DE102022200374A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, wobei jeder Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Zuführen von Zuluft und mit mindestens einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Abführen von Abluft gekoppelt ist. Weiter umfasst das Brennstoffzellensystem mindestens einen Verbindungspfad, welcher zwischen mindestens einem Abluftpfad, welcher mit mindestens einem ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und mindestens einem Zuluftpfad, welcher mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel verschiedenen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zuzuführen. In dem mindestens einen Verbindungspfad ist mindestens eine Ventileinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.The invention relates to a fuel cell system with a large number of fuel cell stacks, each fuel cell stack being coupled to at least one inlet air path of the fuel cell system for supplying inlet air and to at least one exhaust air path of the fuel cell system for removing exhaust air. The fuel cell system also comprises at least one connection path, which is arranged between at least one exhaust air path, which is coupled to at least one first fuel cell stack, and at least one air supply path, which is coupled to at least one second fuel cell stack that is different from the at least one first fuel cell stack, and is designed to supply exhaust air from the at least one first fuel cell stack to the intake air of the at least one second fuel cell stack. At least one valve device is arranged in the at least one connection path, which valve device is designed to change a quantity of the exhaust air that is supplied to the intake air of the at least one second fuel cell stack.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The present invention relates to a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Bei Brennstoffzellenfahrzeugen (englisch Fuel Cell Vehicle, FCV), bei denen unter anderem die Antriebsenergie auch durch ein oder mehrere Brennstoffzellenteilsysteme (englisch: Fuel Cell System, FCS) geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.In fuel cell vehicles (FCV), in which, among other things, the drive energy is also supplied by one or more fuel cell systems (FCS), the oxidizing agent oxygen from the ambient air is usually used to Fuel cell to react with hydrogen to form water or water vapor and thus to deliver electrical power through electrochemical conversion.
Die Umgebungsluft ist mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Dazu sind ein entsprechender variabler Luftmassenstrom und ein entsprechendes Druckniveau notwendig.The ambient air is to be supplied to the fuel cell stack by means of an air conveying system or air compression system. This requires a corresponding variable air mass flow and a corresponding pressure level.
Essentiell für den Betriebes eines Protonen-Austausch-Membran (PEM)-Stapels ist das Wassermanagement in der Membran und damit auch im Kathodenpfad. Die Membran muss ausreichend feucht sein, um Protonen zu leiten. Die Gefahr von Austrocknung ist insbesondere im Kathodeneintrittsbereich signifikant hoch.Water management in the membrane and thus also in the cathode path is essential for the operation of a proton exchange membrane (PEM) stack. The membrane must be sufficiently wet to conduct protons. The risk of drying out is particularly high in the cathode entry area.
Hierzu können Systeme mit externen Befeuchtern, z.B. Membranbefeuchter oder Wassereinspritzung, oder mit höheren Systemdrücken betrieben werden, um eine Stapelinterne Befeuchtung von Anode und Kathode zu gewährleisten. Bei höherem Druck nimmt die Luft weniger Wasser auf.For this purpose, systems with external humidifiers, e.g. membrane humidifiers or water injection, or with higher system pressures can be operated in order to ensure humidification of the anode and cathode within the stack. At higher pressure, the air absorbs less water.
Es ist auch möglich, dass sich Stapel über den Kathoden- und Anodenpfad intern befeuchten, d.h. Wasser wird von der Kathode zur Anode geleitet und Wasser wird ebenfalls von Anode zur Kathode in verschiedenen Zellbereichen transportiert. Dies bedingt einen ausreichend hohen Systemdruck und ein entsprechendes Stapeldesign mit dünnen Membranen. Eine weitere Folge davon ist, dass das System in einigen Betriebsbereichen nicht bzw. nur mit Leistungsreduktion (Derating) betrieben werden können, etwa bei hohen Umgebungstemperaturen, bei Bergfahrt oder bei gealterten Stapeln.It is also possible for stacks to become internally humidified via the cathode and anode pathway, i.e. water is conducted from cathode to anode and water is also transported from anode to cathode in different cell areas. This requires a sufficiently high system pressure and a corresponding stack design with thin membranes. Another consequence of this is that the system cannot be operated in some operating ranges or can only be operated with a reduction in performance (derating), for example at high ambient temperatures, when driving uphill or with aged stacks.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.The invention provides a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system with the features of the independent patent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, wobei jeder Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Zuführen von Zuluft und mit mindestens einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Abführen von Abluft gekoppelt ist. Weiter umfasst das Brennstoffzellensystem mindestens einen Verbindungspfad, welcher zwischen mindestens einem Abluftpfad, welcher mit mindestens einem ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und mindestens einem Zuluftpfad, welcher mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel verschiedenen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zuzuführen. In dem mindestens einen Verbindungspfad ist mindestens eine Ventileinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.According to a first aspect, the invention relates to a fuel cell system with a large number of fuel cell stacks, each fuel cell stack being coupled to at least one inlet air path of the fuel cell system for supplying inlet air and to at least one exhaust air path of the fuel cell system for discharging exhaust air. Furthermore, the fuel cell system comprises at least one connection path, which is arranged between at least one exhaust air path, which is coupled to at least one first fuel cell stack, and at least one supply air path, which is coupled to at least one second fuel cell stack that is different from the at least one first fuel cell stack, and is designed for this purpose is to supply exhaust air from the at least one first fuel cell stack to the supply air of the at least one second fuel cell stack. At least one valve device is arranged in the at least one connection path, which valve device is designed to change a quantity of the exhaust air which is supplied to the intake air of the at least one second fuel cell stack.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, wobei die mindestens eine Ventileinrichtung angesteuert wird, um eine Menge der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels zu steuern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.According to a second aspect, the invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the invention, wherein the at least one valve device is activated in order to control an amount of exhaust air from the at least one first fuel cell stack, which is fed to the intake air of the at least one second fuel cell stack.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Indem Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft mindestens eines weiteren zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, kann die Kathode des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels befeuchtet werden. Die Erfindung ermöglicht somit eine flexible und variable Befeuchtungsmöglichkeit der Kathodenzuluft, die für die Optimierung des Betriebes und auch für die Verminderung der Degradation vorteilhaft ist.The cathode of the at least one second fuel cell stack can be humidified by supplying exhaust air from a first fuel cell stack to the supply air of at least one further second fuel cell stack. The invention thus enables a flexible and variable possibility of humidifying the cathode supply air, which is advantageous for optimizing operation and also for reducing degradation.
