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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellenstapel können aus fertigungstechnischen Gründen nicht in beliebiger Größe gefertigt werden. Weder darf die Fläche jeweiliger Brennstoffzellen zu groß werden, noch kann die Zahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel beliebig erhöht werden.
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Werden elektrische Leistungen benötigt, die nicht von einem Brennstoffzellenstapel alleine bereitgestellt werden können, so werden in der Regel mehrere Brennstoffzellenstapel gemeinsam verwendet. Dazu können jeweilige Brennstoffzellenstapel als vollständige, unabhängige Teilsysteme kombiniert werden. Alternativ können jeweilige Brennstoffzellenstapel parallel oder seriell in einem Brennstoffzellensystem kombiniert werden.
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Eine Kombination vollständiger und unabhängiger Teilsysteme ermöglicht es, im Teillastbetrieb des Gesamtsystems einzelne Teilsysteme zu deaktivieren oder in einen Standbybetrieb zu versetzen. Dadurch kann in einem jeweiligen Teilsystem und durchschnittlich auch im Gesamtsystem die Laufzeit und damit die Alterung reduziert werden. Mehrere unabhängige Teilsysteme benötigen jedoch viel Bauraum und viele Komponenten zur Versorgung und Steuerung, sodass ein entsprechendes Gesamtsystem groß und teuer ist.
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Eine parallele oder serielle Kombination einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln bedingt gemäß dem Stand der Technik, dass alle Brennstoffzellenstapel eines Gesamtsystems identisch bzw. zusammen betrieben werden. Dies ist in der Regel zwar gut für die Effizienz, da bei Teillast alle Stacks bei einem niedrigen Strom und daher einer hohen Spannung betrieben werden, jedoch bedingt ein solcher identischer Betrieb auch, dass alle Brennstoffzellenstapel hohe Laufzeiten erreichen. Dafür ist jedoch ein Bedarf an Bauraum und Komponenten zur Versorgung und Steuerung deutlich geringer als bei der Verwendung unabhängiger Teilsysteme.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 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 Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein kompaktes und robustes Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellenstapeln bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl Brennstoffzellenstapel, die jeweils mit einer elektrischen Leitung zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers verbunden sind. Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem eine gemeinsame Versorgungseinheit, zum Versorgen jeweiliger Brennstoffzellenstapel der Vielzahl Brennstoffzellenstapel mit sämtlichen Betriebsfluiden. Dabei sind die jeweiligen Brennstoffzellenstapel mittels eines Entkopplers voneinander entkoppelt. Weiterhin ist der Entkoppler dazu konfiguriert, eine Induktion einer Spannung von einem Brennstoffzellenstapel zu einem anderen Brennstoffzellenstapel zu verhindern.
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Unter einem Entkoppler ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein elektrisches bzw. elektronisches Bauteil zu verstehen, das dazu konfiguriert ist, einen Stromfluss bzw. eine Induktion einer Spannung von einem ersten Brennstoffzellenstapel zu einem zweiten Brennstoffzellenstapel zu verhindern. Bspw. kann ein Entkoppler eine Diode, ein Relais oder ein Transistor sein.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf einer Kombination einer Vielzahl, d.h. mindestens zwei Brennstoffzellenstapel, die mittels gemeinsamer Komponenten zentral versorgt und gesteuert werden.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Entkoppler verhindert eine Induktion einer Spannung von einem Brennstoffzellenstapel zu einem anderen Brennstoffzellenstapel, sodass die jeweiligen Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Spannungszustände annehmen können, ohne dass es zu einer Beschädigung durch einen Spannungsübertritt kommt. Entsprechen können die jeweiligen Brennstoffzellenstapel, insbesondere auch in räumlicher Nähe zueinander, unabhängig voneinander in verschiedene Zustände gebracht werden, ohne sich gegenseitig zu beschädigen bzw. zu beeinflussen. Insbesondere kann ein erster Brennstoffzellenstapel deaktiviert oder in einen Standbybetrieb geschaltet werden, während ein zweiter Brennstoffzellenstapel aktiv ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Brennstoffzellenstapel parallelgeschaltet sind.
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Um eine gemeinsame Leistung der Vielzahl Brennstoffzellenstapel abzugreifen und bspw. einen elektrischen Verbraucher mit elektrischem Strom zu versorgen, sind die jeweiligen Brennstoffzellenstapel mit einer gemeinsamen elektrischen Leitung gekoppelt, d.h. elektrisch verbunden.
