DE102021100185A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Befeuchtungsspeicher, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Befeuchtungsspeicher, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren (500) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) eines Kraftfahrzeugs (100), wobei das Brennstoffzellensystem (10) umfasst: wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (12) mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (14), wobei die Brennstoffzellen (14) jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die durch eine jeweilige protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind, eine in einem kathodenseitigen Reaktandenkreislauf angeordnete Befeuchtungseinrichtung (26), die wenigstens ein Speicherelement (27) aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein Befeuchtungsmedium, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu speichern, und wenigstens einen mit dem Brennstoffzellenstapel (12) in thermischer Wirkverbindung stehender Kühlmittelkreislauf (62). Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:Erfassen (S503) eines Speicherzustands des wenigstens einen Speicherelements (27); Anpassen (S504) von wenigstens einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (10) in Abhängigkeit von dem erfassten Speicherzustand, derart dass gezielt eine Veränderung an dem erfassten Speicherzustand des Speicherelements (27) durchgeführt wird.Ferner werden ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraft-fahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die durch eine jeweilige protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind, eine in einem kathodenseitigen Reaktandenkreislauf angeordnete Befeuchtungseinrichtung, die wenigstens ein Speicherelement aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein Befeuchtungsmedium, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu speichern, wenigstens einen mit dem Brennstoffzellenstapel in thermischer Wirkverbindung stehender Kühlmittelkreislauf. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Brennstoffzellensystem und ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
  • Aus der DE 10 2009 005 685 A1 ist eine Vorrichtung zur Befeuchtung einer Membran bzw. eines Fluidstroms einer Brennstoffzellenanordnung mit einem Pufferspeicher bekannt, wobei der Pufferspeicher ein hydrophiles Material zur Aufnahme und Abgabe von Produktwasser aufweist und während des Betriebs gefüllt werden kann.
  • Aus der DE 10 2019 202 703 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel mit einem Sorptionsspeicher bekannt, der bei einer Trocknungsphase des Brennstoffzellenstapels mit Wasser angefüllt wird, wobei der Sorptionsspeicher ein hygroskopisches Material aufweist und mit einem Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenstapels wirkverbunden ist.
  • Die DE 690 29 486 T2 zeigt eine Brennstoffzelle einer Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs mit einer hygroskopische Fasern aufweisenden Matte sowie einem zur Befeuchtung dienenden Wassertank.
  • Bei den bekannten Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen werden die Brennstoffzellensystem üblicherweise so betrieben, dass ihr Betriebszustand und damit ihre Leistungsabgabe an die Leistungsanforderungen des Kraftfahrzeugs angepasst sind. Wenn die Leistungsanforderung des Kraftfahrzeugs als wesentliche Größe beim Brennstoffzellenbetrieb herangezogen wird, können in speziellen Fahrzuständen oder Fahrleistungsbereichen für das Brennstoffzellensystem ungünstige oder nachteilige Effekte entstehen, die sich auf die Effizienz bzw. die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems auswirken.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein verbessertes Verfahren zum Betrieben eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug anzugeben, um sowohl einen optimalen Betrieb des Kraftfahrzeugs als einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieben eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem und ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Vorgeschlagen wird also ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die durch eine jeweilige protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind,
    eine in einem kathodenseitigen Reaktandenkreislauf angeordnete Befeuchtungseinrichtung, die wenigstens ein Speicherelement aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein Befeuchtungsmedium, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu speichern, und
    wenigstens einen mit dem Brennstoffzellenstapel in thermischer Wirkverbindung stehender Kühlmittelkreislauf.
  • Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:
    • Erfassen eines Speicherzustands des wenigstens einen Speicherelements; Anpassen von wenigstens einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von dem erfassten Speicherzustand, derart dass gezielt eine Veränderung an dem erfassten Speicherzustand des Speicherelements durchgeführt wird.
  • Durch das hier vorgeschlagene Verfahren ist es möglich, das Speicherelement bedarfsweise zu befüllen oder zu entleeren, wobei der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems bzw. des Fahrzeugs berücksichtigt wird, insbesondere können auch Betriebszustände berücksichtigt werden, die nicht einem Normallastbetrieb des Brennstoffzellensystems bzw. Kraftfahrzeugs entsprechen.
