DE102021206204B4 - Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE102021206204B4
DE102021206204B4 DE102021206204.0A DE102021206204A DE102021206204B4 DE 102021206204 B4 DE102021206204 B4 DE 102021206204B4 DE 102021206204 A DE102021206204 A DE 102021206204A DE 102021206204 B4 DE102021206204 B4 DE 102021206204B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell system
cell stack
predetermined
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102021206204.0A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102021206204A1 (de
Inventor
Helerson Kemmer
Mark Hellmann
Matthias Rink
Jonas Breitinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102021206204.0A priority Critical patent/DE102021206204B4/de
Priority to PCT/EP2022/066070 priority patent/WO2022263392A1/de
Publication of DE102021206204A1 publication Critical patent/DE102021206204A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102021206204B4 publication Critical patent/DE102021206204B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:- einen Brennstoffzellenstapel (101),- ein Spülventil (103),- ein Kontrollgerät (105), wobei das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils (103) auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt, wobei durch die Aktivierung des Spülventils (103) die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellenstapel (101) auf einen vorgegebenen Erhöhungswert eingestellt wird und der Erhöhungswert derart gewählt ist, dass dieser über der Wasserstoffkonzentrationen liegt, die für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (100) vorgegebenen ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrischer Energie unter Erzeugung von Abwärme und Wasser um. Dazu umfassen Brennstoffzellensysteme mehrere Subsysteme, wie bspw. ein Anodensubsystem bzw. Hydrogen System (HyS), das eine Anode eines Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff versorgt.
  • Um die Wasserstoffkonzentration im HyS einzustellen werden ein Wasserstoffdosierventil und ein Spülventil bzw. sog. „Purge-Ventil“ verwendet. Das Spülventil öffnet eine Verbindung zu einer Mischstelle stromabwärts einer Kathode des Brennstoffzellensystems. Dort wird das bei einem Spülvorgang ausgetragene Anodengas, das aus einer Mischung von Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf besteht, mit abgereicherter Luft der Kathode vermischt.
  • Da eine Aktivierung des Spülventils zu einer Aktivierung des Wasserstoffdosierventils führt, bewirkt eine Aktivierung des Spülventils eine Eindosierung von Wasserstoff in den Anodenkreislauf.
  • Ein Luftsystem (AirS) versorgt die Kathode mit konditionierter Luft, d.h. Luft mit vorgegebenem Druck, Temperatur und Feuchtegehalt. Häufig weist das Luftsystem eine Umleitung um die Kathode auf, durch die der Systembetrieb erweitert, also eine Grenze im Verdichterkennfeld systemisch erweitert wird.
  • Ein Kühlsystem führt Verlustwärme eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems über einen Kühler an die Umgebung ab. Durch ein begrenztes Temperaturfenster, innerhalb dessen ein Brennstoffzellensystem effizient betreiben werden kann, und ein begrenztes Kühlvermögen des Kühlsystems kann es beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen zu Kühlungslimitierungen kommen.
  • Ferner wird ein Brennstoffzellensystem beim Abschalten mittels eines Trocknungsverfahrens, bei dem Umgebungsluft in das Brennstoffzellensystem geblasen wird, getrocknet, sodass flüssige Wasseransammlungen zwischen jeweiligen Brennstoffzellen und ein dadurch bedingtes Abmagern von Wasserstoff, was zu einer Alterung des Brennstoffzellensystem führt, vermieden wird.
  • Durch die in das Brennstoffzellensystem bei einem Betriebsverfahren geblasene Luft kann es zu einem schnellen Temperaturabfall und eine dadurch bedingte Kondensation von Wasserdampf in Katalysatorschichten des Brennstoffzellensystems kommen, wodurch diese Schaden nehmen können.
  • Aus den Dokumenten DE 10 2019 214 748 A1 und DE 11 2007 002 603 T5 sind Trocknungsverfahren für Brennstoffzellensysteme mit einem Brennstoffzellenstack bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann.
  • Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen robusten Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, Schäden an einer Katalysatorschicht eines Brennstoffzellensystems durch während eines Trocknungsvorgangs kondensierendes Wasser zu minimieren.
  • Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, ein Spülventil und ein Kontrollgerät, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt.
  • Unter einem Trocknungsverfahren ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems zu verstehen, bei dem ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems getrocknet wird und insbesondere mit sehr hohen Luftmengen, wie bspw. mit einer Stöchiometrie größer 5 beströmt wird.
  • Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf dem Prinzip, dass das Anodensystem des Brennstoffzellensystems bei einem Trocknungsvorgang dadurch geschützt wird, dass diesem Wasserstoff zugeführt, d.h. eine Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf erhöht wird. Entsprechend wird eine Abreicherung von Wasserstoff und eine damit einhergehende Anreicherung von Wasser an den Katalysatorschichten des Brennstoffzellensystems minimiert bzw. vermieden.
  • Zur Anreichung von Wasserstoff im Anodenkreislauf wird erfindungsgemäß das Spülventil des vorgestellten Brennstoffzellenstapels aktiviert. Dazu kann insbesondere eine Kontrollstrategie zum Steuern bzw. Regeln des Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb, die zu einem Minimalverbrauch an Wasserstoff führt, deaktiviert bzw. geändert werden, sodass der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystem mit einer vorgegebenen, insbesondere einer maximal zulässigen Wasserstoffkonzentration befüllt wird.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Aktivierung des Spülventils wird die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellenstapels insbesondere auf einen vorgegebenen Erhöhungswert eingestellt. Dabei kann der Erhöhungswert derart gewählt sein, dass dieser außerhalb, insbesondere über jeweiligen Wasserstoffkonzentrationen liegt, die für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems vorgegebenen sind. Mit anderen Worten ist bei dem vorgestellten Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass beim Ausführen eines Trocknungsverfahrens Betriebsstrategien zur Effizienzsteigerung und einem entsprechend mageren Betrieb zumindest tlw. dadurch ersetzt werden, dass eine möglichst hohe Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel während des Trocknungsverfahrens eingestellt wird. Dies bewirkt, dass der mittels des Spülventils zugeführte Wasserstoff eine Abmagerung des Brennstoffzellenstapels durch während des Trocknungsverfahrens zugeführte Luft abpuffert und die Komponenten des Brennstoffzellensystems vor einem sog. „hydrogen starvation“ Zustand schützt.
  • Sobald von dem Kontrollgerät des vorgestellten Brennstoffzellensystems erkannt wird, dass das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt, wird ein Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils ausgegeben. Der Aktivierungsbefehl kann direkt bzw. unmittelbar von dem erfindungsgemäß vorgesehenen Kontrollgerät an das Spülventil übermittelt werden oder indirekt bzw. mittelbar von dem Kontrollgerät an ein Koordinationssystem übermittelt werden, dass schließlich das Spülventil aktiviert, d.h. derart steuert bzw. regelt, dass dieses unter Einhaltung ggf. vorgesehener übergeordneter Regelungen aktiviert wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine Ausführung des Trocknungsverfahrens dadurch zu bestimmen bzw. zu erkennen, dass sich ein thermodynamischer Zustand des Brennstoffzellenstapels mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, oder eine Ausführung des Trocknungsverfahrens dadurch zu bestimmen bzw. zu erkennen, dass ein Zustandswert in einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
  • Unter einem thermodynamischen Zustand eines Brennstoffzellenstapels ist im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere eine Temperatur und/oder ein Druck in dem Brennstoffzellenstapel zu verstehen.
  • Unter einem Zustandswert ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Variable zu verstehen, die sich in Abhängigkeit eines Zustands des Brennstoffzellensystems ändert und die abrufbar in bspw. einem Speicher eines Zentralsteuergeräts hinterlegbar ist.