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Dabei ermöglicht eine Parallelschaltung eine dynamische Aktivierung bzw. Deaktivierung jeweiliger Brennstoffzellenstapel, bei einem gleichbleibenden Spannungsniveau, sodass ein Verbraucher auch bei einer Deaktivierung eines oder mehrerer Brennstoffzellenstapel weiter mit seiner Betriebsspannung betrieben werden kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeder Brennstoffzellenstapel einen Entkoppler umfasst, der zwischen einem Pluspol des jeweiligen Brennstoffzellenstapels und einer elektrischen Verbindung der Vielzahl der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
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Durch einen Entkoppler, der zwischen einem Pluspol eines jeweiligen Brennstoffzellenstapels und einer elektrischen Verbindung zu der Leitung zum Versorgen des elektrischen Verbrauchers angeordnet ist, wird ein Stromfluss von einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel zu der Leitung ermöglicht und ein Stromfluss von der Leitung zu dem Brennstoffzellenstapel verhindert. Entsprechend wird eine Beschädigung bspw. eines deaktivierten Brennstoffzellenstapels durch eine Zufuhr von elektrischem Strom bzw. einer Induktion einer Spannung aus einem aktivierten Brennstoffzellenstapel verhindert.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Entkoppler am Pluspol des jeweiligen Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
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Durch eine möglichst nahe Anordnung des Entkopplers am Pluspol bzw. eine Kombination von Pluspol und Entkoppler eines Brennstoffzellenstapels, wird der Brennstoffzellenstapel verlässlich vor einer Beschädigung durch einen Zufluss von Strom bzw. einer Induktion von Spannung geschützt, da ein Kontaktbereich zwischen Entkoppler und Brennstoffzellenstapel minimiert wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Entkoppler eine Diode ist, die einen Stromfluss in Richtung eines jeweiligen Brennstoffzellenstapels sperrt.
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Eine Diode, die einen Stromfluss in Richtung eines jeweiligen Brennstoffzellenstapels sperrt und einen Stromfluss in Richtung der Leitung zur Versorgung des Verbrauchers freigibt, hat sich als besonders robustes, kompaktes und kostenoptimiertes Bauteil zum Bilden eines Entkopplers erwiesen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Versorgungseinheit eine Luftleitung zum Versorgen der Vielzahl Brennstoffzellenstapel mit Luft umfasst, wobei jeweilige Brennstoffstapel mittels mindestens eines Ventils mit der Luftleitung verbunden sind, und/oder die Versorgungseinheit eine Brennstoffleitung zum Versorgen der Vielzahl Brennstoffzellenstapel mit Brennstoff umfasst, wobei jeweilige Brennstoffstapel mittels mindestens eines Ventils mit der Brennstoffleitung verbunden sind, und/oder die Versorgungseinheit eine Kühlmittelleitung zum Versorgen der Vielzahl Brennstoffzellenstapel mit Kühlmittel umfasst, wobei jeweilige Brennstoffstapel mittels mindestens eines Ventils mit der Kühlmittelleitung verbunden sind.
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Eine Kopplung eines jeweiligen Brennstoffzellenstapels an eine zentrale Versorgungseinheit mittels mindestens eines Ventils ermöglicht eine unabhängige Steuerung, insbesondere eine unabhängige Aktivierung bzw. Deaktivierung jeweiliger des Brennstoffzellenstapels und, dadurch bedingt, eine Laufzeitmaximierung der jeweiligen Brennstoffzellenstapel und des gesamten vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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Insbesondere können zur Aktivierung bzw. Deaktivierung eines Brennstoffzellenstapels jeweilige Ventile zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Brennstoff und/oder Luft zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung bewegt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Brennstoffzellenstapel mittels eines Einlassventils und eines Auslassventils mit der Luftleitung verbunden sind, und/oder jeweilige Brennstoffzellenstapel mittels eines Einlassventils und eines Auslassventils mit der Brennstoffleitung verbunden sind, und/oder jeweilige Brennstoffzellenstapel mittels eines Einlassventils und eines Auslassventils mit der Kühlmittelleitung verbunden sind.
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Durch paarige Ventile am Einlass und Auslass einer jeweiligen Medienversorgung kann ein Brennstoffzellenstapel komplett von einer Versorgung mit dem entsprechenden Betriebsmedium ausgenommen werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät umfasst, wobei das Steuergerät dazu konfiguriert ist, bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems zunächst lediglich einen ausgewählten Brennstoffzellenstapel der Vielzahl Brennstoffzellenstapel zu aktivieren, um weitere Brennstoffzellenstapel der Vielzahl Brennstoffzellenstapel über durch den ausgewählten Brennstoffzellenstapel erzeugte Abwärme vorzuwärmen.
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Um eine Laufzeit des vorgestellten Brennstoffzellensystems zu maximieren, kann ein ausgewählter Brennstoffzellenstapel, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel, dessen Laufleistung aus allen Brennstoffzellenstapeln des vorgestellten Brennstoffzellensystems minimal ist, bei einem Kaltstart als einziger Brennstoffzellenstapel aktiviert werden, um eine Wärmeenergie bereitzustellen, die durch die erfindungsgemäß vorgesehene Versorgungseinheit auf sämtliche Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, insbesondere durch eine Durchspülung mit Kühlmittel, verteilt wird.
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Entsprechend kann bspw. ein Schwellenwert für eine Kühlmitteltemperatur vorgegeben werden, unterhalbe dessen lediglich der ausgewählte Brennstoffzellenstapel aktivierbar ist, und über dem oder gleich dem die weiteren Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems aktivierbar sind.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Steuergerät dazu konfiguriert ist, jeweilige Brennstoffzellenstapel der Vielzahl Brennstoffzellenstapel in Abhängigkeit einer jeweiligen Lastanforderung zu aktivieren oder zu deaktivieren.
