DE102022209891A1 - Fuel cell system and operating method for operating a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and operating method for operating a fuel cell system Download PDF

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Timo Bosch
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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Wandeln von Energie. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:- ein erstes Teilsystem (101),wobei das erste Teilsystem (101) ein erstes Auslasssystem (105) umfasst,- mindestens ein zweites Teilsystem (103),wobei das zweite Teilsystem (103) ein zweites Auslasssystem (111) umfasst,- ein Versorgungssystem (117) zum Versorgen des ersten Teilsystems (101) und des zweiten Teilsystems (103) mit Brennstoff,- eine Recheneinheit (123),wobei das Versorgungssystem (117) einen zentralen Tankdruckregler (119) umfasst, der dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem (101) und das zweite Teilsystem (103) gemeinsam mit Brennstoff aus einem Tank (121) zu versorgen, wobei das erste Teilsystem (101) und das zweite Teilsystem (103) über das Versorgungssystem (117) hydraulisch gekoppelt sind, undwobei die Recheneinheit (123) dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem (101) und das zweite Auslasssystem (103) derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler (119) bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers zu minimieren.The invention presented relates to a fuel cell system (100) for converting energy. The fuel cell system (100) comprises: - a first subsystem (101), the first subsystem (101) comprising a first outlet system (105), - at least one second subsystem (103), the second subsystem (103) comprising a second outlet system ( 111) comprises, - a supply system (117) for supplying the first subsystem (101) and the second subsystem (103) with fuel, - a computing unit (123), the supply system (117) comprising a central tank pressure regulator (119), which is configured to supply the first subsystem (101) and the second subsystem (103) together with fuel from a tank (121), the first subsystem (101) and the second subsystem (103) being hydraulic via the supply system (117). are coupled, and the computing unit (123) is configured to control the first outlet system (101) and the second outlet system (103) in such a way that they synchronously cause a pressure reduction on the tank pressure regulator (119) by a number of activation cycles of the tank pressure regulator to minimize.

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.The presented invention relates to a fuel cell system and an operating method for a fuel cell system according to the appended claims.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellensysteme mit mehreren Teilsystemen, d.h. zumindest teilweise autarken Systemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, werden in der Regel durch ein zentrales Brennstoffversorgungssystem mit Brennstoff versorgt.Fuel cell systems with several subsystems, i.e. at least partially self-sufficient systems, each comprising a fuel cell stack, are usually supplied with fuel by a central fuel supply system.

Ein solches Brennstoffversorgungssystem umfasst einen Tank, in dem unter hohem Druck Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, gespeichert ist und Versorgungsleitungen, die zu jeweiligen Dosierventilen der jeweiligen Teilsysteme führen. Um einen Druck in den Versorgungsleitungen einzustellen, ist ein zentraler Tankdruckregler vorgesehen, der einen Hochdruckbereich in dem Tank von einem Mitteldruckbereich in den Versorgungsleitungen trennt und Brennstoff in die Versorgungsleitungen leitet, wenn dort der Druck abfälltSuch a fuel supply system includes a tank in which fuel, in particular hydrogen, is stored under high pressure and supply lines that lead to respective metering valves of the respective subsystems. In order to set a pressure in the supply lines, a central tank pressure regulator is provided, which separates a high-pressure area in the tank from a medium-pressure area in the supply lines and directs fuel into the supply lines when the pressure there drops

Da die Betriebsbedingungen in einem Brennstoffzellenstapel genau eingestellt werden müssen, ist es regelmäßig erforderlich, Fluide aus dem Brennstoffzellenstapel abzulassen, um bspw. Flüssigwasser abzuführen oder ein Anodensubsystem mit Wasserstoff zu spülen. Dazu umfasst jeder Brennstoffzellenstapel ein Auslasssystem, das ein Spülventil und ein Auslassventil umfasst, wobei das Auslassventil und das Spülventil auch kombiniert als Auslass-/Spülventil vorliegen können.Since the operating conditions in a fuel cell stack must be precisely adjusted, it is regularly necessary to drain fluids from the fuel cell stack, for example to remove liquid water or to flush an anode subsystem with hydrogen. For this purpose, each fuel cell stack includes an outlet system that includes a purge valve and an outlet valve, wherein the outlet valve and the purge valve can also be combined as an outlet/purge valve.