  • Unter einer Änderungsrate eines thermodynamischen Zustands ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Änderung von Zustandswerten, wie bspw. einer Temperatur und/oder einem Druck in einem Brennstoffzellenstapel in einem vorgegebenen Zeitraum zu verstehen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem weiterhin einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder einen Drucksensor zum Erfassen eines in dem Brennstoffzellenstapel vorliegenden Drucks umfasst und das Kontrollgerät weiterhin dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate des thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels anhand von mittels des Temperatursensors und/oder des Drucksensors ermittelten Messwerten zu bestimmen.
  • Anhand von Messwerten die mit Sensoren, wie bspw. einem Temperatursensor und/oder einem Drucksensor ermittelt werden bzw. wurden, kann ein aktueller thermodynamischer Zustand des Brennstoffzellenstapels des vorgestellten Brennstoffzellensystems bestimmt und mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Spülschwellenwert abgeglichen werden.
  • Bspw. kann der thermodynamische Zustand des Brennstoffzellenstapels in einer Änderung einer Temperatur und/oder eines Drucks in dem Brennstoffzellenstapel über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg angegeben werden. Entsprechend kann der Spülschwellenwert als Differenztemperatur und/oder Differenzdruck in dem vorgegebenen Zeitraum, wie bspw. 1 Kelvin pro Sekunde, angegeben werden.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate mittels eines mathematischen Modells zu modellieren und einen Zeitpunkt in der Zukunft, zu dem die Änderungsrate über dem Spülschwellenwert liegt, vorherzusagen, und den Aktivierungsbefehl derart auszugeben, dass das Spülventil zu dem vorhergesagten Zeitpunkt aktiviert wird.
  • Mittels eines mathematischen Modells, das bspw. einen trainierten maschinellen Lerner umfasst, kann ein Verhalten des vorgestellten Brennstoffzellensystems in der Zukunft prognostiziert werden, sodass präventiv auf einen erwarteten Spülvorgang reagiert und der Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils ausgegeben werden kann. Bspw. erhält das mathematische Modell mittels durch mindestens einen Sensor ermittelte Messwerte eines Zustandsparameters des Brennstoffzellenstapels, wie bspw. Temperatur und/oder Druck, als Eingangssignale.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einem maschinellen Lerner kann das mathematische Modell eine Simulation des vorgestellten Brennstoffzellensystems umfassen. Dabei kann die Simulation des Brennstoffzellensystems bspw. durch ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems eingestellte Betriebszustände als Eingangssignale verwenden.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aktivierungsbefehl einen Anfragewert zum Aktivieren des Spülventils auf einen maximalen Wert setzt, oder dass der Aktivierungsbefehl das Spülventil direkt aktiviert.
  • Ein Anfragewert, der bspw. einem Koordinationssystem zum Einstellen von Gaskonzentrationen in dem Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellensystems übermittelt wird, dient dem Koordinationssystem als Indikator für eine Dringlichkeit der Anfrage bzw. des Aktivierungsbedarfs. Entsprechend wird dem Koordinationssystem durch einen maximalen Anfragewert mitgeteilt, dass dringender Bedarf zur Aktivierung des Spülventils besteht, sodass das Koordinationssystem das Spülventil, wenn dies in Übereinstimmung mit ggf. aktivierten übergeordnete Regelungen des Koordinationssystems möglich ist, aktivieren wird.
  • Bei einer direkten Aktivierung wird das Spülventil durch das Kontrollgerät des vorgestellten Brennstoffzellensystems ohne Zwischenstationen, wie bspw. ein Koordinationssystem, aktiviert.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aktivierungsbefehl bewirkt, dass das Spülventil mit einer maximalen Durchsatzrate spült.
  • Eine Aktivierung des Spülventils des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit einer maximalen Durchsatzrate kann bspw. durch eine maximale Öffnung und/oder eine maximale Öffnungsrate des Spülventils erfolgen.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Koordinationssystem zum Koordinieren von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Gasen umfasst und das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, den Aktivierungsbefehl an das Koordinationssystem zu übermitteln, und das Koordinationssystem dazu konfiguriert ist, das Spülventil in Reaktion auf einen Empfang des Aktivierungsbefehls direkt zu aktivieren oder, wenn eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel über einem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt, einen dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstrom zunächst zu erhöhen und das Spülventil erst dann zu aktivieren, wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel unter dem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt.