  • Bei dem Verfahren kann nach dem Erfassen eines im Wesentlichen trockenen oder leeren Speicherzustands der wenigstens eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems derart verändert werden, dass im anodenseitigen oder im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf gezielt mehr Wasser anfällt, insbesondere kondensiert, das dem Speicherelement zugeführt wird.
  • Dabei kann beispielsweise im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf die Stapelaustrittstemperatur des Reaktanden, reduziert werden. Als kathodenseitiger Reaktand dient insbesondere befeuchtete und konditionierte Umgebungsluft.
  • Bei dem Verfahren kann im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf die Stapeleintrittstemperatur des Reaktanden reduziert werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Absenkung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels erreicht werden.
  • Bei dem Verfahren kann im Kühlmittelkreislauf ein erhöhter Kühlmittelmassenstrom eingestellt werden, insbesondere durch Erhöhen einer Drehzahl einer im Kühlmittelkreislauf angeordneten Kühlmittelpumpe. Hierdurch kann ebenfalls eine Absenkung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels erreicht werden, was zu einer erhöhten Abgabe von flüssigen Prozesswasser führt, das dem Speicherelement zugeführt werden kann.
  • Bei dem Verfahren kann der Lastpunkt des Brennstoffzellensystems erhöht werden, so dass die Wasserproduktion im Brennstoffzellenstapel steigt. Dabei kann von dem Brennstoffzellensystem bei erhöhtem Lastpunkt erzeugte elektrische Energie in einer mit dem Brennstoffzellensystem verbundenen Batterie gespeichert werden. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems mit erhöhtem Lastpunkt kann das Kraftfahrzeug die für den elektrischen Betrieb erforderliche Energie im Wesentlichen nur von der Batterie beziehen.
  • Ferner kann bei dem Verfahren vor dem Erhöhen des Lastpunkts der Ladezustand der Batterie überprüft werden und das Erhöhen des Lastpunkt durchgeführt werden, wenn die Batterie zumindest teilentleert ist. Ergänzend kann in Betracht gezogen werden, dass das Kraftfahrzeug zunächst während einer bestimmten Zeitdauer die für den elektrischen Betrieb erforderliche Energie im Wesentlichen nur von der Batterie bezieht, so dass deren Ladezustand gezielt verringert wird, um nachfolgend das Erhöhen des Lastpunkt des Brennstoffzellensystem durchführen zu können.
  • Durch die Erhöhung des Lastpunkts des Brennstoffzellensystem in Kombination mit der Speicherung von Energie in der Batterie kann das Brennstoffzellensystem bei gleichzeitigem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs in einen Betriebszustand überführt werden, um eine Verbesserung des Zustands des Speicherelements in der Befeuchtungseinrichtung zu erreichen.
  • Bei dem Verfahren kann nach dem Erfassen eines feuchten oder im Wesentlichen normalen Speicherzustands der wenigstens eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems derart verändert werden, dass im anodenseitigen oder im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf wenig Wasser anfällt, so dass das Speicherelement während des Betriebs des Brennstoffzellensystems gezielt entleert bzw. getrocknet wird. Hierdurch wird im Zusammenspeil mit dem oben erwähnten Füllen des Speicherelements die Möglichkeit eröffnet, dass der Zustand des Speicherelements bedarfsweise angepasst werden kann, um einen effektiven Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
  • Insbesondere kann durch eine geeignete Abfolge von Speicherung und Entleerung des Speicherelements eine Art Lastpunktverschiebung in Bezug auf flüssiges Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystembetrieb erfolgen, was zu einer Optimierung des Systemwirkungsgrades und somit einer Verbrauchsreduktion, insbesondere bei anodenseitig zugeführtem Wasserstoff, führen kann.
  • Bei dem Verfahren kann das Erfassen des Speicherzustands erfolgen durch: Bestimmen des elektrischen Widerstands des Speicherelements oder/und Erfassen eines Wertes eines Feuchtesensors oder/und Erfassen eines Druckdifferenzwerts am Brennstoffzellenstapel oder/und durch Durchführen einer Brennstoffzellenstapelanalyse mittels Zyklovoltametrie oder Elektrochemischer Impedanz Spektroskopie.
