auch mit der Größe des Leistungsüberschusses korreliert sein kann.
  • Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das zumindest teilweise Schließen des Drosselventils zeitlich an das Ende der Beschleunigung der Turbine anschließt, da so die Möglichkeit besteht, über den im stationären Bereich konstanten Energiebedarf der Turbine durch die Erhöhung der Strömungswiderstände eine erhöhte Leistungsanforderung zeitlich auszudehnen.
  • Vorgesehen ist weiterhin, dass die Turbine mindestens bis zu 90% ihrer Maximaldrehzahl beschleunigt, da so eine schnelle Alterung des Turbolader durch Vermeidung einer Grenzbelastung vermieden ist und darüber hinaus auch eine Leistungsreserve bereitgehalten wird, um gegebenenfalls eine weitere Leistungssenke für einen weiteren elektrischen Leistungsüberschuss bereitzustellen. Da das Beschleunigen der Turbine gegenüber deren stationären Betrieb mit konstanter Drehzahl deutlich mehr Energie verbraucht, wird auch die Möglichkeit ausgenutzt, dass nach der Erhöhung der Leistungsaufnahme des Turbolader durch das zumindest teilweise Schließen des Drosselventils iterativ die Drehzahl der Turbinen gesenkt und anschließend eine erneute Beschleunigung der Turbine erfolgt, also die leistungsverzehrenden Zustände bedarfsweise vielfach generiert werden.
  • Zweckmäßig ist weiterhin, dass die Bypass-Leitung in die Kathodenabgasleitung geführt wird, damit nur geringem zusätzlichen konstruktiven Aufbau das wünschenswerte Verfahren durchgeführt werden kann.
  • In diesem Verfahren ist weiterhin vorgesehen, dass der der Brennstoffzelle zugeführte Luftmassenstrom konstant oder entsprechend der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle eingestellt ist, also durch die Bypass-Leitungen nur so viel von dem Luftmassenstrom abgeleitet wird, dass der Betrieb der Brennstoffzelle nicht beeinträchtigt ist.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung des zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung, gezeigt für deren Normalbetrieb, und
    • 2 eine der 1 entsprechende Darstellung, gezeigt für das Vorliegen eines Leistungsüberschuss.
  • Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis, in den als Verbraucher ein Traktionsmotor geschaltet sein kann, an die Kathode oder an eine elektrische Speichereinheit geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/E lektronenaufnahme).
  • Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird. Der Verdichter ist durch einen elektrisch betriebenen Turbolader 3 realisiert.
  • In 1 ist schematisch der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil der Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt.
  • Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann Betriebszuständen unterliegen, in denen ein Leistungsüberschuss vorliegen kann, der im Normalfall ein Ausschalten der Brennstoffzellenvorrichtung erforderte. Durch das nachfolgend geschilderte, erfindungsgemäße Verfahren besteht die Möglichkeit, dieses Abschalten zu vermeiden oder zumindest die Grenzen weit zu verschieben, nach deren Überschreiten ein Abschalten erforderlich wird. Dazu wird für den Fall des Vorliegens eines elektrischen Leistungsüberschusses, der nicht an die elektrische Speichereinheit abgegeben werden kann die Nutzung des Turboladers 3 als Leistungssenke initiiert, wozu eine schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung an den Turbolader 3 mittels einer Beschleunigung der Turbine erfolgt mit der Zuleitung des im Überschuss komprimierten Kathodengases durch eine ein Drosselventil 8 aufweisenden Bypass-Leitung 4 um die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstapel 2 herum mit der simultanen Öffnung des Drosselventils 8. Dies ist in den 1 und 2 symbolisiert durch die Dicke der Pfeile, wobei in 2 die Strömung durch die Bypass-Leitung 4 erhöht ist bei konstanter Strömung durch den Brennstoffzellenstapel 2. Die Größe der für den E-Motor des Turboladers 3 bereitgestellten elektrischen Leitung ist durch die Dicke des Pfeils 6 symbolisiert. Weiterhin ist Bestandteil des Verfahrens ein erneutes teilweises Schließen des Drosselventils 8 zur Erhöhung der Leistungsaufnahme des Turboladers 3, so dass der Leistungsüberschuss verbraucht wird zum einen durch die Beschleunigung der Turbine, die gegenüber dem stationären Betrieb deutlich mehr Energie verbraucht sowie durch die erforderliche Erhöhung der Leistungsaufnahme des Turboladers 3 durch das teilweise Schließen des Drosselventil 8, was eine Erhöhung des Strömungswiderstandes bewirkt. Die Beschleunigung der Turbine für die schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung erfolgt dabei mit mindestens 60% der Maximalbeschleunigung, wobei aber, gegebenenfalls in Abhängigkeit der Höhe des Leistungsüberschusses, auch mindestens 80% oder 90% der Maximalbeschleunigung genutzt werden können.