  • Um ein Erzeugen eines zündfähigen Gases in dem vorgestellten Brennstoffzellensystem zu vermeiden, kann ein Koordinationssystem vorgesehen sein, dass eine Konzentration bzw. einen Volumenstrom von in den Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems eingeleiteten Gasen steuert bzw. regelt, sodass eine kritische Konzentration von Wasserstoff vermieden wird. Dazu kann das Koordinationssystem einen durch das erfindungsgemäße Kontrollgerät ausgegebenen Aktivierungsbefehl ggf. überschreiben oder zurückstellen. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass Kontrollbefehle des Koordinationssystems gegenüber Kontrollbefehlen des Kontrollgeräts von dem Brennstoffzellensystem priorisiert umgesetzt werden.
  • In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels. Das Betriebsverfahren umfasst einen Ermittlungsschritt bei dem ermittelt wird, ob das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt und einen Ausgabeschritt, bei dem ein Aktivierungsbefehl ausgegeben wird, der ein Spülventil eines den Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems für den Fall aktiviert, dass der Ermittlungsschritt ergibt, dass das Brennstoffzellensystem das Trocknungsverfahren ausführt.
  • Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
  • Es kann vorgesehen sein, dass in dem Ermittlungsschritt ermittelt wird, ob ein thermodynamischer Zustand eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems sich mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, wobei die Änderung des thermodynamischen Zustands durch einen Abgleich mindestens eines von einem Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder einem Drucksensor zum Messen eines Drucks in dem Brennstoffzellenstapel ermittelten Messwerts mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert bestimmt wird, oder in dem Ermittlungsschritt ein Zustandswert von einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems abgefragt bzw. empfangen wird, der eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Ermittlungsschritt einen Abgleich eines mittels eines mathematischen Modells ermittelten Prognosewerts eines in der Zukunft zu erwartenden thermodynamischen Zustands mit dem vorgegebenen Spülschwellenwert umfasst. Anhand eines zu erwartenden Prognosewerts eines in der Zukunft zu erwartenden thermodynamischen Zustands kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem präventiv auf den zu erwartenden thermodynamischen Zustand eingestellt werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • Es zeigen:
    • 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
    • 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101, ein Spülventil 103 und ein Kontrollgerät 105.
  • Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Temperatursensor 107 und/oder einen Drucksensor 109 sowie ein Koordinationssystem 111.
  • Das Kontrollgerät 105 ist dazu konfiguriert, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils 103 auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem 100 ein Trocknungsverfahren ausführt, d.h. das Brennstoffzellensystem 100 sich in einem Trocknungszustand befindet.
  • Zum Ermitteln, ob sich das Brennstoffzellensystem in einem Trocknungszustand befindet kann das Kontrollgerät 105 dazu konfiguriert sein, eine Änderungsrate eines thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels 101 mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert abzugleichen und für den Fall, dass die Änderungsrate über dem Spülschwellenwert liegt, in einen Zustand „Trocknungsverfahren“ zu schalten und einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils 103 auszugeben.
  • Zum Aktivieren des Spülventils 103 kann das Kontrollgerät 105 direkt mit dem Spülventil kommunizieren und diesem Kontrollbefehle übermitteln oder mit dem Koordinationssystem 111 kommunizieren, das in Reaktion auf einen Empfang des Aktivierungsbefehls eine Aktivierung bzw. eine Steuerung bzw. Regelung des Spülventils ausführt.
  • Zum Ermitteln, ob ein thermodynamischer Zustand, bspw. zu einem aktuellen Zeitpunkt oder in der Zukunft über dem Spülschwellenwert liegt, kann das Kontrollgerät 105 durch den Temperatursensor 107 und/oder den Drucksensor 109 ermittelte Messwerte direkt mit dem Spülschwellenwert abgleichen oder die Messwerte mathematisch vorverarbeiten und anschließend mit dem Spülschwellenwert abgleichen.
