DE102022206229A1

DE102022206229A1 - Intermittierende Abluftrückführung im Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102022206229A1
Application number: DE102022206229.9A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2023247371A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100),
wobei das Brennstoffzellensystem (100) folgende Komponenten aufweist:
- mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) und
- ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) in Form einer Zuluft (L1),
wobei das Kathodensystem (10) folgende Komponenten aufweist:
- mindestens eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen einer Zuluft (L1) an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101)
- und mindestens eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101),
wobei in der mindestens einen Zuluftleitung (11) eine Kompressionseinheit (KE) zum Verdichten einer Zuluft (L1) vorgesehen ist,
wobei zwischen der mindestens einen Abluftleitung (12) und der mindestens einen Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) eine Luftverbindung (LV) von einer Abluft (L2) zu einer Zuluft (L1) vorgesehen ist,
und wobei die Luftverbindung (LV) dazu verwendet wird, um in mindestens einem Betriebsmodus (M) des Brennstoffzellensystems (100) eine intermittierende Abluftrückführung (EGR) in die Zuluft (L1) bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, eine Steuereinheit und ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen. Die Umgebungsluft wird mittels eines Fördersystems bzw. Kompressionssystems dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Das Kompressionssystem ist dazu ausgeführt, einen bestimmten Luftmassenstrom und/oder ein bestimmtes Druckniveau bereitzustellen. Die Komprimierung bzw. Kompression der Zuluft findet häufig über eine thermische Strömungsmaschine (einstufig, mehrstufig oder mehrflutig) statt. Dabei kann optional zur Luftverdichtung eine Energie-Rückgewinnung der abströmenden feuchten Abluft mittels einer Turbine realisiert werden (z.B. elektrisch angetriebener Turbolader oder Turbolader ohne E-Antrieb). Höhere Systemdrücke (z.B. um hochleistungsfähige Brennstoffzellensysteme zu ermöglichen) können durch eine zweistufige Verdichtung und eine Energierekuperation mittels einer Turbine realisiert werden.
Die Zuluft wird in manchen Systemen mittels eines Befeuchters befeuchtet. Ein Befeuchter erfordert Bauraum und zieht Druckverluste nach sich. In anderen Systemen wird eine interne Befeuchtung des Stackes vorgesehen, ohne einen separaten Befeuchter für die Zuluft. Hierzu wird die Membran in dem Stack derart dünn ausgelegt, dass die Befeuchtung der Membran mittels dem entstehenden Produktwassers im Kathodenpfad und stackinternen Wechselwirkungen mit dem Anodenpfad und dessen Rezirkulation erfolgt. Die interne Befeuchtung hat eine Begrenzung im Hinblick auf die Betriebsbereiche, insbesondere im Hochlastbereich bzw. bei erhöhten Stack-Temperaturen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches, gemäß dem dritten Aspekt eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches und gemäß dem vierten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruches vor. Weitere Merkmale, Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Bren nstoffzel lensystems,
wobei das Brennstoffzellensystem folgende Komponenten aufweist:

- mindestens einen Brennstoffzellenstapel und
- ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel in Form einer Zuluft, wobei das Kathodensystem folgende Komponenten aufweist:
- (mindestens) eine Zuluftleitung zum Bereitstellen einer Zuluft an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel
- und (mindestens) eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel,

Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann mindestens zwei oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sog. Brennstoffzellenstacks oder kurz ausgedruckt Stacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von Brennstoffzellen, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise eine Steuereinheit aufweisen, die zum Regeln des Kathodensystems, insbesondere zum Regeln der Kompressionseinheit und vorzugsweise zum Regeln der intermittierenden Abluftrückführung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt ist.
Das Kathodensystem im Rahmen der Erfindung kann ebenfalls als ein Luftsystem bezeichnet werden.
Die Kompressionseinheit im Rahmen der Erfindung kann ebenfalls als ein Luftkompressionssystem bezeichnet werden. Die Kompressionseinheit im Rahmen der Erfindung kann mindestens einen Verdichter aufweisen, wobei insbesondere der mindestens eine Verdichter elektromotorisch, bspw. mithilfe eines Elektromotors, und/oder mechanisch, vorzugsweise mithilfe einer Turbine bzw. eines Turboladers, angetrieben sein kann. Mindestens ein Verdichter kann weiterhin einstufig, zweistufig oder zweiflutig ausgeführt sein. Ferner kann die Kompressionseinheit mindestens eine Turbine aufweisen, um mindestens einen Verdichter zu unterstützen.
Die Luftverbindung im Rahmen der Erfindung kann vorzugsweise eine Leitung zwischen der (mindestens einen) Abluftleitung und der (mindestens einen) Zuluftleitung (von einem Stack_i zu dem gleichen Stack_i, vom Stack_i zu einem anderen Stack_k, von mehreren Stacks_i,j zu einem und/oder mehreren gleichen oder ungleichen Stacks_k,m, wobei i, j, k, m gleiche oder unterschiedliche Zähler sein können) sowie ein Rezirkulationsventil aufweisen.
Die Abluftrückführung im Rahmen der Erfindung kann als EGR abgekürzt werden.
Der Kern der Idee liegt darin, eine intermittierende Betriebsstrategie für die Abluftrückführung, die bspw. in einem dauerhaften Hochlast-Bereich oder auch in anderen Last-Bereichen des Systems von Vorteil sein kann, bereitzustellen. Die intermittierende Abluftrückführung kann eine variable Ansteuerung von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Kathodensystems vorsehen. Die intermittierende Abluftrückführung kann weiterhin optional mit einer korrespondierenden Ansteuerung eines Anodensystems und/oder Kühlsystems kombiniert werden.
Mithilfe der intermittierenden Abluftrückführung kann sichergestellt werden, dass der mindestens eine Brennstoffzellenstapel:

- weder austrocknet (in den Eintrittsbereichen der Stack-Kathode) noch
- geflutet wird (nahe oder an den Austrittbereichen der Stack-Kathode)
- und dauerhaft die hohe Last bzw. Maximallast abgeben kann.

Insbesondere können folgende (weitere optional) Parameter variiert werden:

- Kathoden-Druck,
- Kathoden-Massenstrom,
- Kathoden-Austrittsaktivität und
- EGR-Rezirkulationsrate (damit auch Kathoden-Eintrittsfeuchte).

Mithilfe der Erfindung können mehrere Vorteile erreicht werden:

- temporäre Befeuchtung der Zuluft am Eingang in den Stack, ohne Leistungs-Einbruch bzw. Derating,
- temporäre Verbesserung der Abfuhr von Wasser aus dem Ausgang vom Stack,
- temporäre Sauerstoffverarmung in dem Stack,
- Verbesserung der Lebenszeit des Stacks,
- Verminderung der Stack-Degradation (weniger Austrocknung, etc.)
- Kosteneinsparung bei der Auslegung des Systems, usw.

Bspw. kann die intermittierende Abluftrückführung für den, insbesondere dauerhaften, Hochlastbetrieb (bspw. 50%-100%, insbesondere 75%-100% oder sogar 80%-100% von der Maximalleistung) und/oder einem Maximallastbetrieb des Brennstoffzellensystems von Vorteil sein. Dauerhaft kann bedeuten, dass eine so lange Hochlast- bzw. Maximallast-Anforderung an das Brennstoffzellensystem vorliegt, dass:

- eine rein stackinterne Befeuchtung nicht mehr aufrecht zu erhalten ist und/oder
- dieser Anwendungsfall bereits bei der Entwicklung zu einer kostenintensiveren Auslegung (Vergrößerung des Stacks bzw. des Luftsystems) führen würde.

