DE102020123931A1

DE102020123931A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102020123931A1
Application number: DE102020123931.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Krischke
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2022-03-17
Also published as: WO2022058060A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (4) und einer anodenseitigen regelbaren Saugstrahlpumpe (9), umfassend die Schritte:- Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einem ersten Betriebsmodus für untere Lastbereiche, wobei der Öffnungsquerschnitt einer Saugstrahlpumpendüse pulsierend geöffnet wird,- Umschalten in einen zweiten Betriebsmodus bei steigender Last, wobei der Druck stromauf der Saugstrahlpumpe (9) konstant gehalten und der Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse an die Last angepasst wird.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel und einer anodenseitigen regelbaren Saugstrahlpumpe, umfassend die Schritte:

- Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung in einem ersten Betriebsmodus für untere Lastbereiche, wobei der Öffnungsquerschnitt einer Saugstrahlpumpendüse pulsierend geöffnet wird,
- Umschalten in einen zweiten Betriebsmodus bei steigender Last, wobei der Druck stromauf der Saugstrahlpumpe konstant gehalten und der Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse an die Last angepasst wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den bei der chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, die Luft in einem Verdichter zu komprimieren. Anodenseitig wird der Brennstoff zumeist aus einem Brennstoffreservoir bereitgestellt. Den Brennstoffzellen wird der Brennstoff und auch das Oxidationsmittel überstöchiometrisch zugeführt, um deren Effizienz zu maximieren. An den Brennstoffzellen nicht abreagierter Brennstoff wird zur Reduktion des Brennstoffverbrauchs in einem Anodenkreislauf rezirkuliert, d.h. den Brennstoffzellen erneut zugeführt. Zur Förderung des Brennstoffes wird eine Saugstrahlpumpe mit dem Brennstoff als Treibmedium eingesetzt, die zugleich den nicht abreagierten Brennstoff aus dem Anodenkreislauf fördert.
Die Saugstrahlpumpe ist dabei regelbar, um die Rezirkulationsfähigkeit lastpunktabhängig anpassen zu können. Die Regelbarkeit wird durch eine Veränderung des Querschnitts der Düse der Saugstrahlpumpe erreicht. Diese Anordnung wird bisher noch nicht seriell produziert, da die Leistungsfähigkeit in System-Lastpunkten mit nur geringem Brennstoffverbrauch und dementsprechend gering zugeführten Brennstoff-Treibmassenstrom nicht ausreichend ist, um einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen.
In der DE 10 2011 086 917 A1 wird eine Brennstoffzellenvorrichtung offenbart, bei der eine Strahlpumpe und ein stromauf angeordnetes Proportional-Magnetventil mit einer Wasserstoffversorgungsleitung in Verbindung steht. Eine Regeleinrichtung regelt den Betrieb des Proportional-Magnetventils gemäß einem Pulse-Flow-Regelungsverfahrens in einem Abschnitt im unteren Leistungsbereich, in welchem eine augenblickliche Leistung niedriger als eine vorbestimmte Referenzleistung ist. Die WO 2007/124006 A2 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Saugstrahlpumpe und einem Regelventil, das pulsierend für die Brennstoffversorgung des Brennstoffzellenstapel geöffnet wird. Eine Strahlpumpeneinheit mit einem Dosierventil wird in der DE 10 2017 212 726 B3 beschrieben, wobei der Strömungsquerschnitt des Durchlasskanals des Dosierventils veränderlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum verbesserten Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowohl bei niedrigen als auch hohen Lastanforderungen bereitzustellen.
Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das eingangs genannte Verfahren bietet den Vorteil, dass das pulsierende Öffnen des Öffnungsquerschnitts der Saugstrahlpumpendüse zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der regelbaren Saugstrahlpumpe und damit zu einer gesteigerten Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung in einem niedrigen Lastbereich, also bei einer Lastanforderung die niedriger ist als ein zuvor definiertes Referenzniveau, führt, und zwar auch ohne ein stromauf angeordnetes Regelventil, so dass ein vereinfachter apparativer Aufbau vorliegt und die Vorteile des Pulsbetriebes allein durch die Saugstrahlpumpe bereit gestellt sind. Das Umschalten in den zweiten Betriebsmodus bei höheren Lastanforderungen, also Lastanforderungen die über dem zuvor definierten Referenzniveau liegen, ermöglicht den Betrieb in herkömmlicher Weise ohne Pulsation.
Auch besteht die Möglichkeit, dass im ersten Betriebsmodus ein stromauf der regelbaren Saugstrahlpumpe angeordnetes Druckregelventil pulsierend geöffnet wird. Durch das pulsierende Öffnen des Druckregelventils wird ein Druckstoß erzeugt, der ergänzend die Modifikation des Druckes in der Anodenleitung bewirken kann und so auch größere Druckänderungen in einfacher Weise realisiert werden können, wobei die erforderliche Brennstoffmenge über eine Modifizierung der Ansteuerung des Druckregelventils eingeregelt wird, wodurch es stromauf der Saugstrahlpumpe zu einer pulsierenden Dynamik kommt.
Es ist weiterhin möglich, dass das Druckregelventil und der Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse geschlossen werden, wodurch eine doppelte Absperrfunktion erreicht wird.
Besonders vorteilhaft ist es, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von mindesten einem Parameter umgeschaltet wird, wobei der Parameter ausgewählt wird aus einer Gruppe die umfasst das Lastprofil, den Wassergehalt und die Temperatur der mindestens einen Brennstoffzelle, den Anteil von Intergasen in der Brennstoffrezirkulationsleitung sowie den Brennstoffzellenstapelstrom und den Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle. Vorteilhaft ist es auch, dass das Umschalten der Betriebsmodi abhängig ist von einer beliebigen Kombination der Parameter. Das Umschalten zwischen den zwei Betriebsmodi ermöglicht eine verbesserte Leistungsfähigkeit und Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung bei verschiedenen Lastanforderungen. Weiterhin wird der Wasseraustrag verbessert und der Brennstoffverbrauch verringert. Durch eine verbesserte Betriebsstabilität wird zudem eine langsamere Alterung des Brennstoffzellenstapels realisiert.
Bevorzugt ist es auch, dass der Druck stromauf der Saugstrahlpumpe im zweiten Betriebsmodus dynamisch angepasst und auch die der Brennstoffzellenvorrichtung zugeführte Brennstoffmenge über den Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse dosiert wird. Dies erfolgt dabei ohne die im ersten Betriebsmodus genutzte Pulsation. Durch die Möglichkeit der dynamischen Anpassung und bedarfsgerechten Dosierung wird die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich des Verschleißes, der Kosten, der Betriebsstabilität und der Leistung gesteigert.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung der vorstehend genannten Art.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur 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 der Figur 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 Zeichnung. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Saugstrahlpumpe.