  • Zur Vorverarbeitung der Messwerte können diese bspw. mittels eines mathematischen Verfahrens in eine einzelne Kenngröße überführt werden, die dann mit dem Spülschwellenwert abgeglichen wird.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einem direkten Messwertabgleich kann das Kontrollgerät 105 dazu konfiguriert sein, den thermodynamischen Zustand des Brennstoffzellenstapels 101 für einen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt zu prognostizieren. Dazu kann das Kontrollgerät 105 bspw. ein mathematisches Modell des Brennstoffzellenstapels 101 nutzen, das bspw. mit Messwerten des Temperatursensors 107 und/oder den Drucksensors 109 als Eingangssignale ausgeführt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Kontrollgerät 105 über eine Schnittstelle mit einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems 100 kommunikativ verbunden sein, um einen Zustandswert, der eine Ausführung eines Trocknungsverfahrens anzeigt, abzufragen bzw. zu empfangen.
  • In 2 ist ein Betriebsverfahren 200 dargestellt. Das Betriebsverfahren 200 läuft bspw. während einem Normalbetrieb eines Brennstoffzellensystems dauerhaft bzw. in regelmäßigen Abständen ab und umfasst einen Ermittlungsschritt 201, bei dem ermittelt wird, ob das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt.
  • Bspw. werden in dem Ermittlungsschritt aktuelle Temperaturwerte mittels eines Temperatursensors in dem Brennstoffzellenstapel zu einem ersten Zeitpunkt und zu mindestens einem weiteren Zeitpunkt ermittelt. Anhand der ermittelten Temperaturwerte wird eine Änderungsrate der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt und mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert abgeglichen.
  • Der Spülschwellenwert kann bspw. 1 Kelvin pro Sekunde sein, sodass für den Fall, dass die Änderungsrate der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel größer ist als 1 Kelvin pro Sekunde, davon ausgegangen wird, dass sich das Brennstoffzellensystem in einem Trocknungszustand befindet bzw. ein Trocknungsverfahren ausgeführt wird und entsprechend ein Ausgabeschritt 203 aktiviert wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann in dem Ermittlungsschritt 201 ein Zustandswert eines Zentralsteuergeräts des Brennstoffzellensystems abgefragt bzw. empfangen werden, der eine Ausführung eines Trocknungsverfahrens anzeigt.
  • Die Aktivierung des Ausgabeschritts 203 bewirkt ein Ausgeben eines Aktivierungsbefehls, also bspw. ein Übermitteln von entsprechenden Kontrollsignalen durch ein Kontrollgerät an ein bspw. ein Spülventil oder ein Koordinationssystem des Brennstoffzellensystems. Entsprechend bewirkt der Aktivierungsbefehl ein Aktivieren des Spülventils und eine dadurch bedingte Erhöhung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems. Durch die Erhöhung der Wasserstoffkonzentration werden Bauteile des Brennstoffzellensystems, wie bspw. Katalysatorschichten vor einem abgemagerten Zustand und dadurch bedingten Wasseransammlungen geschützt und eine Standzeit des Brennstoffzellensystems maximiert.
  • Insbesondere bewirkt der Aktivierungsbefehl eine Änderung der Konfiguration des Brennstoffzellensystems dahingehend, dass eine Betriebsstrategie zur Minimierung eines Wasserstoffverbrauchs, wie sie bspw. im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems eingestellt ist, deaktiviert bzw. geändert wird, sodass der Brennstoffzellenstapel mit einer vorgegebenen, insbesondere einer maximalen Wasserstoffkonzentration befüllt wird.

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (101), - ein Spülventil (103), - ein Kontrollgerät (105), wobei das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils (103) auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt, wobei durch die Aktivierung des Spülventils (103) die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellenstapel (101) auf einen vorgegebenen Erhöhungswert eingestellt wird und der Erhöhungswert derart gewählt ist, dass dieser über der Wasserstoffkonzentrationen liegt, die für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (100) vorgegebenen ist.