Aufgrund der Befeuchtung kann weiter der notwendige Stapel-Eintrittsdruck gesenkt werden, und damit können die Verdichteranforderungen gesenkt und die Systemauslegung von Verdichter und Brennstoffzellenstapel optimiert werden, was zu niedrigeren Systemkosten führt.Due to the humidification, the necessary stack entry pressure can be further reduced and thus the compressor requirements can be reduced and the system design of the compressor and fuel cell stack can be optimized, resulting in lower system costs.
Zusätzlich wird der Wasserstoff-Verbrauch verringert, da der Kathodeneintrittsbereich besser befeuchtet wird und dieser Bereich dann mit besserem Wirkungsgrad betrieben wird und damit der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird. Weiter kann auf einen externen Befeuchter (z.B. Membranbefeuchter) verzichtet werden.In addition, the hydrogen consumption is reduced because the cathode entry area is better moistened and this area is then operated with better efficiency and the overall efficiency is thus improved. Furthermore, an external humidifier (e.g. membrane humidifier) can be dispensed with.
Weiter kann die Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels durch die Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels gekühlt werden. Dies kann den Wirkungsgrad erhöhen und den Kühlkreis entlasten.Furthermore, the supply air of the at least one second fuel cell stack can be cooled by the exhaust air of the at least one first fuel cell stack. This can increase efficiency and relieve the cooling circuit.
Ein weiterer Vorteil ist, dass kein Druckverlust durch externe Befeuchter entsteht, was zu einem höheren Systemwirkungsgrad und geringeren parasitären Verlusten führt und damit zu einem verbesserten Wasserstoff-Verbrauch.Another advantage is that there is no pressure loss due to external humidifiers, which leads to higher system efficiency and lower parasitic losses and thus improved hydrogen consumption.
Die Übertragung von Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels in die Zuluft kann an einer oder auch an mehreren Stellen in einen Zuluftpfad eines weiteren Brennstoffzellenstapels oder auch mehrerer Brennstoffzellenstapel erfolgen.The transfer of exhaust air from a first fuel cell stack into the supply air can take place at one or more points in a supply air path of a further fuel cell stack or also of several fuel cell stacks.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst das Verändern der Menge der Abluft das Abdichten bzw. Abschließen des Verbindungspfades. Dies kann insbesondere für alle Betriebsbedingungen erfolgen, die eine Zufuhr von feuchter Abluft in die Zuluft eines anderen Brennstoffzellenstapels nicht erforderlich machen bzw. in denen die Freigabebedingungen nicht vorliegen.According to a further embodiment of the fuel cell system, changing the amount of exhaust air includes sealing or closing off the connection path. This can be done in particular for all operating conditions that do not require the supply of moist exhaust air to the supply air of another fuel cell stack or in which the enabling conditions are not present.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Ventileinrichtung anzusteuern, um die Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Durch Ansteuern der Ventileinrichtung ermöglicht die Erfindung eine betriebspunktabhängige Befeuchtungsmöglichkeit der Zuluft. Dies ermöglicht es, den Systembetrieb zu erweitern bzw. die volle Leistungsanforderung aufrecht zu erhalten. Das Brennstoffzellensystem muss in der meist mobilen Applikation einen sehr großen Betriebsbereich mit sehr unterschiedlichen Rand- und Umgebungsbedingungen adäquat abdecken. Durch die Möglichkeit des Steuerns der Abluftmenge, welche der Zuluft bereitgestellt wird, kann der Betriebsbereich erweitert werden (insbesondere in Randbereichen), sodass Derating vermieden werden bzw. die Anzahl von Derating verzögert oder vermindert werden kann. Die Systemauslegung kann verbessert werden, was die Kosten senkt.According to a further embodiment of the fuel cell system, this includes a control device which is designed to activate the at least one valve device in order to change the amount of exhaust air which is supplied to the intake air of the at least one second fuel cell stack. By controlling the valve device, the invention enables the supply air to be humidified as a function of the operating point. This makes it possible to extend the system operation or to maintain the full performance requirement. In the mostly mobile application, the fuel cell system must adequately cover a very large operating range with very different boundary and environmental conditions. Due to the possibility of controlling the amount of exhaust air that is made available to the supply air, the operating range can be expanded (especially in peripheral areas), so that derating can be avoided or the number of deratings can be delayed or reduced. The system design can be improved, which reduces costs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Menge der zugeführten Abluft unter Berücksichtigung von Drücken, Massenströmen und/oder Temperaturen in dem mindestens einen Abluftpfad, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und in dem mindestens einen Zuluftpfad, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, einzustellen. Dies gibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Es können Drücke, Massenströme, Fluidzusammensetzung insbesondere Feuchte bzw. Wassergehalt und/oder Temperaturen sowohl vom Entnahme-Brennstoffzellenstapel als auch vom Ziel- Brennstoffzellenstapel berücksichtigt werden.According to a further embodiment of the fuel cell system, the control device is designed to determine the quantity of exhaust air supplied, taking into account pressures, mass flows and/or temperatures in the at least one exhaust air path, which is coupled to the at least one first fuel cell stack, and in the at least one intake air path, which is coupled to the at least one second fuel cell stack to set. This gives an additional degree of freedom. Pressures, mass flows, fluid composition, in particular humidity or water content and/or temperatures, both from the extraction fuel cell stack and from the target fuel cell stack can be taken into account.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels nur dann zuzuführen, wenn ein Druck in dem mindestens einem Abluftpfad, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, größer ist als ein Druck in dem mindestens einen Zuluftpfad, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist. Dadurch wird ein Druckgefälle sichergestellt. According to a further embodiment of the fuel cell system, the control device is designed to supply exhaust air from the at least one first fuel cell stack to the supply air of the at least one second fuel cell stack only when a pressure in the at least one exhaust air path, which is coupled to the at least one first fuel cell stack, is greater as a print in the at least one supply air path, which is coupled to the at least one second fuel cell stack. This ensures a pressure gradient.