DE102022209595A1

DE102022209595A1 - Brennstoffzellensystem zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022209595A1
Application number: DE102022209595.2A
Authority: DE
Inventors: Mark Hellmann; Jonas Breitinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024056807A3; WO2024056807A2

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:- eine Vielzahl Teilsysteme,- eine zentrale Kontrolleinheit (125),wobei jedes Teilsystem der Vielzahl Teilsysteme umfasst:- einen Brennstoffzellenstapel,- ein Kathodensubsystem (103, 107),- ein Anodensubsystem (101, 105)wobei die zentrale Kontrolleinheit (125) dazu konfiguriert ist, einen Spülvorgang zum Ausspülen von Betriebsfluiden lediglich für ein einzelnes Teilsystem in einem jeweiligen Zeitfenster durchzuführen.

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.
In LKW- und Bussystemen werden häufig zwei oder mehr Teilsysteme betrieben, um entsprechend große Leistungsanforderungen zu erfüllen. Dabei teilen sich die Teilsysteme in der Regel einige Komponenten, wie bspw. einen Tank oder eine Abgasstrecke.
Da die Teilsysteme regelmäßig gespült werden müssen, kann es zu Situationen kommen, in denen bei einem Spülvorgang ausgespülter Wasserstoff sich in einem Brennstoffzellensystem akkumuliert. Um die Ausbildung eines zündfähigen Gemischs zu vermeiden, muss die Wasserstoffkonzentration jedoch unter einem vorgegebenen Schwellenwert gehalten werden.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren 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 Betriebsverfahren 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.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine Wasserstoffkonzentration in einem von einem Brennstoffzellensystem mit mehreren Teilsystemen ausgespülten Gemisch jederzeit unter einem vorgegebenen Schwellenwert zu halten.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl Teilsysteme und eine zentrale Kontrolleinheit, wobei jedes Teilsystem der Vielzahl Teilsysteme einen Brennstoffzellenstapel, ein Kathodensubsystem und ein Anodensubsystem umfasst, und wobei die zentrale Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, einen Spülvorgang zum Ausspülen von Betriebsfluiden lediglich für ein einzelnes Teilsystem in einem jeweiligen Zeitfenster durchzuführen.
Unter einem Spülvorgang ist im Kontext ein Ausleiten von Betriebsfluiden aus einem Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems bzw. Teilsystems, d.h. ein sogenanntes „purgen“ zu verstehen.
Unter einer Kontrolleinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Element zum Kontrollieren eines Flusses von Betriebsmedien zu verstehen. Eine Kontrolleinheit kann mechanisch funktionieren, wie bspw. ein 3/2-Wege-Ventil oder elektronisch funktionieren, wie bspw. ein Steuergerät und einen entsprechenden Aktor ansteuern bzw. freigeben.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass jeweilige Teilsysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems durch ihre Gasleitpfade, insbesondere ihre Abgasstrecken, wie bspw. einen Kathodenabgaspfad und/oder einen Anodenpfad bereichsweise gekoppelt sind.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf einem Brennstoffzellensystem mit mehreren Teilsystemen, d.h. mehreren Brennstoffzellenstapeln mit entsprechenden Versorgungskomponenten. Um ein gleichzeitiges Ausspülen von Wasserstoff aus den mehreren Teilsystemen zu vermeiden, ist erfindungsgemäß eine zentrale Kontrolleinheit vorgesehen, die das Ausspülen von Betriebsfluiden und, dadurch bedingt, von Wasserstoff, aus den jeweiligen Teilsystemen kontrolliert bzw. koordiniert, sodass lediglich ein Teilsystem gleichzeitig bzw. in einem jeweiligen Zeitfenster gespült wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die zentrale Kontrolleinheit eine unabhängige Recheneinheit oder eine als Master ausgewählte Recheneinheit eines Teilsystems der Anzahl Teilsysteme ist.