Aus der 1 ist zu ersehen, dass in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 anodenseitig ein Brennstofftank 10 vorliegt, aus dem Brennstoff durch eine Brennstoffleitung 5 einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel 4 zugeführt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Brennstoffzellen nur schematisch in ihrer seriellen Anordnung gezeigt. Des Weiteren liegt ein Anodenkreislauf 7 mit einer Brennstoffrezirkulationsleitung 2 vor, die von einem Anodenauslass 3 des Brennstoffzellenstapels 4 zu der Brennstoffleitung 5 stromauf eines Anodeneinlasses 6 geführt ist. Der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 kann ein nicht näher gezeigter Anodenabscheider zugeordnet sein, um überschüssige Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf 7 zu entfernen. Da in einer Brennstoffzelle die Reaktanten überstöchiometrisch bereitgestellt sind, ist in die Rezirkulationsleitung 2 ein Rezirkulationsgebläse 8 eingebunden, um den in dem Brennstoffzellenstapel 4 mit mehreren Brennstoffzellen nicht umgesetzten Brennstoff jeweils erneut zuzuführen, mithin zu „rezirkulieren“. Das Rezirkulationsgebläse 8 kann aber auch entfallen, weil die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 in eine regelbare Saugstrahlpumpe 9 der Brennstoffleitung 5 mündet, wobei die Saugstrahlpumpe 9 den Brennstoff als Treibmedium nutzt, so dass unterschiedliche Anteile des dem Brennstofftank 10 entnommenen frischen Brennstoffes und des rezirkulierten Brennstoffes dem Anodeneinlass 6 des Brennstoffzellenstapels 4 erneut zugeführt werden können.
Diese Saugstrahlpumpe 9 wird gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens bei geringen Lastanforderungen, also bei einem Lastbereich, der unter einem zuvor definierten Referenzniveau liegt mit einem geringen Bedarf an Brennstoff, der die Rezirkulierung nicht sicher gewährleistet, derart betrieben, dass der Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse pulsierend geöffnet wird. Es liegt also während des Pulses ein erhöhter Brennstoffstrom vor. Sobald die Lastanforderung über das zuvor definierte Referenzniveau ansteigt, wird in einen zweiten Betriebsmodus umgeschaltet, der durch einen konstanten Druck stromauf der Saugstrahlpumpe 9 und einen an die Last angepassten Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse charakterisiert ist.
Ergänzend ist es auch möglich, dass im ersten Betriebsmodus ein stromauf der regelbaren Saugstrahlpumpe 9 angeordnetes Druckregelventil 11 pulsierend geöffnet wird. Es besteht dann auch die Möglichkeit, dass das Druckregelventil 11 und der Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse geschlossen werden, wodurch eine doppelte Absperrfunktion erreicht wird.
Das Umschalten zwischen den zwei verschiedenen Betriebsmodi ist nicht ausschließlich von der Lastanforderung abhängig, sondern ist auch situationsbedingt beziehungsweise abhängig von mindestens einem Parameter. Dieser Parameter wird ausgewählt aus einer Gruppe die umfasst das Lastprofil, den Wassergehalt und die Temperatur der mindestens einen Brennstoffzelle sowie den Brennstoffzellenstapelstrom und den Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle. Die aufgezählten Parameter können auch in einer beliebigen Kombination zu einem Umschalten in den jeweiligen anderen Betriebsmodus führen.
Um eine weitere Verbesserung der Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 1 zu erzielen, ist es weiterhin möglich, dass der Druck stromauf der Saugstrahlpumpe 9 im zweiten Betriebsmodus dynamisch angepasst wird und/oder die der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführte Brennstoffmenge über den Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse dosiert wird, wodurch verbessert auf die geforderte Lastanforderung reagiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffrezirkulationsleitung
3: Anodenauslass
4: Brennstoffzellenstapel
5: Brennstoffleitung
6: Anodeneinlass
7: Anodenkreislauf
8: Rezirkulationsgebläse
9: Saugstrahlpumpe
10: Brennstofftank
11: Druckregelventil