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die einzelnen Brennstoffzellenstapel hinsichtlich des Druckniveaus so abzustimmen, dass ausreichend Druckdifferenz zwischen der Entnahmestelle der Abluft und der Zudosierstelle der Zuluft sichergestellt wird. Dazu kann die Steuereinrichtung die mindestens eine Ventileinrichtung derart ansteuern, dass eine gewünschte Menge/Masse bzw. ein gewünschter Mengenstrom/Massenstrom zwischen den Brennstoffzellenstapeln übertragen wird.According to a further embodiment of the fuel cell system, the control device is designed to coordinate the individual fuel cell stacks with regard to the pressure level in such a way that a sufficient pressure difference between the extraction point for the exhaust air and the metering point for the supply air is ensured. For this purpose, the control device can control the at least one valve device in such a way that a desired quantity/mass or a desired quantity flow/mass flow is transferred between the fuel cell stacks.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, eine Abstimmung des Betriebs und der Druckniveaus mittels einer Leistungsaufteilungs-Betriebsstrategie vorzunehmen.According to a further embodiment of the fuel cell system, the control device is designed to coordinate the operation and the pressure levels by means of a power-sharing operating strategy.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems wird kontinuierlich Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt. Die Befeuchtung und/oder Kühlung erfolgt somit kontinuierlich. Hierzu können die Brennstoffzellenstapel bei der Implementierung bereits nach den Druckverhältnissen geordnet werden.According to a further embodiment of the fuel cell system, waste air from the at least one first fuel cell stack is continuously fed to the supply air of the at least one second fuel cell stack. The humidification and/or cooling thus takes place continuously. For this purpose, the fuel cell stacks can already be arranged according to the pressure conditions during implementation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels in einem intermittierenden Betrieb (z.B. getaktet, adaptiv, durch Parameter getriggert und/oder durch Events getriggert) zuzuführen. Vorzugsweise wird Abluft der Zuluft nur an denjenigen Betriebspunkten zugeführt, bei welchen die Kathode insbesondere am Eintritt nicht ausreichend befeuchtet ist. Es kann somit eine bedarfsgerechte Befeuchtung bzw. Kühlung bereitgestellt werden. Aufgrund der Stapelalterung bzw. auch Systemdegradation über Lebenszeit kann die variable Zudosierung eine adaptive Betriebsweise ermöglichen bzw. verbessern.According to a further embodiment of the fuel cell system, the control device is designed to supply exhaust air from the at least one first fuel cell stack to the supply air of the at least one second fuel cell stack in intermittent operation (e.g. clocked, adaptive, triggered by parameters and/or triggered by events). Exhaust air is preferably fed to the supply air only at those operating points at which the cathode is not sufficiently moistened, particularly at the inlet. It can thus be provided a needs-based humidification or cooling. Due to the aging of the stack and also system degradation over the lifetime, the variable dosing can enable or improve an adaptive mode of operation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Ventileinrichtungen mittels eines lernenden und adaptiven Verfahrens anzusteuern. Dadurch ergibt sich eine schrittweise Verbesserung bzw. Optimierung und eine Adaption über die Lebenszeit des Brennstoffzellensystems und über verschiedene Anwendungsfälle.According to a further embodiment of the fuel cell system, the control device is designed to control the valve devices by means of a learning and adaptive method. This results in a gradual improvement or optimization and an adaptation over the lifetime of the fuel cell system and over different applications.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses ein Abgasventil und/oder eine Turbine im Abluftpfad, wobei eine Abzweigung der Abluft im Abluftpfad stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Abgasventils und/oder der Turbine erfolgt. Dadurch kann ein ausreichendes Druckniveau sichergestellt werden.According to a further embodiment of the fuel cell system, this comprises an exhaust valve and/or a turbine in the exhaust air path, with the exhaust air branching off in the exhaust air path downstream of the first fuel cell stack and upstream of the exhaust valve and/or the turbine. This ensures a sufficient pressure level.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses eine Verdichtereinrichtung, wobei die Verdichtereinrichtung in dem Zuluftpfad angeordnet ist, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist. Das Einbringen der Abluft in den Zuluftpfad erfolgt vorzugsweise stromabwärts nach der Verdichtung. Eine Kostenreduktion ist möglich, da beispielsweise eine maximale Anforderung an einen Verdichter bezüglich des Druckverhältnisses reduziert werden kann und/oder eine Auslegung der Brennstoffzellenstapel am Volllastpunkt verbessert werden kann, etwa durch Absenkung der Druckanforderung und der parasitären Leistung des Luftverdichtungssystems.According to a further embodiment of the fuel cell system, this includes a compressor device, wherein the compressor device is arranged in the supply air path, which is coupled to the at least one second fuel cell stack. The exhaust air is introduced into the supply air path preferably downstream after the compression. A cost reduction is possible since, for example, a maximum requirement for a compressor with regard to the pressure ratio can be reduced and/or a design of the fuel cell stack at the full load point can be improved, for example by lowering the pressure requirement and the parasitic power of the air compression system.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst die Verdichtereinrichtung eine Vielzahl von Verdichterstufen, wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zumindest zwischen zwei Verdichterstufen der Verdichtereinrichtung zuzuführen.According to a further embodiment of the fuel cell system, the compressor device comprises a multiplicity of compressor stages, the at least one connection path being designed to supply exhaust air from the at least one first fuel cell stack to the intake air of the at least one second fuel cell stack at least between two compressor stages of the compressor device.