Eine unabhängige Recheneinheit, wie bspw. ein Steuergerät eines durch das vorgestellte Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgten Fahrzeugs, kann als übergeordnete Instanz jeweilige Steuergeräte der Teilsysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems aufeinander abgestimmt bzw. zeitlich koordiniert ansteuern, sodass auf eine Anpassung von Steuergeräten der Teilsysteme verzichtet werden kann.
Durch die Auswahl einer Recheneinheit, insbesondere eines Steuergeräts eines jeweiligen Teilsystems als Master, kann das Brennstoffzellensystem selbst, d.h. ohne Anpassung externer Komponenten für ein koordiniertes Durchführen jeweiliger Spülvorgänge konfiguriert werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die zentrale Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, ein jeweiliges Teilsystem der Anzahl Teilsysteme in Abhängigkeit eines Betriebszustands des jeweiligen Teilsystems dynamisch für einen nächstkommenden Spülvorgang zu priorisieren.
Um ein Teilsystem, das sich einem Betriebszustand befindet, in dem ein Spülvorgang erforderlich ist, als nächstes für einen Spülvorgang auszuwählen, kann dieses priorisiert werden. Dazu kann die zentrale Kontrolleinheit sämtlichen Teilsystemen bspw. in Abhängigkeit des Betriebszustands, insbesondere in Abhängigkeit einer Wasserstoffkonzentration im Anodensubsystem, eine Priorisierungskennzahl zuordnen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Kathodensubsysteme jeweiliger Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme mit einer gemeinsamen Kathodenabgasstrecke gekoppelt sind, und die zentrale Kontrolleinheit jedem einzelnen Teilsystem einen Zeitbereich in einem Zeitraster zuteilt, in dem ein Spülvorgang für lediglich das einzelne Teilsystem zulässig ist.
Durch eine Zuordnung eines Zeitbereichs in einem Zeitraster zu einem jeweiligen Teilsystem wird eine koordinierte Durchführung von Spülvorgängen bzw. eine koordinierte Aktivierung von Spülventilen der jeweiligen Teilsysteme erreicht, da lediglich einem Teilsystem pro Zeitbereich die Durchführung eines Spülvorgangs freigegeben wird. Dabei können jeweilige Zeitbereiche durch ein Zeitfenster zeitlich voneinander beabstandet sein, sodass ein Austragen von Wasserstoff aus der Kathodenabgasstrecke sichergestellt ist, bevor ein weiteres Teilsystem einen Spülvorgang durchführt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die zentrale Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, einen Spülvorgang für ein ausgewähltes Teilsystem der Vielzahl Teilsysteme freizugeben und gleichzeitig einen Spülvorgang für sämtliche weiteren Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme zu sperren, und jeweilige Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme dazu konfiguriert sind, vor der Ausführung eines Spülvorgangs eine Freigabe bei der zentralen Kontrolleinheit abzufragen.
Durch ein zentrales Sperren und lokales Abfragen einer Freigabe wird eine Koordinierung von Spülvorgängen durch die zentrale Kontrolleinheit sichergestellt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die zentrale Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, das ausgewählte Teilsystem in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebspunkts des Brennstoffzellensystems, insbesondere eines jeweiligen Teilsystems oder gemäß einer vorgegebenen zeitlichen Sequenz auszuwählen.
Durch eine betriebspunktabhängige Auswahl eines jeweiligen Teilsystems für einen Spülvorgang kann eine feste Sequenz von Freigaben vermieden und ein optimaler Zeitpunkt für einen Spülvorgang eines jeweiligen Teilsystems gewählt werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Anodensubsysteme jeweiliger Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme bereichsweise miteinander gekoppelt sind, und die zentrale Kontrolleinheit ein gemeinsames Spülventil umfasst, das dazu konfiguriert ist, das Ausspülen von Betriebsfluiden aus sämtlichen Teilsystemen, jedoch lediglich das Ausspülen von Betriebsfluiden aus einem jeweiligen Teilsystem in einem jeweiligen Zeitfenster zu ermöglichen.