  • Bei dem Verfahren kann das gezielte Durchführen einer Veränderung an dem erfassten Speicherzustand des Speicherelements in Abhängigkeit von einem prädiktiven Lastprofil des Brennstoffzellensystems erfolgen. Hierdurch ist es möglich, zu erwartende Lastpunkte bzw. Lastprofile im Fahrzeugbetrieb heranzuziehen, um hierfür eine passenden Speicherzustand bereitstellen zu können.
  • Dabei kann ein prädiktives Lastprofil des Brennstoffzellensystems bestimmt werden in Abhängigkeit von erfassten Umgebungsbedingungen, wie etwa Umgebungstemperatur oder/und Umgebungsluftdruck, oder/und von einem zu erwartenden Fahrprofil, etwa basierend auf einer in einem Navigationssystem eingegebenen Route oder auf einer sich regelmäßig wiederholenden Route.
  • Mittels einer prädikativen Betriebsstrategie kann somit ein wahrscheinliches Lastprofil des Brennstoffzellensystems in naher Zukunft bestimmt bzw. berechnet werden. Beispielsweise können solche Lastprofile bzw. Lastinformationen eine zeitliche Abfolge von Schwachlast- und Hochlastphasen enthalten, die sich aus dem zukünftigen bzw. zu erwartenden Fahrprofil in Verbindung bzw. unter Berücksichtigung des Ladezustands der Batterie ergeben.
  • Vorgeschlagen wird ferner ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst:
    • wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die durch eine jeweilige protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind,
    • eine in einem kathodenseitigen Reaktandenkreislauf angeordnete Befeuchtungseinrichtung, die wenigstens ein Speicherelement aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein Befeuchtungsmedium, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu speichern,
    • wenigstens einen mit dem Brennstoffzellenstapel in thermischer Wirkverbindung stehender Kühlmittelkreislauf, und
    • eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren im Betrieb des Brennstoffzellensystems durchzuführen.
  • Eine elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug kann mit einem solchen Brennstoffzellensystem ausgerüstet sein. Dabei kann das Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Batterie ausgerüstet sein, die mit dem Brennstoffzellensystem und einem Antrieb des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden ist.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
    • 1 eine vereinfachte und schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems;
    • 2 ein vereinfachtes Diagramm eines Verfahrens zum Betrieben eines Brennstoffzellensystems.
  • In 1 ist schematisch und vereinfacht ein Brennstoffzellensystem 10 eines nur schematisch angedeuteten Kraftfahrzeugs 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, der mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 14 aufweist. Die Brennstoffzellen 14 weisen jeweils eine Anode und eine Kathode auf, wobei die Anode und die Kathode durch eine protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind. Die Membran kann aus einem lonomer, beispielsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet sein. Alternativ kann die Membran auch als sulfonierte Hydrocarbon-Membran ausgeführt sein.
  • Den Anoden oder/und den Kathoden der Brennstoffzellen 14 kann ein Katalysator beigemischt sein. Dabei können die Membranen auf ihrer ersten oder/und auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht versehen bzw. beschichtet sein. Als Katalysator kommen beispielsweise Edelmetalle, wie Platin, Palladium, Ruthenium und dergleichen in Betracht oder Gemische mit diesen Edelmetallen. Dabei dienen die Katalysatoren als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 14.
  • Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 wird den Anoden ein Anodengas bzw. 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 hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt dabei Oxidation bzw. Elektronenabgabe. Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis 16 an die Kathode oder an einen elektrischen Verbraucher 18 geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die Reduktion bzw. Elektronenaufnahme erfolgt. Der elektrische Verbraucher 18 kann beispielsweise ein Speicher sein, wie etwa eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, oder ein Elektromotor oder sonst eine mittels elektrischer Energie betriebene Einrichtung, insbesondere Fahrzeugkomponente.
  • Luft- bzw. kathodenseitig ist ein Verdichter 20 angeordnet, der beispielsweise Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Durch die Verdichtung erhöht sich die Temperatur der angesaugten Luft bzw. des Kathodengases. Das Kathodengas wird daher über eine Verdichterleitung 22 zunächst an einen Ladeluftkühler 24 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 24 wird das angesaugte und komprimierte Kathodengas einer Befeuchtungseinrichtung 26 bzw. einem Befeuchter 26 zugeleitet. Im Befeuchter 26 wird das trockene Kathodengas mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 28 dem Befeuchter 26 zugeführt wird, vermischt und somit befeuchtet. Über eine Kathodenzufuhrleitung 30 wird das befeuchtete Kathodengas den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt. Außerdem ist der Befeuchter 26 mit einer Abgasleitung 32 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 10 ausgeleitet wird.