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses einen Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager, wobei der Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager in dem Zuluftpfad angeordnet ist, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels stromaufwärts und/oder stromabwärts des Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertragers zuzuführen.According to a further embodiment of the fuel cell system, this comprises an air-liquid heat exchanger, wherein the air-liquid heat exchanger is arranged in the supply air path, which is coupled to the at least one second fuel cell stack, and wherein the at least one connection path is designed to transport exhaust air from the supplying at least one first fuel cell stack to the supply air of the at least one second fuel cell stack upstream and/or downstream of the air-liquid heat exchanger.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses einen Tropfenabscheider, wobei der Tropfenabscheider in dem Abluftpfad angeordnet ist, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels stromabwärts bezüglich des Tropfenabscheiders abzuführen und der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellensystems zuzuführen.According to a further embodiment of the fuel cell system, this includes a droplet separator, wherein the droplet separator is arranged in the exhaust air path, which is connected to the at least is coupled to a first fuel cell stack, and wherein the at least one connection path is designed to discharge exhaust air from the at least one first fuel cell stack downstream with respect to the droplet separator and to supply it to the supply air of the at least one second fuel cell system.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses mindestens einen passiven Wärmeübertrager, wobei der mindestens eine passive Wärmeübertrager dazu ausgebildet ist, die Zuluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels durch die Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels zu kühlen, und wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels stromaufwärts bezüglich des passiven Wärmeübertragers abzuführen und der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellensystems stromabwärts des passiven Wärmeübertragers zuzuführen. Passive Wärmeübertrager entlasten den Flüssig-Kühlkreis, da Abwärme durch Abluft entsorgt wird. Weiter kann eine Turbinenleistung durch eine höhere Turbineneintrittstemperatur erhöht werden und es ist kein Wasserabscheider notwendig. Der Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager kann in diesen Fällen klein ausfallen oder auch durch diese Maßnahme ganz entfallen, da die Kühlung durch die im Verbindungspfad übertragene feuchte Luft bewerkstelligt werden kann. Vorzugsweise erfolgt hier die Entnahme stromaufwärts des passiven Wärmeübertragers, um die zu übertragende Abluft nicht zu heiß zu transferieren.According to a further embodiment of the fuel cell system, this comprises at least one passive heat exchanger, wherein the at least one passive heat exchanger is designed to cool the air supply to the at least one first fuel cell stack using the exhaust air from the at least one first fuel cell stack, and the at least one connection path is designed for this purpose , discharge exhaust air from the at least one first fuel cell stack upstream of the passive heat exchanger and supply it to the supply air of the at least one second fuel cell system downstream of the passive heat exchanger. Passive heat exchangers relieve the liquid cooling circuit, since waste heat is disposed of with exhaust air. Furthermore, a turbine output can be increased by a higher turbine inlet temperature and no water separator is necessary. In these cases, the air-to-liquid heat exchanger can be small or even eliminated entirely by this measure, since the cooling can be accomplished by the moist air transferred in the connection path. In this case, extraction preferably takes place upstream of the passive heat exchanger, so that the exhaust air to be transferred is not too hot.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems werden die Brennstoffzellenstapel derart aufeinander bzw. untereinander abgestimmt, dass Betriebsbedingungen zum Ansteuern der mindestens einen Ventileinrichtung vorliegen. Insbesondere können die erforderlichen Druckdifferenzen zwischen den Brennstoffzellenstapeln eingestellt werden. Die Abstimmung der Brennstoffzellenstapel kann durch Einstellen einer Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellenstapeln und einem oder mehreren mit den Brennstoffzellenstapeln gekoppelten Energiespeichern erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Abstimmung der Brennstoffzellenstapel durch Einstellen einer Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellenstapeln erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Abstimmung der Brennstoffzellenstapel durch Einstellen der abgestimmten Betriebsparameter eines Wassermanagements der Brennstoffzellenstapel erfolgen.According to a further embodiment of the method for operating the fuel cell system, the fuel cell stacks are matched to one another or to one another in such a way that operating conditions for controlling the at least one valve device are present. In particular, the required pressure differences between the fuel cell stacks can be adjusted. The fuel cell stacks can be tuned by adjusting a power split between the fuel cell stacks and one or more energy storage devices coupled to the fuel cell stacks. Alternatively or additionally, the tuning of the fuel cell stacks can take place by setting a power distribution between the fuel cell stacks. Alternatively or additionally, the fuel cell stack can be tuned by adjusting the tuned operating parameters of a water management system in the fuel cell stack.