Weiterhin kann die intermittierende Abluftrückführung bei niedrigen Lasten von Vorteil sein, bspw. wenn der Zuluft-Massenstrom so niedrig ist, dass die Abfuhr von Abwasser aus dem Stack nicht ausreichend ist, und dass die Gefahr vorliegt, dass sich flüssiges Wasser in dem Stack ansammelt bzw. der Stack geflutet wird. Wenn dabei der Massenstrom der frischen Luft erhöht wird, dann kann sich aber auch der Sauerstoff in der Kathode erhöhen, was nicht mehr passend zum Strom und Wassermanagement erfolgen kann. Mithilfe der intermittierende Abluftrückführung kann der Austrag von Wasser ermöglicht werden, vorzugsweise ohne gleichzeitig die Sauerstoffmasse in dem Kathodenpfad durch den Stack zu erhöhen. Dabei kann der Kathoden-Druck vorteilhafterweise im Wesentlichen konstant bleiben.
Im Normalbetrieb kann zunächst nur die stackinterne Befeuchtung ohne die intermittierende Abluftrückführung erfolgen. Wenn im Normalbetrieb hohe Umgebungstemperaturen herrschen und sich hohe Stacktemperaturen ergeben, aber die Temperaturdifferenz mit der Umgebung noch ausreicht, um die Abwärme vom Stack ausreichend abzuführen, muss der Stack mit hohem Druck pCath1 und niedrigem Verbrennungsluftverhältnis lambdaCath1 (bzw. Lambda; kurz auch λ, Luftverhältnis oder Luftzahl genannt, überstöchiometrisch ausgedruckt mCathStack = lambda * mCathStoechiometrisch) betrieben werden, um die stackinterne Befeuchtung aufrecht zu erhalten. Die Eingangsbereiche/Anfangsbereiche der Stack-Kathode können in diesem Falle nach einer bestimmten Zeit td1 Gefahr laufen auszutrocknen (Austrocknung der Membran). Die Ausgangsbereiche/Endbereiche der Stack-Kathode können wiederum nach einer bestimmten Zeit td2 Gefahr laufen, dass aufgrund der hohen Wasserproduktion bei Hochlast partielle Flutung auftritt. Beide Effekte können zu Leistungseinbrüchen und teilweise auch zu Degradation des Stacks führen. Vorteilhafterweise kann die intermittierende Abluftrückführung nach einer Zeit tS10=min(td1, td2) eingeleitet werden.
Die intermittierende Abluftrückführung kann vorzugsweise die stackinterne Befeuchtung und zusätzlich die Abluftrückführung umfassen.
Die intermittierende Abluftrückführung kann dann eingeleitet bzw. getriggert werden, wenn die Zeit tS10=min(td1, td2) abgelaufen ist.
Vorteilhafterweise bewirkt die intermittierende Abluftrückführung keine, zumindest keine wesentliche, Verminderung der Leistung.
Für die intermittierende Abluftrückführung kann ein Rezirkulationsventil CVRezi in Teilstellung geöffnet werden, um einen Teil der Abluft in die Zuluft einzuleiten.
Dabei wird der Kathodendruck auf pCath2 abgesenkt und der Massenstrom erhöht mCath2. Die Aktivität am Kathodenaustritt actCath2 steigt temporär ebenfalls an.
D.h. die Luft in der Kathode trägt mehr Wasser aus und die Befeuchtung der Zuluft wird verbessert.
Durch Erhöhung des Massenstroms im Stack wird das Wasser in den Ausgangs-/Endbereichen besser herausgefördert, d.h. dass die Flutungsgefahr deutlich herabgesetzt wird.