  • Der Befeuchter 26 ist hier rein schematisch dargestellt und weist wenigstens ein Speicherelement 27 auf, das dazu eingerichtet ist, ein Befeuchtungsmedium, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu speichern bzw. wieder an die vom Verdichter 20 geförderter Luft abzugeben und sie so zu befeuchten. Die Befeuchtungseinrichtung 26 kann auch mit einem hier nur angedeuteten Kühlmittelkreislauf 29 verbunden bzw. ausgerüstet sein. Die Befeuchtungseinrichtung 26 kann in einem solchen Fall auch als Konditionierungsmodul bezeichnet werden, das zur Befeuchtung und Kühlung bzw. Erwärmung der Zuluft dient.
  • Die Anodenräume des Brennstoffzellenstapels 12 sind in diesem Beispiel stapeleintrittsseitig über eine Anodenzufuhrleitung 34, 36 mit einem das Anodengas bzw. den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 38 verbunden. Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Anodenkreislauf 40 auf, bei dem über eine Anodenrezirkulationsleitung 42 stapelaustrittsseitig an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff bzw. nicht abreagiertes Anodenabgas den Anodenräumen erneut zugeführt werden kann. Hierzu ist die Anodenrezirkulationsleitung 42 mit der Anodenzufuhrleitung 34 verbunden, so dass ein Teil 36 der Anodenzufuhrleitung 34 zusammen mit der Anodenrezirkulationsleitung 42 den Anodenkreislauf 40 bildet.
  • Die Anodenrezirkulationsleitung 42 weist ein Rezirkulationsgebläse 44 auf, das insbesondere fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 42 eingebunden ist. Im Bereich eines Verbindungspunktes der Anodenzufuhrleitung 34 und der Anodenrezirkulationsleitung 42 ist eine Strahlpumpe oder ein Ejektor 46 angeordnet, der die Zirkulation des Gemisches aus Anodenabgas und frischem Anodengas bzw. Brennstoff unterstützt. Zur Regelung der Zufuhr von frischem Brennstoff bzw. Anodengas ist in der Anodenzufuhrleitung 34, insbesondere stromaufwärts von dem Ejektor 46, eine Brennstoffstellventileinrichtung 48 angeordnet. Diese Brennstoffventileinrichtung 48 ist vorzugsweise als Druckregelventil ausgebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils 48 ist ein Wärmetauscher 50, beispielsweise in Form eines Rekuperators, zur Konditionierung des Brennstoffes bzw. Anodengases angeordnet.
  • Mit der Anodenrezirkulationsleitung 42 ist ein Purge-Ventil 52 verbunden, um das im Anodenkreislauf 40 befindliche Gasgemisch an die Umgebung oder an einen (nicht dargestellten) Verdünner abzugeben. Ferner kann in der Anodenrezirkulationsleitung 42 ein Flüssigkeitsabscheider 54, insbesondere ein Wasserabscheider, angeordnet sein.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 weist ferner ein Steuergerät 60 auf, das mit unterschiedlichen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 in Kommunikationsverbindung steht, was in der Darstellung der 1 aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellt ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst weiter einen Kühlmittelkreislauf 62. Der Kühlmittelkreislauf 62 ist zur Wärmeübertragung mit dem Brennstoffzellenstapel 12, insbesondere den Brennstoffzellen 14, thermisch verbunden. Der Kühlmittelkreislauf 62 umfasst eine Kühlmittelpumpe 64, ein Thermostatventil 66 und einen Wärmeübertrager 68 aufweist. Der Wärmeübertrager 68 kann direkt oder indirekt Wärme an die Umgebung oder/und an einen hier nicht dargestellten Kältemittelkreislauf des Kraftfahrzeugs übertragen.