Durch eine Aktivierung eines Auslasssystems wird Brennstoff aus einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel abgeführt, sodass neuer Brennstoff durch dessen Dosierventil eindosiert werden muss. Dies hat zur Folge, dass der Druck in einer den Brennstoffzellenstapel bzw. ein entsprechendes Teilsystem versorgenden Versorgungsleitung sinkt und der Tankdruckregler neuen Brennstoff in die Versorgungsleitung einleiten und einen in den Versorgungsleitungen anliegenden Druck ausregeln muss. Jedes Ausregeln bedeutet ein Schaltspiel für den Tankdruckregler. Mit der Anzahl an Teilsystemen eines Brennstoffzellensystems multipliziert sich die Anforderung an Schaltspielen an den Wasserstofftankdruckregler.By activating an outlet system, fuel is removed from a respective fuel cell stack, so that new fuel must be metered in through its metering valve. The result of this is that the pressure in a supply line supplying the fuel cell stack or a corresponding subsystem drops and the tank pressure regulator has to introduce new fuel into the supply line and regulate any pressure present in the supply lines. Each adjustment means one switching cycle for the tank pressure regulator. The number of subsystems in a fuel cell system multiplies the switching cycle requirements for the hydrogen tank pressure regulator.

Um Komponenten stromabwärts im Versorgungssystem zu schützen wird der Brennstoff in Extrembereichen zwischen minimal -40 °C und maximal 120 °C eingeschränkt, idealerweise ist die Eintrittstemperatur zwischen min -20 °C und max 95 °C.In order to protect components downstream in the supply system, the fuel is restricted in extreme ranges between a minimum of -40 °C and a maximum of 120 °C, ideally the inlet temperature is between a minimum of -20 °C and a maximum of 95 °C.

Brennstoffzellensysteme bevorzugen einen Druck der niedriger als der Tankdruck liegt, in der Regel zwischen 1 und 50 bar_a. Diese Randbedingungen stellen für die Komponente Tankdruckregler große technische Lasten über die Lebensdauer dar.Fuel cell systems prefer a pressure that is lower than the tank pressure, usually between 1 and 50 bar_a. These boundary conditions represent large technical loads over the service life of the tank pressure regulator component.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.As part of the presented invention, a fuel cell system and an operating method for operating the fuel cell system are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the operating method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl Teilsysteme bereitzustellen.The invention presented serves in particular to provide a robust fuel cell system with a large number of subsystems.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt. Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst ein erstes Teilsystem, wobei das erste Teilsystem ein erstes Auslasssystem umfasst, mindestens ein zweites Teilsystem, wobei das zweite Teilsystem ein zweites Auslasssystem umfasst, ein Versorgungssystem zum Versorgen des ersten Teilsystems und des zweiten Teilsystems mit Brennstoff und eine Recheneinheit.According to a first aspect of the invention presented, a fuel cell system for converting energy is therefore presented. The presented fuel cell system includes a first subsystem, wherein the first subsystem includes a first outlet system, at least one second subsystem, wherein the second subsystem includes a second outlet system, a supply system for supplying the first subsystem and the second subsystem with fuel, and a computing unit.

Das Versorgungssystem umfasst einen zentralen Tankdruckregler, der dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem und das zweite Teilsystem gemeinsam mit Brennstoff aus einem Tank zu versorgen.The supply system includes a central tank pressure regulator configured to jointly supply the first subsystem and the second subsystem with fuel from a tank.

Das erste Teilsystem und das zweite Teilsystem sind über das Versorgungssystem hydraulisch gekoppelt, und die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, das erste Auslasssystem und das zweite Auslasssystem derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers zu minimieren.The first subsystem and the second subsystem are hydraulically coupled via the supply system, and the computing unit is configured to control the first outlet system and the second outlet system in such a way that they synchronously bring about a pressure reduction on the tank pressure regulator in order to achieve a number of activation cycles of the tank pressure regulator minimize.