Durch den erhöhten Massenstrom erhöht sich vorteilhafterweise nicht das Lambda in der Kathode, weil die zugeführte Abluft sauerstoffärmer ist als der Luftmassenstrom aus der Umgebung. Das Lambda kann vorzugsweise näherungsweise gleich gehalten werden, wenn das Luftsystem zusätzlich die Zuluftmenge etwas erhöht. Dies ist selbst dann möglich, wenn das Luftsystem keine Drehzahlreserve mehr hat, da durch sinkenden Systemdruck (in der Kathode) das Luftsystem bei gleicher Drehzahl mehr Massenstrom fördern kann. Alternativ dazu oder zusätzlich kann eine Drehzahlreserve bei dem Luftsystem vorgesehen sein.
Durch die Befeuchtung über die Luftverbindung zwischen Abluft und Zuluft mit der intermittierenden Abluftrückführung können insbesondere die Eingangsbereiche des Stacks signifikant befeuchtet werden, sodass die Austrocknungsgefahr der Membran deutlich reduziert werden kann.
Die intermittierende Abluftrückführung kann für einen bestimmte Zeit tS20 erfolgen. Die Zeit tS20 kann abhängig von verschiedenen Effekten, wie z. B. Befeuchtung am Kathodeneintritt tx1, Flutungsverminderung tx2, ggf. zulässige Dauer Lambda-Absenkung tx3 ermittelt werden, bspw. tS20=min(max(tx1,tx2), tx3).
Die intermittierende Abluftrückführung kann unterschiedliche Ansteuerungs-Formen aufweisen (unterschiedliche An- und/oder Auszeiten, unterschiedliche Gradienten usw.). Unterschiedliche Ansteuerungs-Formen können individuell je nach System und/oder je nach Auslegung und/oder je nach Betriebsbedingungen und/oder je nach Randbedingungen bestimmt werden.
Auch können die wesentlichen Parameter während der Phasen (intermittierende Abluftrückführung an und aus) konstant oder variabel eingestellt werden.
Die intermittierende Abluftrückführung kann weiterhin vorausschauend, bspw. unter Trajektorien-Planung und/oder in Abhängigkeit von Wetterdaten, Navigationsdaten, prädizierte Leistungstrajektorien usw., durchgeführt werden.
Wie oben bereits erwähnt, kann die intermittierende Abluftrückführung auf eine vorteilhafte Weise in einem, insbesondere dauerhaften, Hochlastbetrieb und/oder einem Maximallastbetrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden, um insbesondere die Zuluft zu befeuchten, vorzugsweise unter hohen Umgebungstemperaturen.
Wie oben bereits erwähnt, kann die intermittierende Abluftrückführung außerdem dazu genutzt werden, um einen Massenstrom durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel zu erhöhen, um insbesondere eine Abfuhr von Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu unterstützen, vorzugsweise ohne die Sauerstoffmasse in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel zu erhöhen, bevorzugt ohne einen Kathoden-Druck zu verändern.
Vorteilhafterweise kann die intermittierende Abluftrückführung außerdem dazu genutzt werden, um einen Massenstrom durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel Sauerstoff zu verarmen.
Die intermittierende Abluftrückführung kann einfachheitshalber eine Öffnung, insbesondere eine Teilöffnung, eines Rezirkulationsventils vorsehen. Auf diese Weise kann ein Teil der Abluft in die Zuluft eingeleitet werden.
Ferner kann die intermittierende Abluftrückführung eine variable Ansteuerung von mindestens einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Kathodensystems, von den folgenden Parametern vorsehen, wie z. B.:

- einer Rezirkulationsrate von der Abluft zu der Zuluft,
- Kathoden-Massenstrom,
- Kathoden-Druck, und/oder
- Kathoden-Aktivität.

Weiterhin kann die intermittierende Abluftrückführung eine periodische oder aperiodische und/oder symmetrische oder asymmetrische Ansteuerung von mindestens einem Betriebsparameter des Kathodensystems vorsehen. Auf diese Weise kann eine flexible Funktonalität bereitgestellt werden.
Des Weiteren ist es denkbar, dass die intermittierende Abluftrückführung dann eingeleitet werden kann, wenn:

- eine interne Befeuchtung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels nicht ausreicht,
- Eingangsbereiche/Anfangsbereiche des mindestens einen Brennstoffzellenstapels austrocknen oder voraussichtlich, insbesondere nach einer bestimmten Zeit, Gefahr laufen auszutrocknen, und/oder
- Ausgangsbereiche/Endbereiche des mindestens einen Brennstoffzellenstapels geflutet oder voraussichtlich, insbesondere nach einer bestimmten Zeit, geflutet werden können,
- bei länger anliegenden Hochlastanforderungen an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel, wobei insbesondere eine Stackspannung und/oder Einzelzellspannungen und/oder Impedanz vermessen werden, um den Zustand des Brennstoffzellenstapels und/oder ein Gefahrenpotential, Austrocknung, Flutung usw. im Brennstoffzellenstapel zu erkennen,
- eine, zumindest temporäre, Sauerstoffverarmung in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel eingefordert wird.

Nach einem weiteren Vorteil kann die intermittierende Abluftrückführung wiederholend und/oder regelmäßig, und/oder ereignisgesteuert und/oder periodisch durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine flexible sowie erweiterte Funktionalität bereitgestellt werden.
Zudem kann es von Vorteil sein, wenn die intermittierende Abluftrückführung vorausschauend, insbesondere in Abhängigkeit von Wetterdaten und/oder Navigationsdaten durchgeführt wird. Auf diese Weise können die Erfordernisse des Systems, bspw. aus der Sicht des Wassermanagements, besonders schonend für das System sowie besonders zielgerichtet berücksichtigt werden.
Ferner stellt die Erfindung bereit: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Weiterhin stellt die Erfindung bereit: eine Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Des Weiteren stellt die Erfindung bereit: ein Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem folgende Komponenten aufweist:

Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgeführt ist, um ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
3 eine schematische Darstellung einer intermittierenden Abluftrückführung, und
4 eine schematische Darstellung einer intermittierenden Abluftrückführung.