  • Im Kühlmittelkreislauf 62 ist an einem bezogen auf den Brennstoffzellenstapel 12 eingangsseitigen Leitungsabschnitt 62a ein eingangsseitiger Temperatursensor 70a vorgesehen. An einem ausgangsseitigen Leitungsabschnitt 62b ist ein ausgangsseitiger Temperatursensor 70b vorgesehen. Mittels der Temperatursensoren 70a, 70b kann die Kühlmitteltemperatur erfasst und überwacht werden. Insbesondere kann mittels der an den beiden Temperatursensoren 70a, 70b erfassten Temperaturen eine Temperaturdifferenz zwischen der eingangsseitigen Kühlmitteltemperatur und der ausgangsseitigen Kühlmitteltemperatur bestimmt werden.
  • Der Kühlmittelkreislauf 62 umfasst einen den Wärmeübertrager 68 umgehenden Leitungsabschnitt 72, der auch als Bypass bezeichnet werden kann. Mittels des Thermostatventils 66 kann das Durchströmen des Wärmeübertragers 68 bzw. des Leitungsabschnitts (Bypass) 72 eingestellt werden. Insbesondere kann das Thermostatventil geschlossen werden, wenn das zirkulierende Kühlmittel seine gespeicherte Wärme am Wärmeübertrager 68 abgeben soll. Wird das Thermostatventil 72 vollständig geöffnet, wird nur ein geringer Teilmassenstrom von Kühlmittel durch den Wärmeübertrager 68 geleitet und der überwiegende Teil des Kühlmittels strömt ohne weitere Wärmeabgabe von einer Abzweigung 74 direkt zur Kühlmittelpumpe 64.
  • Der oben in Bezug auf die Befeuchtungseinrichtung 26 erwähnte Kühlmittelkreislauf 29 kann auch Teil des Kühlmittelkreislaufs 62 sein bzw. mit diesem verbunden sein. Insbesondere ist es denkbar, dass stromabwärts von der Kühlmittelpumpe 64 ein hier lediglich gestrichelt dargestellter Kühlmittelleitungsabschnitt 63 abzweigt, der zur Befeuchtungseinrichtung 26 führt. Von der Befeuchtungseinrichtung 26 kann ein weiterer Kühlmittelleitungsabschnitt 65 ausgehen, der stromaufwärts von dem Wärmeübertrager 68 wieder in den Kühlmittelkreislauf 62 mündet.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem 10 kann Wasser bzw. Produktwasser, das bem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 anfällt, dem Speicherelement 27 zugeführt werden. Beispielsweise ist es denkbar, anodenseitig anfallendes Wasser aus dem Flüssigkeitsabscheider 54 zu entnehmen. Weiter ist es denkbar, der Abluft in der Kathodenabgasleitung 28 oder in der Abgasleitung 32 Wasser zu entziehen, beispielsweise durch Einsatz eines Kondensators oder/und eines Wasserabscheiders. Ganz allgemein ist das Brennstoffzellensystem 10 so ausgelegt, dass anfallendes Produktwasser zur Befeuchtung der Zuluft eingesetzt werden kann.
  • Die Steuereinrichtung 60 des Brennstoffzellensystems 10 ist insbesondere dazu eingerichtet, nachfolgend beschriebene Verfahrensschritte durchzuführen, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steuern bzw. regeln. Mögliche Verfahrensschritte werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 erläutert.
  • 2 zeigt vereinfacht und schematisch mögliche Schritte eines Verfahrens 500 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 in einem insbesondere elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug 100. Gemäß einem Schritt S501 wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bzw. der Kraftfahrzeugs 100 gestartet. Schritt S502 illustriert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 in einem Betriebsmodus, der auf den Leistungsanforderungen des Kraftfahrzeugs 100 basiert. Schritt S502 zeigt somit eine Art Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 bzw. des Kraftfahrzeugs 100.
  • Gemäß einem Schritt S503 erfolgt ein Erfassen eines Speicherzustands des wenigstens einen Speicherelements 27. Dabei wird festgestellt, ob das Speicherelement 27 ausreichend feucht ist oder wenig feucht bzw. trocken oder leer ist. Ist das Speicherelement 27 ausreichend feucht, kann wieder zu Schritt S502 zurückgekehrt werden. Ist das Speicherelement 27 nicht ausreichend feucht, kann gemäß Schritt S504 wenigstens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 10 in Abhängigkeit von dem erfassten Speicherzustand angepasst werden, derart dass gezielt eine Veränderung an dem erfassten Speicherzustand des Speicherelements durchgeführt wird.