Durch eine zentrale Kontrolleinheit, die ein gemeinsames Spülventil umfasst, kann mittels mechanischer Komponenten ein paralleles Ausführen von Spülvorgängen mehrerer Teilsysteme ausgeschlossen werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das gemeinsame Spülventil ein Stellglied umfasst, das dazu konfiguriert ist, einen Ausleitpfad des gemeinsamen Spülventils sequenziell mit sämtlichen Anodensubsystemen der Vielzahl Teilsysteme zu koppeln.
Ein Stellglied, wie bspw. ein mechanischer Schieber oder ein Ventil, kann dazu verwendet werden, einen Strom von Betriebsfluiden zu kontrollieren und entsprechend zwischen den verschiedenen Teilsystemen zu koordinieren. Dazu kann ein Weg zum Ausleiten von Betriebsmedien für ein ausgewähltes Teilsystem selektiv freigegeben bzw. geöffnet und für andere Teilsysteme gesperrt werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das gemeinsame Spülventil ein (n+1)/2-Wegeventil mit Sperr-Ruhestellung ist, wobei dieses der Anzahl Teilsysteme entspricht, und das Spülventil einen Kugeldichtsitz mit L-Bohrung oder ein Schiebekolbensystem umfasst.
Durch ein Mehrwegeventil mit Sperr-Ruhestellung ist zu jedem Zeitpunkt beim Betrieb des Mehrwegeventils sichergestellt, dass nur ein Durchgang von einem Teilsystem zu einem Auslass freigegeben ist und die weiteren Teilsysteme entsprechend gesperrt sind. Dabei kann ein Schiebekolbensystem verwendet werden, das einen Schiebekolben bzw. einen Schieberegler umfasst, der einen Auslass freigibt oder blockiert und, wenn der Auslass freigegen ist, lediglich einen Einlass freigibt und weitere Einlässe blockiert. Alternativ kann ein Kugeldichtsitz mit L-Bohrung verwendet werden, sodass durch die L-Bohrung bedingt, lediglich zwei Wege verbunden werden können und sämtliche weiteren Wege gesperrt sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie. Dabei umfasst das Brennstoffzellensystem eine Vielzahl Teilsysteme und eine zentrale Kontrolleinheit, wobei jedes Teilsystem der Vielzahl Teilsysteme einen Brennstoffzellenstapel, ein Kathodensubsystem und ein Anodensubsystem umfasst. Es ist gemäß dem vorgestellten Betriebsverfahren vorgesehen, dass mittels der zentralen Kontrolleinheit ein Spülvorgang zum Ausspülen von Betriebsfluiden lediglich für ein einzelnes Teilsystem in einem jeweiligen Zeitfenster durchgeführt wird.
Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem mindestens ein Luftversorgungssystem mit einem Verdichter zum Einleiten von Luft in die Vielzahl Teilsysteme umfasst und der Verdichter bei einem vorgegebenen Betriebspunkt mit einer konstanten Drehzahl betrieben wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens.
3 eine mögliche Ausgestaltung einer Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems gemäß 1.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zwei Teilsysteme, wobei ein erstes Anodensubsystem 101 und ein erstes Kathodensubsystem 103 des ersten Teilsystems sowie ein zweites Anodensubsystem 105 und ein zweites Kathodensubsystem 107 des zweiten Teilsystems dargestellt sind.
Über einen zentralen Wasserstofftank 107 und einen zentralen Druckminderer 109 werden ein erstes Wasserstoffdosierventil 111 und ein zweites Wasserstoffdosierventil 113 mit Wasserstoff versorgt.
Ein erstes Gebläse 115 rezirkuliert Betriebsfluide durch das erste Anodensubsystem 101. Ein zweites Gebläse 117 rezirkuliert Betriebsfluide durch das zweite Anodensubsystem 105.