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

DE 102011086917 A1 [0005]
WO 2007/124006 A2 [0005]
DE 102017212726 B3 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (4) und einer anodenseitigen regelbaren Saugstrahlpumpe (9), umfassend die Schritte: - Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einem ersten Betriebsmodus für untere Lastbereiche, wobei der Öffnungsquerschnitt einer Saugstrahlpumpendüse pulsierend geöffnet wird, - Umschalten in einen zweiten Betriebsmodus bei steigender Last, wobei der Druck stromauf der Saugstrahlpumpe (9) konstant gehalten und der Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse an die Last angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus ein stromauf der regelbaren Saugstrahlpumpe (9) angeordnetes Druckregelventil (11) pulsierend geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus das Druckregelventil und der Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse geschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter ausgewählt wird aus einer Gruppe die umfasst das Lastprofil, den Wassergehalt und die Temperatur der mindestens einen Brennstoffzelle, den Anteil von Intergasen in einer Brennstoffrezirkulationsleitung (2) sowie den Brennstoffzellenstapelstrom und den Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten der Betriebsmodi abhängig ist von einer Kombination der Parameter.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck stromauf der Saugstrahlpumpe (9) im zweiten Betriebsmodus dynamisch angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus die der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zugeführte Brennstoffmenge über den Öffnungsquerschnitt der Saugstrahlpumpendüse dosiert wird.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Kontrolleinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.