  • Nach dem Erfassen eines im Wesentlichen trockenen oder leeren Speicherzustands (S503) kann der wenigstens eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 10 gemäß Schritt S505 derart verändert werden, dass im anodenseitigen oder im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf gezielt mehr Wasser bzw. Produktwasser anfällt, insbesondere kondensiert, das dem Speicherelement 27 zugeführt wird.
  • Dabei ist es möglich, gemäß einem Schritt S506 im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf die Stapelaustrittstemperatur des Reaktanden zu reduzieren. Mit anderen Worten wird die Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel abgekühlt, um hieraus Wasser zu gewinnen bzw. abzuscheiden, das dann dem Speicherelement 27 zugeführt werden kann.
  • Gemäß einem Schritt S507 ist es alternativ oder ergänzend zu dem Schritt S506 möglich, im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf die Stapeleintrittstemperatur des Reaktanden zu reduzieren. Mit anderen Worten wird bereits die Zuluft zum Brennstoffzellenstapel 12 mit reduzierter Temperatur zugeführt. Eine Reduktion der Temperatur der Zuluft kann beispielsweise in der Befeuchtungseinrichtung 26 erfolgen, wenn diese mit einem Kühlmittelkreislauf 29 verbunden ist.
  • Gemäß einem Schritt S508 kann zum Reduzieren der Temperatur von Ablauf oder/und Zuluft in dem Kühlmittelkreislauf 62 ein erhöhter Kühlmittelmassenstrom eingestellt wird, insbesondere durch Erhöhen einer Drehzahl der im Kühlmittelkreislauf 62 angeordneten Kühlmittelpumpe 64.
  • Gemäß einem Schritt S510 ist es auch möglich, dass der Lastpunkt des Brennstoffzellensystems erhöht wird, so dass die Wasserproduktion im Brennstoffzellenstapel steigt. Dabei kann gemäß einem Schritt S511 von dem Brennstoffzellensystem 10 bei erhöhtem Lastpunkt erzeugte elektrische Energie in einer mit dem Brennstoffzellensystem 10 verbundenen Batterie 18 gespeichert werden. Vor dem Erhöhen des Lastpunkts in S510 kann gemäß einem Schritt 509 der Ladezustand der Batterie 18 überprüft werden und das Erhöhen des Lastpunkts kann dann durchgeführt werden, wenn die Batterie 18 zumindest teilentleert ist.
  • Nach dem Erfassen eines feuchten oder im Wesentlichen normalen Speicherzustands (S503) kann der wenigstens eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 10 gemäß einem Schritt S512 derart verändert werden, dass im anodenseitigen oder im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf wenig Wasser anfällt, so dass das Speicherelement 27 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 gezielt entleert wird.
  • Bei dem Verfahren 500 kann das Erfassen des Speicherzustands in Schritt S503 erfolgen durch:
    • Bestimmen des elektrischen Widerstands des Speicherelements 27,
    • oder/und Erfassen eines Wertes eines Feuchtesensors,
    • oder/und Erfassen eines Druckdifferenzwerts am Brennstoffzellenstapel 12, oder/und Durchführen einer Brennstoffzellenstapelanalyse mittels Zyklovoltametrie oder Elektrochemischer Impedanz Spektroskopie.
  • Bei dem Verfahren 500 kann das gezielte Durchführen einer Veränderung an dem erfassten Speicherzustand des Speicherelements 27 in Abhängigkeit von einem prädiktiven Lastprofil des Brennstoffzellensystems erfolgen. Dabei kann gemäß einem Schritt S513 Information über ein prädiktives Lastprofil bereitgestellt werden, die dann bei der Durchführung von weiteren Schritten berücksichtigt wird.
  • Ein in Schritt S513 bereitgestelltes prädiktives Lastprofil des Brennstoffzellensystems 10 kann gemäß Schritt S514 bestimmt werden in Abhängigkeit von erfassten Umgebungsbedingungen, wie etwa Umgebungstemperatur oder/und Umgebungsluftdruck, oder/und von einem zu erwartenden Fahrprofil, etwa basierend auf einer in einem Navigationssystem eingegebenen Route oder auf einer sich regelmäßig wiederholenden Route.