Unter einem Auslasssystem ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein System zum Auslass von Fluiden aus einem Teilsystem zu verstehen. Insbesondere umfasst ein Auslasssystem ein Spülventil, d.h. ein sogenanntes Purge-Ventil und ein Auslassventil, d.h. ein sogenanntes Drain-Ventil. Optional kann ein Auslasssystem eine Recheneinheit zum Ansteuern bzw. Regeln des Spülventils und/oder Auslassventils umfassen. Dabei kann die Recheneinheit bspw. dazu konfiguriert sein, das Auslassventil in Abhängigkeit von durch einen Drucksensor in einer Versorgungsleitung des jeweiligen Teilsystems ermittelten Messwerten zu aktivieren.In the context of the presented invention, an outlet system is to be understood as a system for the outlet of fluids from a subsystem. In particular, an outlet system includes a flushing valve, ie a so-called purge valve, and an outlet valve, ie a so-called drain valve. Optionally, an outlet system can have a rake Unit for controlling or regulating the flushing valve and / or outlet valve. The computing unit can, for example, be configured to activate the outlet valve depending on measured values determined by a pressure sensor in a supply line of the respective subsystem.

Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät sowie jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.In the context of the invention presented, a computing unit is understood to mean a computer, a processor, a control device and any other programmable circuit.

Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass der Tankdruckregler des vorgestellten Brennstoffzellensystems dadurch entlastet wird, dass dieser bei mehreren Auslassvorgängen durch mehrere Teilsysteme lediglich einmal einen Druck in dem Versorgungssystem bzw. den Versorgungsleitungen zu den Teilsystemen nachregeln muss. Dazu werden die verschiedenen Auslasssysteme der Teilsysteme derart angesteuert, dass jeweilige durch die Aktivierung der Auslasssysteme erfolgte Druckabfälle in dem Versorgungssystem zeitlich synchron an dem Tankdruckregler ankommen. Dies bedeutet, dass der Tankdruckregler lediglich einen einzelnen Druckverlust erkennt und ein einzelnes Schaltspiel bzw. eine einzelne Einregelung zum Nachführen des Drucks durchführt.The presented invention is based on the principle that the tank pressure regulator of the fuel cell system presented is relieved by the fact that it only has to readjust a pressure in the supply system or the supply lines to the subsystems once during several outlet processes through several subsystems. For this purpose, the various outlet systems of the subsystems are controlled in such a way that the respective pressure drops in the supply system caused by the activation of the outlet systems arrive at the tank pressure regulator in a synchronous manner. This means that the tank pressure regulator only detects a single pressure loss and carries out a single switching cycle or a single adjustment to track the pressure.

Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, einen ersten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und einen zweiten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist, zu ermitteln und das erste Auslasssystem zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt und das zweite Auslasssystem zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt zu aktivieren.It can be provided that the computing unit is configured to determine a first activation time at which the first exhaust system is to be activated and a second activation time at which the second exhaust system is to be activated, and the first exhaust system at the first activation time and that to activate the second exhaust system at the second activation time.

Um zu erreichen, dass jeweilige durch die Aktivierung der Auslasssysteme erfolgte Druckabfälle in dem Versorgungssystem zeitlich synchron an dem Tankdruckregler ankommen, werden die verschiedenen Auslasssysteme der jeweiligen Teilsysteme durch die Recheneinheit aufeinander abgestimmt aktiviert.In order to ensure that any pressure drops in the supply system resulting from the activation of the outlet systems arrive at the tank pressure regulator synchronously, the various outlet systems of the respective subsystems are activated in a coordinated manner by the computing unit.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, beim Ermitteln des ersten Aktivierungszeitpunkts eine erste Gaslaufzeit von dem Tankdruckregler bis zu dem ersten Auslasssystem zu berücksichtigen und beim Ermitteln des zweiten Aktivierungszeitpunkts eine zweite Gaslaufzeit von dem Tankdruckregler bis zu dem zweiten Auslasssystem zu berücksichtigen.It can further be provided that the computing unit is configured to take into account a first gas transit time from the tank pressure regulator to the first outlet system when determining the first activation time and to take into account a second gas transit time from the tank pressure regulator to the second outlet system when determining the second activation time .