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Eine lastabhängige Aktivierung bzw. Deaktivierung von Brennstoffzellenstapeln des vorgestellten Brennstoffzellensystems ermöglicht eine maximale Standzeit des Brennstoffzellensystems. Dabei kann bspw. jeweils der Brennstoffzellenstapel aktiviert werden, dessen Laufzeit minimal ist und der Brennstoffzellenstapel deaktiviert werden, dessen Laufzeit maximal ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems, wobei jeweilige Brennstoffzellenstapel der Vielzahl Brennstoffzellenstapel durch ein Absperren von Ventilen zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Betriebsfluiden durch die Versorgungseinheit deaktiviert oder durch ein Öffnen von Ventilen zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Betriebsfluiden aktiviert werden.
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Zum Steuern von Ventilen der Versorgungseinheit bzw. Ventilen der jeweiligen Brennstoffzellenstapel können die Ventile Aktuatoren, wie bspw. Elektromagneten umfassen, die mit einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems elektrisch verbunden sind.
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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.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel 101 und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 103 sowie eine Versorgungseinheit 105.
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Die Versorgungseinheit 105 ist über Brennstoffleitungen 107 mit dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 103 verbunden.
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Weiterhin sind der erste Brennstoffzellenstapel 101 und der zweite Brennstoffzellenstapel 103 über Elektroleitungen 109 elektrisch parallelgeschaltet.
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Ein erster Entkoppler 111, hier beispielhaft als Diode dargestellt, verhindert einen Stromfluss bzw. eine Induktion einer Spannung von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 103 in den ersten Brennstoffzellenstapel 101, ermöglicht jedoch einen Stromfluss von dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 über die Elektroleitung 109 zu einem Verbraucher.
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Ein zweiter Entkoppler 113, hier beispielhaft als Diode dargestellt, verhindert einen Stromfluss bzw. eine Induktion einer Spannung von dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 in den zweiten Brennstoffzellenstapel 103, ermöglicht jedoch einen Stromfluss von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 101 über die Elektroleitung 109 zu einem Verbraucher.
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Zum Deaktivieren des ersten Brennstoffzellenstapels 101 ist an der Brennstoffleitung 107 ein erstes Absperrventil 115 angeordnet, das im geschlossenen Zustand eine Durchströmung, insbesondere eine Versorgung des ersten Brennstoffzellenstapels 101 mit Brennstoff verhindert.
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Zum Deaktivieren des zweiten Brennstoffzellenstapels 103 ist an der Brennstoffleitung 107 ein zweites Absperrventil 117 angeordnet, das im geschlossenen Zustand eine Durchströmung, insbesondere eine Versorgung des zweiten Brennstoffzellenstapels 103 mit Brennstoff verhindert.
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Entsprechend kann der erste Brennstoffzellenstapel 101 durch Öffnen des ersten Absperrventils 115 und der zweite Brennstoffzellenstapel 103 durch Öffnen des zweiten Absperrventils 117 aktiviert werden. Umgekehrt kann der erste Brennstoffzellenstapel 101 durch Schließen des ersten Absperrventils 115 und der zweite Brennstoffzellenstapel 103 durch Schließen des zweiten Absperrventils 117 deaktiviert werden.
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In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel 101 und einen zweiten Brennstoffzellenstapel 103 sowie eine Versorgungseinheit 105.
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Die Versorgungseinheit 105 ist über eine Luftzuleitung 201 und eine Luftableitung 203 mit dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 103 verbunden.
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Der erste Brennstoffzellenstapel 101 ist auslassseitig über ein Auslassventil 205 mit der Luftableitung 203 und einlassseitig über ein Einlassventil 207 mit der Luftzuleitung 201 verbunden. Entsprechend kann der erste Brennstoffzellenstapel 101 durch ein Einstellen bzw. ein Bewegen des Auslassventils 205 und/oder des Einlassventils 207 aktiviert bzw. deaktiviert werden.
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Der zweite Brennstoffzellenstapel 103 ist auslassseitig über ein Auslassventil 209 mit der Luftableitung 203 und einlassseitig über ein Einlassventil 211 mit der Luftzuleitung 201 verbunden. Entsprechend kann der erste Brennstoffzellenstapel 101 durch ein Einstellen bzw. ein Bewegen des Auslassventils 209 und/oder des Einlassventils 211 aktiviert bzw. deaktiviert werden.
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In 3 ist ein Verfahren 300 dargestellt. Das Verfahren 300 dient zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems und einen Einstellschritt 301, bei dem Brennstoffzellenstapel einer Vielzahl Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems durch ein Absperren von Ventilen zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Betriebsfluiden durch eine Versorgungseinheit des Brennstoffzellensystems deaktiviert oder durch ein Öffnen von Ventilen zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Betriebsfluiden aktiviert werden.