  • Die Durchführung der oben beschriebenen Schritte zur Anpassung von wenigstens einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems können solange durchgeführt bzw. wiederholt werden, bis gemäß Schritt S503 festgestellt wird, dass das Speicherelement 27 ausreichend gefüllt bzw. feucht ist. In diesem Fall erfolgt ein Übergang in den normalen Betriebsmodus gemäß Schritt S502.
  • Ergänzend zu dem beschriebenen Verfahren 500 wird noch auf folgende Optionen hingewiesen. Die Abgabe von flüssigem Produktwasser im Brennstoffzellensystem 10 aus dem Kathoden- oder/und Anodengas kann über verschiedene Möglichkeiten gesteigert werden, die alternativ oder ergänzend in das hier vorgestellte Verfahren 500 aufgenommen werden können:
    • Absenken der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12;
    • Reduzierung der Kühlmittel-Temperaturdifferenz über den Brennstoffzellenstapel 12;
    • Erhöhung des Betriebsdrucks im Brennstoffzellenstapel 12;
    • Absenkung der Überstöchiometrie der Reaktionsluft (Zuluft) bzw. Reduzierung der Volumenströme durch den anodenseitigen oder/und den kathodenseitigen Reaktanden-Kreislauf;
    • Erhöhung der Wasserstoffkonzentration im Anodengas.
  • Eine Entleerung des Speicherelement 27 erfolgt üblicherweise fortlaufend im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10. Dies kann aber abhängig von anliegenden Betriebsbedingungen bei Bedarf weiter verstärkt bzw. beschleunigt werden. Dies kann über dieselben Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems erfolgen, jedoch in entgegengesetzter Ausprägung. Insbesondere kann eine verstärkte Entleerung des Speicherelement 27 stattfinden durch:
    • Reduzierung des Betriebsdrucks in der dem Brennstoffzellenstapel 12;
    • Erhöhung der Stöchiometrie der Reaktanden bzw. der Volumenströme durch den anodenseitigen oder/und den kathodenseitigen Reaktanden-Kreislauf;
    • Erhöhen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12;
    • Erhöhung der Kühlmittel-Temperaturdifferenz über den Brennstoffzellenstapel 12;
    • Reduktion des Lastpunkts;
    • Reduktion der Wasserstoffkonzentration im Anodengas.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die oben erwähnten Anpassungen von Betriebsparametern alleine oder in Kombination miteinander durchgeführt werden können, um den gewünschten Effekt zu erzielen, insbesondere mehr oder weniger Produktwasser zu erzeugen bzw. das Speicherelement 27 zu leeren bzw. zu trocknen.
  • 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 102009005685 A1 [0002]
    • DE 102019202703 A1 [0003]
    • DE 69029486 T2 [0004]

Claims (15)

  1. Verfahren (500) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) eines Kraftfahrzeugs (100), wobei das Brennstoffzellensystem (10) umfasst: wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (12) mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (14), wobei die Brennstoffzellen (14) jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die durch eine jeweilige protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind, eine in einem kathodenseitigen Reaktandenkreislauf angeordnete Befeuchtungseinrichtung (26), die wenigstens ein Speicherelement (27) aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein Befeuchtungsmedium, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu speichern, wenigstens einen mit dem Brennstoffzellenstapel (12) in thermischer Wirkverbindung stehender Kühlmittelkreislauf (62), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen (S503) eines Speicherzustands des wenigstens einen Speicherelements (27); Anpassen (S504) von wenigstens einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (10) in Abhängigkeit von dem erfassten Speicherzustand, derart dass gezielt eine Veränderung an dem erfassten Speicherzustand des Speicherelements (27) durchgeführt wird.
  2. Verfahren (500) nach Anspruch 1, wobei nach dem Erfassen (S503) eines im Wesentlichen trockenen oder leeren Speicherzustands der wenigstens eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems derart verändert wird (S505), dass im anodenseitigen oder im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf gezielt mehr Wasser anfällt, insbesondere kondensiert, das dem Speicherelement (27) zugeführt wird.
  3. Verfahren (500) nach Anspruch 2, wobei im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf die Stapelaustrittstemperatur des Reaktanden, reduziert wird (S506).
  4. Verfahren (500) nach Anspruch 2 oder 3, wobei im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf die Stapeleintrittstemperatur des Reaktanden, reduziert wird (S507).