  2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, eine Ausführung des Trocknungsverfahrens dadurch zu bestimmen, dass: - sich ein thermodynamischer Zustand des Brennstoffzellenstapels (101) mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, oder - ein Zustandswert in einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems (100) eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) weiterhin umfasst: - einen Temperatursensor (107) zum Erfassen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (101) und/oder - einen Drucksensor (109) zum Erfassen eines in dem Brennstoffzellenstapel (101) vorliegenden Drucks, wobei das Kontrollgerät (105) weiterhin dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate des thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels (101) anhand der vom Temperatursensor (107) und/oder vom Drucksensor (109) ermittelten Messwerten zu bestimmen.
  4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate mittels eines mathematischen Modells zu modellieren und einen Zeitpunkt in der Zukunft, zu dem die Änderungsrate über dem Spülschwellenwert liegt, vorherzusagen, und wobei das Kontrollgerät (105) weiterhin dazu konfiguriert ist, den Aktivierungsbefehl derart auszugeben, dass das Spülventil (103) zu dem vorhergesagten Zeitpunkt aktiviert wird.
  5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülschwellenwert eine vorgegebene Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels (101) pro Zeiteinheit und/oder eine vorgegebene Druckänderung des Brennstoffzellenstapels (101) pro Zeiteinheit umfasst.
  6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsbefehl dazu konfiguriert ist, einen Anfragewert zum Aktivieren des Spülventils (103) auf einen maximalen Wert zu setzen, oder dass der Aktivierungsbefehl dazu konfiguriert ist, das Spülventil (103) direkt zu aktivieren.
  7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsbefehl bewirkt, dass das Spülventil (103) mit einer maximalen Durchsatzrate spült.
  8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) weiterhin umfasst: - ein Koordinationssystem (111) zum Koordinieren von durch den Brennstoffzellenstapel (101) strömenden Gasen, wobei das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, den Aktivierungsbefehl an das Koordinationssystem zu übermitteln, und das Koordinationssystem (111) dazu konfiguriert ist, das Spülventil (103) in Reaktion auf einen Empfang des Aktivierungsbefehls direkt zu aktivieren oder, wenn eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel (101) über einem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt, einen dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Luftmassenstrom zunächst zu erhöhen und das Spülventil (103) erst dann zu aktivieren, wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel (101) unter dem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt.
  9. Betriebsverfahren (200) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Betriebsverfahren (200) umfasst, - einen Ermittlungsschritt (201) bei dem ermittelt wird, ob das Brennstoffzellensystem (100) ein Trocknungsverfahren ausführt, - einen Ausgabeschritt (203) bei dem ein Aktivierungsbefehl ausgegeben wird, der ein Spülventil (103) eines den Brennstoffzellenstapel (101) umfassenden Brennstoffzellensystems (100) für den Fall aktiviert, dass der Ermittlungsschritt (201) ergibt, dass das Brennstoffzellensystem das Trocknungsverfahren ausführt, wobei durch die Aktivierung des Spülventils (103) die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellenstapel auf einen vorgegebenen Erhöhungswert eingestellt wird und der Erhöhungswert derart gewählt ist, dass dieser über der Wasserstoffkonzentrationen liegt, die für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (100) vorgegebenen ist.
  10. Betriebsverfahren (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ermittlungsschritt (201) ermittelt wird, ob ein thermodynamischer Zustand eines Brennstoffzellenstapels (101) des Brennstoffzellensystems (100) sich mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, wobei die Änderung des thermodynamischen Zustands durch einen Abgleich mindestens eines von einem Temperatursensor (107) zum Messen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (101) und/oder einem Drucksensor (109) zum Messen eines Drucks in dem Brennstoffzellenstapel (101) ermittelten Messwerts mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert bestimmt wird, oder in dem Ermittlungsschritt (201) ein Zustandswert von einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems abgefragt bzw. empfangen wird, der eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
  11. Betriebsverfahren (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ermittlungsschritt (201) einen Abgleich eines mittels eines mathematischen Modells ermittelten Prognosewerts eines in der Zukunft zu erwartenden thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels (101) mit dem vorgegebenen Spülschwellenwert umfasst.