Ein erstes Spülventil 119 dient zum Durchführen eines Spülvorgangs, um das erste Anodensubsystem 101 zu spülen.
Ein zweites Spülventil 121 dient zum Durchführen eines Spülvorgangs, um das zweite Anodensubsystem 105 zu spülen.
Über eine erste Spülleitung 123 ist das erste Spülventil 119 mit einer zentralen Kontrolleinheit 125 in Form eines 3/2-Wege-Ventils verbunden.
Über eine zweite Spülleitung 127 ist das zweite Spülventil 121 mit der zentralen Kontrolleinheit 125 verbunden.
Über eine dritte Spülleitung 129 ist die zentrale Kontrolleinheit 125 mit einem Abgastrakt 131 verbunden.
Ein Kompressor einer zentralen Luftversorgungseinheit 133 versorgt das erste Kathodensubsystem 103 und das zweite Kathodensubsystem 107 mit frischer Luft. Das erste Kathodensubsystem 103 und das zweite Kathodensubsystem 107 sind über eine gemeinsame Abgasleitung 135 mit dem Abgastrakt 131 verbunden.
Um eine Akkumulierung von durch das erste Anodensubsystem 101 und das zweite Anodensubsystem 105 ausgespültem Wasserstoff in dem Abgastrakt 131 über einen vorgegebenen Schwellenwert hinaus zu vermeiden, ist die zentrale Kontrolleinheit 125 derart ausgestaltet, dass entweder die erste Spülleitung 123 oder die zweite Spülleitung 127 mit der dritten Spülleitung 129 und entsprechend mit dem Abgastrakt 131 verbunden werden kann.
In 2 ist ein Betriebsverfahren 200 dargestellt. Das Betriebsverfahren 200 basiert auf einer zentralen Kontrolleinheit in Form eines Steuergeräts, wie bspw. einem als Master konfigurierten Steuergerät eines Teilsystems eines Bren nstoffzel lensystems.
Die zentrale Kontrolleinheit weist jedem Teilsystem, von vorliegend bspw. drei Teilsystemen, einen Zeitraum zu, in dem ein Spülvorgang des Teilsystems durchgeführt werden darf. Entsprechend ist in 2 in einem Diagramm 201, das sich auf seiner Abszisse über die Zeit und auf seiner Ordinate über ein Erlaubnissignal aufspannt, eine Sequenz von Erlaubnissignalen dargestellt, die abwechselnd ein erstes Erlaubnissginal 203 für das erste Teilsystem, ein zweites Erlaubnissginal 205 für das zweite Teilsystem und ein drittes Erlaubnissignal 207 für das dritte Teilsystem bereitstellt.
Jeweilige Erlaubnissignale 201, 203 und 205 sind voneinander durch optionale Abklingphasen beabstandet, in denen kein Spülvorgang erlaubt ist, sodass ggf. durch einen vorausgegangen Spülvorgang ausgespülter Wasserstoff aus einem Abgastrakt des Brennstoffzellensystems ausgespült werden kann, bevor weiterer Wasserstoff in den Abgastrakt geleitet wird.
In 3 ist eine zentrale Kontrolleinheit 300 dargestellt. Die zentrale Kontrolleinheit 300 umfasst eine Kanaleinheit 301 mit einem ersten Einlass 303, einem zweiten Einlass 305 und einem Auslass 307.
Ein Schiebekolben 309 ist derart in der Kanaleinheit 301 verschiebbar angeordnet, dass entweder der Auslass 307 oder ein Übergang von dem ersten Einlass 303 zu dem Auslass 307 oder ein Übergang von dem zweiten Einlass 305 zu dem Auslass 307 blockiert ist. Entsprechend kann entweder der erste Einlass 303 oder der zweite Einlass 305 mit dem Auslass 307 verbunden werden, sodass eine zeitgleiche Verbindung des ersten Einlasses 303 und des zweiten Einlasses 305 mit dem Auslass 307 unmöglich ist.