  5. Verfahren (500) nach Anspruch 3 oder 4, wobei im Kühlmittelkreislauf (62) ein erhöhter Kühlmittelmassenstrom eingestellt wird (S508), insbesondere durch Erhöhen einer Drehzahl einer im Kühlmittelkreislauf (62) angeordneten Kühlmittelpumpe (64).
  6. Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Lastpunkt des Brennstoffzellensystems erhöht wird (S510), so dass die Wasserproduktion im Brennstoffzellenstapel (12) steigt.
  7. Verfahren (500) nach Anspruch 6, wobei von dem Brennstoffzellensystem (10) bei erhöhtem Lastpunkt erzeugte elektrische Energie in einer mit dem Brennstoffzellensystem (10) verbundenen Batterie (18) gespeichert wird.
  8. Verfahren (500) nach Anspruch 7, wobei vor dem Erhöhen des Lastpunkts der Ladezustand der Batterie (18) überprüft wird (S509) und das Erhöhen des Lastpunkt durchgeführt wird (S510), wenn die Batterie (18) zumindest teilentleert ist.
  9. Verfahren (500) nach Anspruch 1, wobei nach dem Erfassen (S503) eines feuchten oder im Wesentlichen normalen Speicherzustands der wenigstens eine Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (10) derart verändert wird (S512), dass im anodenseitigen oder im kathodenseitigen Reaktandenkreislauf wenig Wasser anfällt, so dass das Speicherelement (27) während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (10) gezielt entleert wird.
  10. Verfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen (S503) des Speicherzustands erfolgt durch: Bestimmen des elektrischen Widerstands des Speicherelements oder/und Erfassen eines Wertes eines Feuchtesensors oder/und Erfassen eines Druckdifferenzwerts am Brennstoffzellenstapel, oder/und Durchführen einer Brennstoffzellenstapelanalyse mittels Zyklovoltametrie oder Elektrochemischer Impedanz Spektroskopie.
  11. Verfahren (500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gezielte Durchführen (S504) einer Veränderung an dem erfassten Speicherzustand des Speicherelements in Abhängigkeit von einem prädiktiven Lastprofil des Brennstoffzellensystems erfolgt (S513).
  12. Verfahren (500) nach Anspruch 11, wobei ein prädiktives Lastprofil des Brennstoffzellensystems bestimmt wird (S513) in Abhängigkeit von erfassten Umgebungsbedingungen (S514), wie etwa Umgebungstemperatur oder/und Umgebungsluftdruck, oder/und von einem zu erwartenden Fahrprofil, etwa basierend auf einer in einem Navigationssystem eingegebenen Route oder auf einer sich regelmäßig wiederholenden Route.
  13. Brennstoffzellensystem (10) eines Kraftfahrzeugs (100), wobei das Brennstoffzellensystem (10) umfasst: wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (12) mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (14), wobei die Brennstoffzellen (14) jeweils eine Anode und eine Kathode aufweisen, die durch eine jeweilige protonenleitfähige Membran voneinander getrennt sind, eine in einem kathodenseitigen Reaktandenkreislauf angeordnete Befeuchtungseinrichtung (26), die wenigstens ein Speicherelement (27) aufweist, das dazu eingerichtet ist, ein Befeuchtungsmedium, insbesondere Wasser, aufzunehmen und zu speichern, wenigstens einen mit dem Brennstoffzellenstapel (12) in thermischer Wirkverbindung stehender Kühlmittelkreislauf (62), und eine Steuereinrichtung (60), die dazu eingerichtet ist, das Verfahren (500) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) durchzuführen.
  14. Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (100) mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 13.
  15. Kraftfahrzeug (100) nach Anspruch 14 mit wenigstens einer Batterie (18), die mit dem Brennstoffzellensystem (10) und einem Antrieb des Kraftfahrzeugs (100) elektrisch verbunden ist.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69029486T2 (de) 1989-07-05 1997-08-07 De Nora Spa Regenerierbare Brennstoffzelle hoher Energiedichte für Spitzenleistung
DE102009005685A1 (de) 2008-01-25 2009-09-10 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Wasserübertragungsvorrichtung, die einen Wasserpuffer verwendet, um einen Wasserfluss zu steigern
DE102019202703A1 (de) 2019-02-28 2020-09-03 Robert Bosch Gmbh Verfahren und System zum energieoptimierten Trocknen einer Brennstoffzelle

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