DE102021206204.0A 2021-06-17 2021-06-17 Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem Active DE102021206204B4 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021206204.0A DE102021206204B4 (de) 2021-06-17 2021-06-17 Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
PCT/EP2022/066070 WO2022263392A1 (de) 2021-06-17 2022-06-14 Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021206204.0A DE102021206204B4 (de) 2021-06-17 2021-06-17 Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102021206204A1 DE102021206204A1 (de) 2022-12-22
DE102021206204B4 true DE102021206204B4 (de) 2023-05-11

Family

ID=82258140

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021206204.0A Active DE102021206204B4 (de) 2021-06-17 2021-06-17 Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021206204B4 (de)
WO (1) WO2022263392A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112007002603T5 (de) 2006-11-06 2009-12-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Brennstoffzellensystem
DE102019214748A1 (de) 2019-09-26 2021-04-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006059719A (ja) * 2004-08-20 2006-03-02 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5066358B2 (ja) * 2006-12-21 2012-11-07 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその掃気方法
JP2008282576A (ja) * 2007-05-08 2008-11-20 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112007002603T5 (de) 2006-11-06 2009-12-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Brennstoffzellensystem
DE102019214748A1 (de) 2019-09-26 2021-04-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021206204A1 (de) 2022-12-22
WO2022263392A1 (de) 2022-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE602004006686T2 (de) Brennstoffzellensystem
DE10107128A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren
DE112005000484T5 (de) Brennstoffzellensystem-Steuerungsvorrichtung
DE112006001673T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102009050938B4 (de) Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel
CN102224627A (zh) 燃料电池系统及其控制方法
DE102005018070A1 (de) Verfahren zur Echtzeitüberwachung und Steuerung der Kathodenstöchiometrie in einem Brennstoffzellensystem
DE112009005381T5 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Feuchtigkeitszuständen einzelner Zellen in einer Brennstoffzelle, Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Feuchtigkeitszuständen einzelner Zellen in einer Brennstoffzelle, und Brennstoffzellensystemen
EP1153452B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur leistungsregelung eines brennstoffzellenstacks
DE112004000606B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102009050934A1 (de) Verfahren für Abhilfemassnahmen in dem Fall des Ausfalls eines Kompressorbypassventils in einem Brennstoffzellensystem
DE102018115520A1 (de) Erkennung von unreinem kraftstoff und abhilfemassnahmen
DE102021206204B4 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE102020111702A1 (de) System zum regeln eines luft-kraftstoff-verhältnisses für ein flex-fuel-fahrzeug unter verwendung einer sauerstoffspeichermenge eines katalysators und verfahren davon
DE102017129733A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102007022203B4 (de) Verfahren zum steuern der relativen feuchte des kathodenabgases eines brennstoffzellenstapels
DE102014100186A1 (de) Schätzung transienter relativer Feuchte eines Einlasses mittels eines adaptiven Modells einer Kathodenbefeuchtungseinheit und eines Hochfrequenzwiderstands
DE102013112519B4 (de) Verfahren zur Diagnose von Brennstoffzellenbefeuchtungsproblemen
EP1427046A1 (de) Brennstoffzelle mit Regulierung des Wassergehalts der Reaktanden
DE102021214749A1 (de) Verfahren zur Trocknung eines elektrochemischen Energiewandlers
DE102015213917B4 (de) Verfahren und System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle
DE102021200451A1 (de) Verfahren zur Kalibrierung und/oder Adaption eines in einem Kathodenzuluftpfad eines Brennstoffzellensystems angeordneten Luftmassenstromsensors, Steuergerät
WO2021083660A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und steuergerät dafür
DE102021214309A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
DE112007000329T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final