Claims

Brennstoffzellensystem (100) zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - eine Vielzahl Teilsysteme, - eine zentrale Kontrolleinheit (125), wobei jedes Teilsystem der Vielzahl Teilsysteme umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel, - ein Kathodensubsystem (103, 107), - ein Anodensubsystem (101, 105) wobei die zentrale Kontrolleinheit (125) dazu konfiguriert ist, einen Spülvorgang zum Ausspülen von Betriebsfluiden lediglich für ein einzelnes Teilsystem in einem jeweiligen Zeitfenster durchzuführen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinheit (125) eine unabhängige Recheneinheit oder eine als Master ausgewählte Recheneinheit eines Teilsystems der Anzahl Teilsysteme ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, ein jeweiliges Teilsystem der Anzahl Teilsysteme in Abhängigkeit eines Betriebszustands des jeweiligen Teilsystems dynamisch für einen nächstkommenden Spülvorgang zu priorisieren.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Kathodensubsysteme (103, 107) jeweiliger Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme mit einer gemeinsamen Kathodenabgasstrecke (131) gekoppelt sind, und die zentrale Kontrolleinheit (125) jedem einzelnen Teilsystem einen Zeitbereich in einem Zeitraster zuteilt, in dem ein Spülvorgang für lediglich das einzelne Teilsystem zulässig ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinheit (125) dazu konfiguriert ist, einen Spülvorgang für ein ausgewähltes Teilsystem der Vielzahl Teilsysteme freizugeben und gleichzeitig einen Spülvorgang für sämtliche weiteren Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme zu sperren, und jeweilige Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme dazu konfiguriert sind, vor der Ausführung eines Spülvorgangs eine Freigabe bei der zentralen Kontrolleinheit (125) abzufragen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinheit (125) dazu konfiguriert ist, das ausgewählte Teilsystem in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebspunkts des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere eines jeweiligen Teilsystems oder gemäß einer vorgegebenen zeitlichen Sequenz auszuwählen.
Brennstoffzellensystem (100) einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Anodensubsysteme (101, 105) jeweiliger Teilsysteme der Vielzahl Teilsysteme bereichsweise miteinander gekoppelt sind, und die zentrale Kontrolleinheit (125) ein gemeinsames Spülventil umfasst, das dazu konfiguriert ist, lediglich das Ausspülen von Betriebsfluiden aus einem jeweiligen Teilsystem in einem jeweiligen Zeitfenster zu ermöglichen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Spülventil ein Stellglied (300) umfasst, das dazu konfiguriert ist, einen Ausleitpfad des gemeinsamen Spülventils sequenziell mit sämtlichen Anodensubsystemen (101, 105) der Vielzahl Teilsysteme zu koppeln.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Spülventil ein (n+1)/2-Wegeventil mit Sperr-Ruhestellung ist, wobei n der Anzahl Teilsysteme entspricht, und das Spülventil einen Kugeldichtsitz mit L-Bohrung oder ein Schiebekolbensystem umfasst.
Betriebsverfahren (200) für ein Brennstoffzellensystem (100) zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - eine Vielzahl Teilsysteme, - eine zentrale Kontrolleinheit (125), wobei jedes Teilsystem der Vielzahl Teilsysteme umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel, - ein Kathodensubsystem (103, 107), - ein Anodensubsystem (101, 105), wobei mittels der zentralen Kontrolleinheit (125) ein Spülvorgang zum Ausspülen von Betriebsfluiden lediglich für ein einzelnes Teilsystem in einem jeweiligen Zeitfenster durchgeführt wird.
Betriebsverfahren (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) mindestens ein Luftversorgungssystem (133) mit einem Verdichter zum Einleiten von Luft in die Vielzahl Teilsysteme umfasst und der Verdichter bei einem vorgegebenen Betriebspunkt mit einer konstanten Drehzahl betrieben wird.