  • Eine Besonderheit des Verfahrens liegt auch darin, das zumindest teilweise Schließen des Drosselventils 8 zeitlich an das Ende der Beschleunigung der Turbine anschließt, also eine zeitliche Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte vorliegt, um eine erhöhte Leistungsanforderung dann noch bieten zu können, wenn das Ende der Beschleunigung erreicht ist und dafür dann entsprechend kein Energiebedarf mehr gegeben ist.
  • Dieser Wechsel zwischen einer Beschleunigung der Turbine mit einem in der Bypass-Leitung 4 geöffneten Drosselventil 8 und dem anschließenden teilweise Schließen des Drosselventils 8 kann bedarfsweise auch mehrfach durchlaufen werden, indem teilweise Schließen des Drosselventils 8 auch eine Senkung der Drehzahl der Turbine erfolgt.
  • Die Bypass-Leitung 4 ist in die Kathodenabgasleitung 5 geführt.
  • Die Turbine wird bis mindestens zu 90% ihrer Maximaldrehzahl beschleunigt, um die gegebene Leistungssenke möglichst weitgehend ausnutzen zu können. Dabei wird sichergestellt, dass trotz des dadurch erhöht Luftmassenstroms der den Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte Luftmassenstrom konstant oder entsprechend der Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel 2 eingestellt ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Turbolader
    4
    Bypass-Leitung
    5
    Kathodenabgasleitung
    6
    bereitgestellte elektrische Leitung
    7
    E-Motor
    8
    Drosselventil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2007/0202367 A1 [0005]
    • DE 102017201276 A1 [0006]
    • DE 102014005598 A1 [0007]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle und dieser zugeordneten Nebenaggregaten einschließlich eines elektrisch betriebenen Turboladers (3) für die Komprimierung des Kathodengases und einer elektrischen Speichereinheit, für den Fall eines elektrischen Leistungsüberschusses, der nicht an die elektrische Speichereinheit abgegeben werden kann, umfassend die Schritte der Nutzung des Turboladers (3) als Leistungssenke durch eine schnelle Erhöhung der Leistungsanforderung an den Turbolader (3) mittels einer Beschleunigung der Turbine, der Zuleitung des im Überschuss komprimierten Kathodengases durch eine ein Drosselventil (8) aufweisende Bypass-Leitung (4) um die Brennstoffzelle unter Öffnung des Drosselventils (8), und erneutes teilweises Schließen des Drosselventils (8) zur Erhöhung der Leistungsaufnahme des Turboladers (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung der Turbine mit mindestens 60 % der Maximalbeschleunigung, insbesondere mindestens 80 % der Maximalbeschleunigung und vorzugsweise mit mindestens 90 % der Maximalbeschleunigung erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise Schließen des Drosselventils (8) zeitlich an das Ende der Beschleunigung der Turbine anschließt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine mindestens bis zu 90 % ihrer Maximaldrehzahl beschleunigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erhöhung der Leistungsaufnahme des Turboladers (3) durch das zumindest teilweise Schließen des Drosselventils iterativ die Drehzahl der Turbine gesenkt und anschließend eine erneute Beschleunigung der Turbine erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Leitung (4) in die Kathodenabgasleitung (5) geführt ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der der Brennstoffzelle zugeführte Luftmassenstrom konstant oder entsprechend der Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle eingestellt ist.
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