Das Wassermanagement kann im Rahmen dieser Erfindung alle relevanten Betriebsbedingungen und Betriebsparameter betreffen, die für den Brennstoffzellenstapel und das Feuchtemanagment der Membran relevant sind. Die daraus ermittelten Sollwerte werden durch eine Wassermanagement-Steuerung in eine Betriebsführung umgesetzt. Die Betriebsparameter des jeweiligen Brennstoffzellenstapels umfassen hierbei stackindividuell die relevanten Parameter wie Druckniveaus, Massenströme, Temperaturen, Überstöchiometrien, Fluidzusammensetzungen, wie z.B. Feuchtegehalt bzw. Wassergehalt, Aktivitäten der beteiligten Medienströme Luft, Wasserstoff und Kühlmittel und die elektrischen Größen, z.B. Spannung, Stromdichte, Strom und Impedanz.Within the scope of this invention, the water management can relate to all relevant operating conditions and operating parameters that are relevant for the fuel cell stack and the moisture management of the membrane. The target values determined from this are converted into operational management by a water management control system. The operating parameters of the respective fuel cell stack include the relevant stack-specific parameters such as pressure levels, mass flows, temperatures, excess stoichiometry, fluid compositions, such as moisture content or water content, activities of the media flows involved, air, hydrogen and coolant and the electrical variables, e.g. voltage, current density, current and impedance.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems werden die Brennstoffzellenstapel hinsichtlich den Betriebsparametern der jeweiligen Wassermanagements, insbesondere Druckniveaus, Luftmassenströme, Temperaturen und Fluidzusammensetzung bzw. Feuchte bzw. Wassergehalt abgestimmt.According to a further embodiment of the method for operating a fuel cell system, the fuel cell stacks are coordinated with regard to the operating parameters of the respective water management, in particular pressure levels, air mass flows, temperatures and fluid composition or moisture or water content.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfasst das Durchführen eines Wassermanagements der Brennstoffzellenstapel eine Abstimmung zwischen einem Druckniveau und einer Überstöchiometrie in einem Kathodenpfad des jeweiligen Brennstoffzellenstapels, eine Einstellung einer Stack-Temperatur, eine Einstellung einer Kühlmitteltemperatur, einer Einstellung einer Eintrittsfeuchte an der Kathode und/oder eine Einstellung einer Austrittsaktivität an der Kathode des jeweiligen Brennstoffzellenstapels.According to a further embodiment of the method for operating a fuel cell system, performing water management in the fuel cell stack includes matching a pressure level and over-stoichiometry in a cathode path of the respective fuel cell stack, setting a stack temperature, setting a coolant temperature, setting an inlet humidity at the Cathode and/or adjustment of an exit activity at the cathode of the respective fuel cell stack.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems werden Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems weiter unter Berücksichtigung mindestens eines Optimierungsziels eingestellt, wobei das mindestens eine Optimierungsziel eine Minimierung eines Verbrauchs und/oder eine Minimierung einer Alterung der Brennstoffzellenstapel umfasst.According to a further embodiment of the method for operating a fuel cell system, operating parameters of the fuel cell system are also set taking into account at least one optimization goal, the at least one optimization goal comprising minimizing consumption and/or minimizing aging of the fuel cell stack.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird weiter zumindest eines von einer Vorsteuerung, einer Prädiktion, einer Detektion, einer Plausibilisierung und einer Regelung ihm Rahmen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems durchgeführt, unter Berücksichtigung des Ansteuerns der mindestens einen Ventileinrichtung.According to a further embodiment of the method for operating a fuel cell system, at least one of pilot control, prediction, detection, plausibility checking and regulation is carried out as part of an operating strategy of the fuel cell system, taking into account the activation of the at least one valve device.
Figurenlistecharacter list
Es zeigen:
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1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; -
2 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; -
3 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; -
4 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; -
5 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung; -
6 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung; -
7 eine Steuereinrichtung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem; und -
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
1 a fuel cell system according to a first embodiment of the invention; -
2 a fuel cell system according to a second embodiment of the invention; -
3 a fuel cell system according to a third embodiment of the invention; -
4 a fuel cell system according to a fourth embodiment of the invention; -
5 a fuel cell system according to a fifth embodiment of the invention; -
6 a fuel cell system according to a sixth embodiment of the invention; -
7 a control device for use in a fuel cell system according to the invention; and -
8th a flowchart of a method for operating a fuel cell system according to an embodiment of the invention.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.Elements and devices that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in all figures. The numbering of method steps is for the sake of clarity and is generally not intended to imply a specific chronological order. In particular, several method steps can also be carried out simultaneously.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
Die Abluft fließt durch Turbinen 6, 8, 10. Weiter werden in die Abluft-Pfade die Fluide aus den Anodenkreisen (Purge-Gas, Drain-Fluid oder Kombinationen Purge-Drain-Fluid) mittels -Ventile (Purge-Ventil, Drain-Ventil oder Purge-Drain-Ventile) 20 bis 22 flussabwärts bezüglich der Turbinen 6, 8, 10 eingeleitet. Die Zuluftpfade 201 bis 203 der Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 sind mit den Abluftpfaden 301 bis 303 des jeweils selben Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 durch die Brennstoffzellenstapel und durch die Stackbypass-Pfade verknüpft. Die Zuluft fließt dabei durch den jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 und/oder durch ein Ventil 29 bis 31 durch die Stackbypass-Verbindungspfade 23, 25, 27 und wird flussaufwärts bezüglich der Turbinen 6, 8, 10 der Abluft zugeführt und fließt optional durch einen zweiten Verbindungspfad 24, 26, 28 und wird flussabwärts bezüglich der Turbinen 6, 8, 10 der Abluft zugeführt.The exhaust air flows through
Weiter sind Verbindungspfade 401 bis 403 (mit jeweils mindestens einer Leitung) vorgesehen, welche die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 der Zuluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12, die Abluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 der Zuluft des dritten Brennstoffzellenstapels 13 bzw. die Abluft des dritten Brennstoffzellenstapels 13 der Zuluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 zuführen können. In jedem Verbindungspfad 401 bis 403 ist jeweils eine Ventileinrichtung 17 bis 19 angeordnet, um die Menge an zugeführter Abluft einzustellen. Die Ventileinrichtungen 17 bis 19 dienen auch als Absperrvorrichtung und können etwa als Drosselklappe mit Dichtfunktion ausgestaltet sein.