Die 1 und 2 zeigt jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung weist folgende Elemente auf:

- mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101 und
- ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101 in Form einer Zuluft L1, wobei das Kathodensystem 10 folgende Komponenten aufweist:
- (mindestens) eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen einer Zuluft L1 an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101
- und (mindestens) eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft L2 von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101,

Das Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 kann mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 101, sog. Brennstoffzellenstacks oder einfach bezeichnet als Stacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von mehreren Brennstoffzellen 101, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst somit ein Kathodensystem 10 mit einer Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und einer Abluftleitung 12 vom Stack 101. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern.
Die Kompressionseinheit KE im Kathodensystem 10 dient dazu, die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer Zuluft L1 an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft L2 aus dem Stack 101 wieder an die Umgebung U abgelassen.
Die Kompressionseinheit KE kann mindestens einen elektromotorisch betriebenen Verdichter V (vgl. 1, rechts und 2 links) und/oder mindestens einen mechanisch, insbesondere mithilfe einer Turbine T, angetriebenen Verdichter V (vgl. 1, links und 2 rechts) und/oder mindestens einen (lediglich aus Einfachheitsgründen nicht dargestellten) elektromotorisch und mechanisch, insbesondere mithilfe einer Turbine, angetriebenen Verdichter in der Zuluftleitung 11 aufweisen.
Zudem kann die Kompressionseinheit KE mindestens eine Turbine T in der Abluftleitung 12 aufweisen, die in einer Wirkverbindung mit mindestens einem Verdichter V in der Zuluftleitung 11 angeordnet ist, um den mindestens einen Verdichter V beim Verdichten der Zuluft L1 zu unterstützen.
Wie es die 1 und 2 andeuten, können/kann stromabwärts nach der Kompressionseinheit KE mindestens ein oder mehrere Zuluftkühler IC vorgesehen sein. Optional können im Rahmen des Kathodensystems 10 ein Wärmetauscher und/oder ein Befeuchter vorgesehen sein, die lediglich aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt sind.
Vor und nach dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 können Absperrventile (lediglich aus Einfachheitsgründen nicht dargestellten) vorgesehen sein.
Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein Ventil CVexh als Druckregler vorgesehen sein.
Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein.
Die Luftverbindung LV im Rahmen der Erfindung kann vorzugsweise eine Leitung zwischen der Abluftleitung 12 und der Zuluftleitung 12 sowie ein Rezirkulationsventil CVRezi aufweisen.
Die Abluftrückführung im Rahmen der Erfindung kann als EGR abgekürzt werden.
Die Erfindung schlägt eine intermittierende Betriebsstrategie für die Abluftrückführung vor, die bspw. in einem dauerhaften Hochlast-Bereich aber auch in anderen Last-Bereichen des Brennstoffzellensystems 100 von Vorteil sein kann.
Die intermittierende Abluftrückführung kann eine variable Ansteuerung von unterschiedlichen Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere des Kathodensystems 10 vorsehen. Die intermittierende Abluftrückführung kann weiterhin optional mit einer korrespondierenden Ansteuerung eines Anodensystems und/oder Kühlsystems kombiniert werden.
Mithilfe der intermittierenden Abluftrückführung kann sichergestellt werden, dass der mindestens eine Brennstoffzellenstapel 101:

Insbesondere können folgende (weitere optional) Parameter variiert werden:

- Kathoden-Druck pCath,
- Kathoden-Massenstrom mCath,
- Kathoden-Austrittsaktivität aCath und
- EGR-Rezirkulationsrate (damit auch Kathoden-Eintrittsfeuchte).

Mithilfe der Erfindung können mehrere Vorteile erreicht werden:

- (zumindest temporäre) Befeuchtung der Zuluft L1 am Eingang in den Stack 101, ohne Leistungs-Einbruch bzw. Derating,
- (zumindest temporäre) Verbesserung der Abfuhr von Wasser aus dem Ausgang aus dem Stack 101,
- (zumindest temporäre) Sauerstoffverarmung in dem Stack 101,
- Verbesserung der Lebenszeit des Stacks 101,
- Verminderung der Stack-Degradation (weniger Austrocknung, etc.)
- Kosteneinsparung bei der Auslegung des Systems 100, usw.