Weiter umfasst das Brennstoffzellensystem 1000 eine Steuereinrichtung 500, welche die Ventileinrichtungen 17 bis 19 und die weiteren Aktoren, wie z.B. Luftverdichter 5, 7, 9 und z.B. Ventile 29 bis 31 und weitere Ventile, ansteuert, um die Menge der jeweils zugeführten Luft (Zuluft bzw. Abluft) und die Druckniveaus zu steuern.The
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Anzahl an Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 beschränkt. Weiter müssen nicht alle Verbindungspfade 401 bis 403 zwischen verschiedenen Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 realisiert sein. Beispielsweise kann der Verbindungspfad 403 vom dritten Brennstoffzellenstapel 13 zum ersten Brennstoffzellenstapel 11 optional sein.The invention is not limited to the number of fuel cell stacks 11 to 13 shown. Next, not all
Weiter ist die Erfindung auf verschiedene Luftsystemtopologien anwendbar. Die Verdichter 5, 7, 9 können einstufig oder mehrstufig, einflutig oder mehrflutig ausgebildet sein. Die Turbinen 6, 8, 10 können an einen elektrischen Verdichter im Zuluftpfad angekoppelt sein oder auch an einen Turbolader, der nur mittels der jeweiligen Turbine 6, 8, 10 angetrieben wird. Die Turbinen 6, 8, 10 können auch optional sein. Anstelle von Turbinen können auch Druckregelventile verbaut sein.Further, the invention is applicable to various air system topologies. The
Die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 wird über einen ersten Verbindungspfad 404 mit einer ersten Ventileinrichtung 53 zwischen den beiden Verdichterstufen 51, 52 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 zugeführt und über einen zweiten Verbindungspfad 405 mit einer zweiten Ventileinrichtung 54 zwischen den beiden Verdichterstufen 56, 57 des dritten Brennstoffzellenteilsystems 16 zugeführt.The exhaust air from the first
Die Abluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 wird über einen dritten Verbindungspfad 407 mit einer dritten Ventileinrichtung 55 zwischen den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 58 und den Brennstoffzellenstapel 13 des dritten Brennstoffzellenteilsystems 16 eingebracht.The exhaust air from the second
Die Abluft des dritten Brennstoffzellenstapels 13 kann optional über einen vierten Verbindungspfad 403 mit einer vierten Ventileinrichtung 19 zwischen den Verdichter 5 und den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 59 und/oder zwischen den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 59 und den Brennstoffzellenstapel 11 des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 eingebracht werden. Da der Druckverlust über den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 59 gering ist, kann hier Abluft in die Zuluft des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 an zwei Stellen eingeleitet werden.The exhaust air from the third
Allgemein kann eine einzelne Ventileinrichtung 19 insbesondere mehrere Zudosierstellen in den Zuluftpfad eines anderen Brennstoffzellenteilsystems 14 bis 16 oder in die Zuluftpfade von mehreren Brennstoffzellenteilsystemen 14 bis 16 bedienen.In general, a
Zur Druckregelung sind jeweils Regelventile 70 bis 72 im Abluftpfad vorgesehen. Der Abzweig im Abluftpfad erfolgt stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 und stromaufwärts eines Regelventils 70 bis 72.To control the pressure,
Die Einleitstelle bzw. Zuführstelle kann somit stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich des Flüssigkeits-Wärmeübertragers 60 sein. Das Einleiten stromaufwärts hat den Vorteil, dass die Abluft auch flüssige Wassertropfen enthalten kann. Erfolgt die Zudosierung vor dem Flüssigkeits-Wärmeübertragers 60, d.h. in warme Luft, dann können diese Tropfen besser verdampfen bzw. verdunsten und die Strömung wird zudem im Flüssigkeits-Wärmeübertragers 60 noch homogenisiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Zuluft bereits durch die Zudosierung der feuchten Luft gekühlt wird und somit der Flüssigkeits-Wärmeübertragers 60 weniger Wärme abführen muss.The introduction point or feed point can thus be downstream or upstream with respect to the
Gemäß weiteren Ausführungsformen ist auch eine Zudosierung kurz vor dem Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 möglich, sofern die Abluft keine wesentliche Menge an flüssigem Wasser bzw. an Tropfen enthält.According to further embodiments, metering in just before the
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Wärmeübertrager wie in
Die Steuereinrichtung 600 umfasst eine erste Steuereinheit 110, eine zweite Steuereinheit 111 und erste bis n-te Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n, wobei n die Anzahl der Brennstoffzellenstapel 11-13 bezeichnet. Diese Komponenten sind jeweils mit den Ventileinrichtungen 113 gekoppelt und können jeweils als separate Recheneinrichtung oder durch dieselbe Recheneinrichtung implementiert sein.The
Die erste Steuereinheit 110 ermöglicht eine Leistungsverzweigung zwischen einem Energiespeicher (z.B. einer Hochvolt-Batterie) und dem Brennstoffzellensystem 1000-6000. Von der Gesamtfahrzeugsteuerung bzw. vom Antriebsstrang wird dabei eine Anforderung für eine elektrische Gesamtleistung ermittelt, welche zur Umsetzung der Fahrtrajektorie und ggf. weiterer Verbraucher im Fahrzeug erforderlich ist. Diese Leistung kann entweder von Energiespeichern oder von Energiewandlern oder von beiden geliefert werden, abhängig von den Betriebsbedingungen und der Höhe der Leistungsanforderung. Die Energiespeicher werden vorzugsweise zum Boost bei Beschleunigungen und zur Energierekuperation eingesetzt.The
Die zweite Steuereinheit 111 dient der Leistungsverzweigung zwischen Brennstoffzellenteilsystemen (FCS-Energiewandler). Die angeforderte Gesamtleistung wird dazu an die Brennstoffzellenteilsysteme als Teil-Anforderung aufgeteilt. Die Aufteilung kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Aus Gründen der Optimierung, etwa in Abhängigkeit von Alterung, Verbrauch, Laufzeit, etc., kann eine asymmetrische Aufteilung vorteilhaft sein. So können etwa einzelne Brennstoffzellenstapel bei Teillast abgeschaltet sein.The
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Steuereinheit 110 und die zweite Steuereinheit 111 in einem Koordinator zusammengefasst.According to a further embodiment, the
Die erste bis n-te Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n dienen der Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13. Aus unterschiedlichen Leistungsanforderungen Pell, Pel2, Pel3 können unterschiedliche Betriebsbedingungen für die einzelnen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 resultieren. Weiter kann jeder Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 auch einen anderen Alterungszustand haben und benötigt deshalb auch andere Betriebsparameter.The first to nth stack control units 112-1 to 112-n serve to control or regulate the individual fuel cell stacks 11 to 13. Different operating conditions for the individual fuel cell stacks 11 to 13 can result from different power requirements Pell, Pel2, Pel3. Furthermore, each
Die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n übernehmen das Wassermanagement des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 bzw. das Feuchtemanagement der Membran. Dabei können unterschiedliche Parameter bzw. Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, die die Membranfeuchte bzw. den Membran-Wassergehalt und weitere Zustände im Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 beeinflussen. Die wichtigsten Parameter sind hierbei der Druck pCath am Kathodeneintritt, der Luftüberschuss lambdaCath, der Massenfluss mfCath am Kathodeneintritt, die damit zusammenhängende Stromstärke iStack, die Temperatur TCool des Kühlmittels, die Temperaturdifferenz dTCool des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 11 bis 13, die Feuchtigkeit fiCath am Kathodeneintritt und die Impedanzantwort der Brennstoffzellenstapels 11 bis 13.The stack control units 112-1 to 112-n take over the water management of the
Aus diesen Größen können die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n auch eine Austrittsaktivität actCathout am Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 berechnen. Die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n können durch Regelung erzielen, dass diese Werte in einem vorgegebenen und variablen, anpassbaren und/oder vom Betriebsmodus abhängigen Bereich liegen. Dabei ist die Feuchtigkeit fiCath am Kathodeneintritt durch Ansteuern der Ventileinrichtungen 17-19, 53-55 einstellbar. Dadurch ergeben sich mehrere Freiheitsgrade, wobei ein Freiheitsgrad auch mit einer hohen Dynamik nutzbar sein kann.The stack control units 112 - 1 to 112 -n can also use these variables to calculate an outlet activity actCathout at the cathode outlet of the
Für den Luftüberschuss gilt an der Kathode:
Im Normalbetrieb ist lambdaCath größer als 1, damit im Ausgangsbereich des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 noch ausreichend Sauerstoffpartialdruck zur Verfügung steht und die komplette Fläche des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 für die Leistungserzeugung genutzt werden kann, was auch für den hohen Wirkungsgrad notwendig ist.In normal operation, lambdaCath is greater than 1 so that sufficient oxygen partial pressure is still available in the output area of the
Um die gleiche Austrittsaktivität actCathout zu erhalten, kann der Kathodendruck pCath erhöht und der Luftüberschuss lambdaCath an der Kathode verringert werden oder der Kathodendruck pCath verringert und der Luftüberschuss lambdaCath an der Kathode erhöht werden.To get the same exit activity actCathout, the cathode pressure pCath can be increased and the excess air lambdaCath at the cathode decreased, or the cathode pressure pCath decreased and the excess air lambdaCath at the cathode increased.