Wie es die 3 andeutet, kann die intermittierende Abluftrückführung für den, insbesondere dauerhaften, Hochlastbetrieb (bspw. 50%-100%, insbesondere 75%-100% oder sogar 80%-100% von der Maximalleistung) und/oder einem Maximallastbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 von Vorteil sein. Dauerhaft kann bedeuten, dass eine so lange Hochlast- bzw. Maximallast-Anforderung an das Brennstoffzellensystem 100 vorliegt, dass:

- eine rein stackinterne Befeuchtung nicht mehr aufrecht zu erhalten ist und/oder
- dieser Anwendungsfall bereits bei der Entwicklung zu einer kostenintensiveren Auslegung (Vergrößerung des Stacks 101 bzw. Kathodensystems 10) führen würde.

Wie es die 4 andeutet, kann die intermittierende Abluftrückführung bei niedrigen Lasten von Vorteil sein, bspw. wenn der Zuluft-Massenstrom mCath so niedrig ist, dass die Abfuhr von Wasser aus dem Stack 101 nicht ausreichend ist, und dass die Gefahr vorliegt, dass sich flüssiges Wasser in dem Stack 101 ansammelt bzw. der Stack 101 geflutet wird. Wenn dabei der Massenstrom der frischen Luft erhöht wird, dann kann sich aber auch der Sauerstoff in der Kathode erhöhen, was nicht mehr passend zum Strom und Wassermangement erfolgen kann. Mithilfe der intermittierende Abluftrückführung kann der Austrag von Wasser aus dem Stack 101 ermöglicht werden, vorzugsweise ohne gleichzeitig die Sauerstoffmasse in dem Kathodenpfad durch den Stack zu erhöhen. Dabei kann der Kathoden-Druck pStack vorteilhafterweise im Wesentlichen konstant gehalten werden, wie es die 4 schematisch andeutet.
Im Normalbetrieb kann zunächst nur die stackinterne Befeuchtung ohne die intermittierende Abluftrückführung erfolgen. Wenn im Normalbetrieb hohe Umgebungstemperaturen herrschen und sich hohe Stacktemperaturen ergeben, aber die Temperaturdifferenz mit der Umgebung noch ausreicht, um die Abwärme vom Stack ausreichend abzuführen, muss der Stack mit hohem Druck pCath1 und niedrigem Verbrennungsluftverhältnis lambdaCath1 (bzw. Lambda; kurz auch λ, Luftverhältnis oder Luftzahl genannt, überstöchiometrisch ausgedruckt mCathStack = lambda * mCathStoechiometrisch) betrieben werden, um die stackinterne Befeuchtung aufrecht zu erhalten.
Die Eingangsbereiche/Anfangsbereiche der Stack-Kathode können in diesem Falle nach einer bestimmten Zeit td1 Gefahr laufen auszutrocknen.
Die Ausgangsbereiche/Endbereiche der Stack-Kathode können wiederum nach einer bestimmten Zeit td2 Gefahr laufen, dass aufgrund der hohen Wasserproduktion bei Hochlast partielle Flutung auftritt.
Beide oben genannte Effekte können zu Leistungseinbrüchen und teilweise auch zu Degradation des Stacks 101 führen. Vorteilhafterweise kann die intermittierende Abluftrückführung nach einer Zeit tS10=min(td1, td2) eingeleitet werden.
Die intermittierende Abluftrückführung kann vorzugsweise die stackinterne Befeuchtung und zusätzlich die Abluftrückführung umfassen.
Die intermittierende Abluftrückführung kann dann eingeleitet bzw. getriggert werden, wenn die Zeit tS10=min(td1, td2) abgelaufen ist.
Vorteilhafterweise bewirkt die intermittierende Abluftrückführung keine, zumindest keine wesentliche, Verminderung der Leistung.
Für die intermittierende Abluftrückführung kann ein Rezirkulationsventil CVRezi in Teilstellung geöffnet werden, um einen Teil der Abluft in die Zuluft einzuleiten.
Wie es die 3 andeutet, kann dabei der Kathodendruck pStack auf pCath2 abgesenkt und der Massenstrom mCath auf mCath2 erhöht werden. Die Aktivität am Kathodenaustritt actCath2 steigt temporär ebenfalls an. D.h. die Luft in der Kathode trägt mehr Wasser aus und die Befeuchtung der Zuluft L1 wird verbessert. Durch Erhöhung des Massenstroms mCath im Stack 101 wird das Wasser in den Ausgangs-/Endbereichen besser herausgefördert, d.h. dass die Flutungsgefahr deutlich herabgesetzt wird.
Durch den erhöhten Massenstrom mCath erhöht sich vorteilhafterweise nicht das Lambda, weil die zugeführte Abluft L2 sauerstoffärmer ist als der Luftmassenstrom aus der Umgebung U. Das Lambda kann vorzugsweise näherungsweise konstant gehalten werden, wenn bspw. das Kathodensystem 10 zusätzlich die Zuluftmenge etwas erhöht. Dies ist selbst dann möglich, wenn das Kathodensystem 10 keine Drehzahlreserve mehr hat, da durch sinkenden Systemdruck pCath das Kathodensystem 10 bei gleicher Drehzahl mehr Massenstrom mCath fördern kann. Alternativ dazu oder zusätzlich kann eine Drehzahlreserve bei dem Kathodensystem 10 vorgesehen sein.
Durch die Befeuchtung der Zuluft L1 mithilfe der intermittierenden Abluftrückführung können insbesondere die Eingangsbereiche des Stacks 101 signifikant befeuchtet werden, sodass die Austrocknungsgefahr der Membran im Stack 101 deutlich reduziert werden kann.
Die intermittierende Abluftrückführung kann für eine bestimmte Zeit tS20 erfolgen. Die Zeit tS20 kann abhängig von verschiedenen Effekten, wie z. B. Befeuchtung am Kathodeneintritt tx1, Flutungsverminderung tx2, ggf. zulässige Dauer Lambda-Absenkung tx3 ermittelt werden, bspw. tS20=min(max(tx1,tx2), tx3).
Die intermittierende Abluftrückführung kann unterschiedliche Ansteuerungs-Formen aufweisen (unterschiedliche An- und/oder Auszeiten, unterschiedliche Gradienten usw.). Unterschiedliche Ansteuerungs-Formen können individuell je nach System und/oder je nach Auslegung und/oder je nach Betriebsbedingungen und/oder je nach Randbedingungen bestimmt werden.
Auch können die wesentlichen Parameter während der Phasen (intermittierende Abluftrückführung an und aus) konstant oder variabel eingestellt werden.
Die intermittierende Abluftrückführung kann weiterhin vorausschauend, bspw. unter Trajektorien-Planung und/oder in Abhängigkeit von Wetterdaten, Navigationsdaten, Leistungstrajektorien usw., durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise kann die intermittierende Abluftrückführung EGR dann eingeleitet werden, wenn:

- eine interne Befeuchtung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 101 nicht ausreicht,
- Eingangsbereiche/Anfangsbereiche des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 101 austrocknen oder voraussichtlich, insbesondere nach einer bestimmten Zeit dt1, Gefahr laufen auszutrocknen, und/oder
- Ausgangsbereiche/Endbereiche des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 101 geflutet oder voraussichtlich, insbesondere nach einer bestimmten Zeit dt2, geflutet werden können,
- bei länger anliegenden Hochlastanforderungen an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101, wobei insbesondere eine Stackspannung und/oder Einzelzellspannungen und/oder Impedanz vermessen werden, um den Zustand des Brennstoffzellenstapels (101) und/oder ein Gefahrenpotential, Austrocknung, Flutung usw. im Brennstoffzellenstapel (101) zu erkennen,
- eine, zumindest temporäre, Sauerstoffverarmung in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101 eingefordert wird.

Nach einem weiteren Vorteil kann die intermittierende Abluftrückführung wiederholend und/oder regelmäßig, und/oder ereignisgesteuert und/oder periodisch durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine flexible sowie erweiterte Funktionalität bereitgestellt werden.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) folgende Komponenten aufweist: - mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) und - ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) in Form einer Zuluft (L1), wobei das Kathodensystem (10) folgende Komponenten aufweist: - mindestens eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen einer Zuluft (L1) an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) - und mindestens eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101), wobei in der mindestens einen Zuluftleitung (11) eine Kompressionseinheit (KE) zum Verdichten einer Zuluft (L1) vorgesehen ist, wobei zwischen der mindestens einen Abluftleitung (12) und der mindestens einen Zuluftleitung (11) eine Luftverbindung (LV) von einer Abluft (L2) zu einer Zuluft (L1) vorgesehen ist, und wobei die Luftverbindung (LV) dazu verwendet wird, um in mindestens einem Betriebsmodus (M) des Brennstoffzellensystems (100) eine intermittierende Abluftrückführung (EGR) in die Zuluft (L1) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Abluftrückführung (EGR) in einem, insbesondere dauerhaften, Hochlastbetrieb und/oder einem Maximallastbetrieb des Brennstoffzellensystems (100) durchgeführt wird, um insbesondere die Zuluft (L1) zu befeuchten, vorzugsweise unter hohen Umgebungstemperaturen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Abluftrückführung (EGR) dazu genutzt wird, um einen Massenstrom (mCath) durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) zu erhöhen, um insbesondere eine Abfuhr von Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel (101) zu unterstützen, vorzugsweise ohne die Sauerstoffmasse in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) zu erhöhen, bevorzugt ohne einen Kathoden-Druck (pCath) zu verändern, und/oder dass die intermittierende Abluftrückführung (EGR) dazu genutzt wird, um einen Massenstrom (mCath) durch den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) Sauerstoff zu verarmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Abluftrückführung (EGR) eine Öffnung, insbesondere eine Teilöffnung, eines Rezirkulationsventils (CVRezi) vorsieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Abluftrückführung (EGR) eine variable Ansteuerung von mindestens einem Betriebsparameter (BP) des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere des Kathodensystems (10), von den folgenden Parametern durchführt: - einer Rezirkulationsrate von der Abluft (L2) zu der Zuluft (L1), - Kathoden-Massenstrom, - Kathoden-Druck, und/oder - Kathoden-Aktivität.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Abluftrückführung (EGR) eine periodische oder aperiodische und/oder symmetrische oder asymmetrische Ansteuerung von mindestens einem Betriebsparameter (BP) des Kathodensystems (10) vorsieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Abluftrückführung (EGR) dann eingeleitet wird, wenn: - eine interne Befeuchtung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (101) nicht ausreicht, - Eingangsbereiche/Anfangsbereiche des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (101) austrocknen oder voraussichtlich, insbesondere nach einer bestimmten Zeit (dt1), Gefahr laufen auszutrocknen, und/oder - Ausgangsbereiche/Endbereiche des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (101) geflutet oder voraussichtlich, insbesondere nach einer bestimmten Zeit (dt2), geflutet werden können, - bei länger anliegenden Hochlastanforderungen an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101), wobei insbesondere eine Stackspannung und/oder Einzelzellspannungen und/oder Impedanz vermessen werden, um den Zustand des Brennstoffzellenstapels (101) und/oder ein Gefahrenpotential, Austrocknung, Flutung usw. im Brennstoffzellenstapel (101) zu erkennen, - eine, zumindest temporäre, Sauerstoffverarmung in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) eingefordert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die intermittierende Abluftrückführung wiederholend und/oder regelmäßig, und/oder ereignisgesteuert und/oder periodisch durchgeführt wird, und/oder dass die intermittierende Abluftrückführung vorausschauend, insbesondere in Abhängigkeit von Wetterdaten und/oder Navigationsdaten und/oder in Abhängigkeit von prädiktiven Leistungstrajektorien durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Steuereinheit (200), aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt.
Brennstoffzellensystem (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) folgende Komponenten aufweist: - mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) und - ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) in Form einer Zuluft (L1), wobei das Kathodensystem (10) folgende Komponenten aufweist: - eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen einer Zuluft (L1) an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101) - und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel (101), wobei in der (mindestens einen) Zuluftleitung (11) eine Kompressionseinheit (KE) zum Verdichten einer Zuluft (L1) vorgesehen ist, wobei zwischen der mindestens einen Abluftleitung (12) und der mindestens einen Zuluftleitung (11) eine Luftverbindung (LV) von einer Abluft (L2) zu einer Zuluft (L1) vorgesehen ist, und wobei die Luftverbindung (LV) dazu ausgeführt ist, in mindestens einem Betriebsmodus (M) des Brennstoffzellensystems (100) eine intermittierende Abluftrückführung (EGR) in die Zuluft (L1) bereitzustellen.
Brennstoffzellensystem (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (200) nach Anspruch 10 vorgesehen ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, und/oder dass die Kompressionseinheit (KE) mindestens einen Verdichter (V1, V2) aufweist, wobei insbesondere mindestens ein Verdichter (V1) elektromotorisch und/oder mechanisch, bspw. mithilfe einer Turbine (T), angetrieben ist, wobei vorzugsweise mindestens ein Verdichter (V2) elektromotorisch angetrieben ist, wobei bevorzugt mindestens ein Verdichter (V2) einstufig, zweistufig oder zweiflutig ausgeführt ist, und/oder dass die Kompressionseinheit (KE) mindestens eine Turbine (T) aufweist, um mindestens einen Verdichter (V) zu unterstützen.