Bereits mit diesem Freiheitsgrad können die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n das Druckniveau anpassen und so abstimmen, dass eine Befeuchtung der Zuluft durch Nutzung der Verbindungspfade mit den Ventilen 17-19, 53-55 möglich ist. Auch eine Änderung des Temperaturniveaus Tcool stellt ein Freiheitsgrad dar, jedoch mit deutlich geringerer Dynamik. Diese wirkt sich auch auf das Druckniveau pCathSoll aus.Even with this degree of freedom, the stack control units 112-1 to 112-n can adapt the pressure level and coordinate it in such a way that the supply air can be humidified by using the connection paths with the valves 17-19, 53-55. A change in the temperature level Tcool also represents a degree of freedom, but with significantly less dynamics. This also affects the pressure level pCathSoll.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n ausgebildet, die Ventileinrichtungen 17-19, 53-55 anzusteuern, um Kathodenzuluft zu befeuchten und/oder zu kühlen. Diese Ansteuerung stellt ein zusätzlichen Freiheitsgrad dar. Dabei erfolgt eine Abstimmung bzw. Optimierung zwischen den Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n.According to one specific embodiment, the stack control units 112-1 to 112-n are designed to control the valve devices 17-19, 53-55 in order to humidify and/or cool cathode supply air. This control represents an additional degree of freedom. In this case, coordination or optimization takes place between the stack control units 112-1 to 112-n.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch die zweite Steuereinheit 111 ausgebildet sein, die Leistungsaufteilung so vorzunehmen bzw. zu verändern, dass die Ventileinrichtungen 17-19, 53-55 aufgrund des sich ergebenden Druckniveaus nutzbar sind, um Kathodenzuluft zu befeuchten und/oder zu kühlen.According to a further embodiment, the
Weiter kann auch die erste Steuereinheit 110 ausgebildet sein, die Leistungsaufteilung so vorzunehmen bzw. zu verändern, dass die Ventileinrichtungen 17-19, 53-55 aufgrund des sich ergebenden Druckniveaus nutzbar sind, um Kathodenzuluft zu befeuchten und/oder zu kühlen.Furthermore, the
Die Steuerung kann situativ bzw. reaktiv abhängig von Messwerten vorgenommen werden, d.h. ohne Vorsteuerung. Auch eine Vorsteuerung ist möglich. Weiter kann die Steuerung optimiert und mit vorlaufender Trajektorienplanung vorgenommen werden, wobei der Nutzen und die Qualität deutlich zunimmt. Eine prädiktive Optimierung kann innerhalb einer Ebene (erste Steuereinheit 110, zweite Steuereinheit 111 bzw. Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n) erfolgen, kaskadiert oder gekoppelt über alle Ebenen hinweg.The control can be carried out situationally or reactively depending on measured values, i.e. without pre-control. Pre-control is also possible. Furthermore, the control can be optimized and carried out with advance trajectory planning, with the benefit and quality increasing significantly. A predictive optimization can take place within one level (
Das Verfahren, mit Freigabe bzw. Triggerung der Überleitung einer bestimmten Medienmenge, Dauer, Überwachung, Diagnose und Steuerung der Ventileinrichtungen 17-19, 53-55, kann sowohl basierend auf Signalen von Sensoren als auch modellbasiert (mit echtzeitfähigen Modellen) durchgeführt werden.The method, with the release or triggering of the transfer of a certain amount of media, duration, monitoring, diagnosis and control of the valve devices 17-19, 53-55, can be carried out based on signals from sensors as well as model-based (with real-time capable models).
Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 Sensordaten erzeugt, welche von momentanen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 1000 bis 6000 abhängen.In this case, in a first method step S1, sensor data are generated which depend on the current operating conditions of the
In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird die mindestens eine Ventileinrichtung 17-19; 53-55 durch eine Steuereinrichtung 500, 600 angesteuert, um eine Menge der zugeführten Abluft zu verändern und anzupassen. Dabei kann es sich um ein Regelverfahren handeln, welches bestimmte Parameter, welche anhand der Sensordaten ermittelt werden können, auf vorgegebene Werte regelt.In a further method step S2, the at least one valve device 17-19; 53-55 are controlled by a
Beim Ansteuern kann eine Freigabe-Bedingung für eine mögliche Dosierung überprüft werden. Demnach wird gefordert, dass der Druck pExhEntnahme an der Abnahmestelle im ersten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 höher ist als die Summe des Drucks pInDosierstelle an der Dosierstelle im zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 und der zusätzlichen Druckverluste dpLosses in dem Verbindungspfad 401-409 und der Ventileinrichtung 17-19; 53-55, d.h. es muss ein Potentialgefälle vorliegen:
Weitere Freigabe-Bedingungen können berücksichtigt werden, etwa Verdünnungsbedingungen bezüglich Purge-, Drain- oder Purge-Drain-Prozessen durch den Anodenpfad.Other release conditions can be taken into account, such as dilution conditions with regard to purge, drain or purge-drain processes through the anode path.
Eine mögliche Dosieranforderung wird vom zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 angefordert, d.h. eine Befeuchtung der Zuluft, welche im zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 erforderlich ist.A possible dosing requirement is requested by the second
Die notwendige Dosiermenge bzw. der notwendige Dosiermengenstrom wird aus den Bedingungen der Zuluft an der Zudosierstelle im zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 (bezüglich Temperatur, Druck und/oder Massestrom) und den Bedingungen der Abluft an der Entnahmestelle im ersten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 (bezüglich Feuchte, Wassergehalt, etc.) und den angeforderten Stapel-Eintrittsbedingungen (erforderlicher Druck, Massenstrom und/oder Feuchte) ermittelt.The required dosing quantity or the necessary dosing quantity flow is determined from the conditions of the supply air at the dosing point in the second
Die Dosieranforderungen können bereits in der Trajektorienplanung und der Vorsteuerung der Systeme mitberücksichtigt werden.The dosing requirements can already be taken into account in the trajectory planning and the pre-control of the systems.
Liegt die Freigabebedingung vor und ist eine Dosierung angefordert, kann eine Zudosierung einer bestimmten Menge/Masse bzw. eines bestimmten Mengenstroms/Massenstroms erfolgen.If the release condition is present and dosing is requested, a specific amount/mass or a specific volume flow/mass flow can be added.
Die entsprechende Ventileinrichtung 17-19; 53-55 wird so angesteuert, dass die angeforderte Menge bzw. Masse entnommen bzw. zugeführt wird. Die Ventileinrichtung 17-19; 53-55 kann hierbei getaktet werden, etwa bei einem Auf/Zu-Ventil, oder geregelt werden, etwa bei einem kontinuierlich betreibbaren Ventil.The corresponding valve device 17-19; 53-55 is controlled in such a way that the required quantity or mass is removed or added. The valve means 17-19; 53-55 can be clocked here, for example in the case of an open/close valve, or regulated, for example in the case of a continuously operable valve.
Die Ventilansteuerung wird aus den vorliegenden Bedingungen ermittelt insbesondere aus dem Druckgefälle
Die Schritte können durch die Programme der Steuereinrichtung 500, 600 laufend ausgeführt werden, d.h. wenn sich Bedingungen oder Freigaben oder Betriebsarten ändern, kann sofort innerhalb eines Rechentaktes (von etwa 10ms) reagiert werden. The steps can be executed continuously by the programs of the
Bei einem Mehrfach-Brennstoffzellensystem 1000-6000 kann ein Energiemanagementsystem (etwa die erste Steuereinheit 110 in
Aus einer angeforderten Leistung Pel und den Randbedingungen und der Betriebsstrategie wird ein Betriebspunkt für das Luftsystem ermittelt. Zum Beispiel erfordert eine angeforderte elektrische Leistung Pel einen Betriebspunkt
pAir, mAir = f(Pel, pamb, Tamb, fiamb, Tcool, dTcool, lambdaCath, vVeh, actCathout),
wobei pAir, mAir Luftdruck und -masse, pamb, Tamb Umgebungsdruck und -masse, fiamb eine Umgebungsfeuchte, Tcool eine Kühlsystemtemperatur, dTcool eine Temperaturdifferenz von Eintritt zu Austritt, lambdaCath einen Luftüberschuss, vVeh eine Fahrzeuggeschwindigkeit und actCathout eine Aktivität am Kathodenaustritt bezeichnen. Weitere Abhängigkeiten sind ebenfalls möglich.An operating point for the air system is determined from a requested power Pel and the boundary conditions and the operating strategy. For example, a requested electrical power Pel requires an operating point
pAir, mAir = f(Pel, pamb, Tamb, fiamb, Tcool, dTcool, lambdaCath, vVeh, actCathout),
where pAir, mAir are air pressure and mass, pamb, Tamb are ambient pressure and mass, fiamb are ambient humidity, Tcool are cooling system temperatures, dTcool are temperature differences from inlet to outlet, lambdaCath are excess air, vVeh are vehicle speeds and actCathout are activity at the cathode outlet. Other dependencies are also possible.
Damit folgt für den Fall dreier Brennstoffzellenteilsysteme FCS1-FCS3
Daraus lassen sich die Druckdifferenzen zwischen den Entnahmestellen und den Dosierstellen bestimmen bzw. umgekehrt auch abstimmen. Damit können mittels des Energiemanagementsystems die Befeuchtungsmöglichkeiten sichergestellt und abgestimmt werden. Zur Ermittlung und Abstimmung der Betriebsbedingungen können echtzeitfähige Optimierungsalgorithmen eingesetzt werden.From this, the pressure differences between the extraction points and the dosing points can be determined or, conversely, also adjusted. This means that the humidification options can be ensured and coordinated using the energy management system. Real-time optimization algorithms can be used to determine and coordinate the operating conditions.
Wenn die Brennstoffzellenstapel 11-13 unterschiedlich altern, kann dies ebenfalls bei der Steuerung bzw. Regelung berücksichtigt werden, d.h. die adaptive Betriebsstrategie berücksichtigt die Alterung und über die Leistungsverzweigung werden die Befeuchtungsmöglichkeiten auch über die Lebensdauer sichergestellt.If the fuel cell stacks 11-13 age differently, this can also be taken into account in the control or regulation, i.e. the adaptive operating strategy takes the aging into account and the humidification options are also ensured over the service life via the power split.
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