Je nach Konfiguration des Versorgungssystems können die verschiedenen Auslasssysteme der jeweiligen Teilsysteme zeitlich synchron aktiviert werden oder, um eine Gaslaufzeit zu berücksichtigen, zeitlich versetzt aktiviert werden. Entsprechend bestimmt die erfindungsgemäß vorgesehene Recheneinheit einen ersten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und einen zweiten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist, in Abhängigkeit einer Konfiguration des Versorgungssystems, die bspw. als Gaslaufzeiten der jeweiligen Teilsysteme in einem Speicher der Recheneinheit hinterlegt sein kann. Dabei entspricht eine Gaslaufzeit eines jeweiligen Auslasssystems bspw. der Zeit, die vergeht, bis eine durch eine Aktivierung des Auslasssystems bedingte Druckänderung in dem Versorgungssystem an dem Tankdruckregler ankommt, d.h. durch den Tankdruckregler zu erfassen ist bzw. den Tankdruckregler zum Einleiten von Brennstoff in das Versorgungssystem zwingt. Da die Gaslaufzeiten jeweiliger Auslasssysteme bzw. jeweiliger Teilsysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems bekannt sind bzw. experimentell bestimmbar sind, können diese in einem Speicher der Recheneinheit hinterlegt sein.Depending on the configuration of the supply system, the various outlet systems of the respective subsystems can be activated synchronously or, to take gas running time into account, activated at a different time. Accordingly, the computing unit provided according to the invention determines a first activation time at which the first exhaust system is to be activated and a second activation time at which the second exhaust system is to be activated, depending on a configuration of the supply system, which, for example, as gas transit times of the respective subsystems in a memory can be stored in the computing unit. A gas running time of a respective outlet system corresponds, for example, to the time that elapses until a pressure change in the supply system caused by an activation of the outlet system arrives at the tank pressure regulator, i.e. can be detected by the tank pressure regulator or the tank pressure regulator for introducing fuel into the supply system forces. Since the gas transit times of respective outlet systems or respective subsystems of the fuel cell system presented are known or can be determined experimentally, these can be stored in a memory of the computing unit.

Bspw. kann eine längere Gaslaufzeit bedingt durch eine längere Versorgungsleitung des zweiten Teilsystems verglichen mit dem ersten Teilsystem dadurch ausgeglichen werden, dass das zweite Auslasssystem früher aktiviert wird als das erste Teilsystem, sodass ein durch das zweite Auslasssystem bewirkter Druckverlust zeitgleich mit einem durch das erste Auslasssystem bewirkten Druckverlust an dem Tankdruckregler zur Wirkung kommt.For example, a longer gas running time due to a longer supply line of the second subsystem compared to the first subsystem can be compensated for by activating the second outlet system earlier than the first subsystem, so that a pressure loss caused by the second outlet system occurs at the same time as a pressure loss caused by the first outlet system caused pressure loss on the tank pressure regulator comes into effect.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit als erste Recheneinheit Teil des ersten Teilsystems und als Master konfiguriert ist und eine zweite Recheneinheit des zweiten Teilsystems als Slave konfiguriert ist, und die erste Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt zu aktivieren und einen Befehl zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt an die zweite Recheneinheit zu übermitteln.It can further be provided that the computing unit is configured as a first computing unit part of the first subsystem and as a master and a second computing unit of the second subsystem is configured as a slave, and the first computing unit is configured to activate the first exhaust system at the first activation time and transmit a command for activating the second exhaust system to the second computing unit at the second activation time.

Durch eine Master/Slave Anordnung kann eine Vielzahl Teilsysteme mit einer entsprechenden Vielzahl von Recheneinheiten untereinander koordiniert werden. Dabei kann die als Master konfigurierte Recheneinheit bspw. Informationen darüber, dass sich ein Teilsystem mit einer als Slave konfigurierten Recheneinheit in einem Betriebszustand befindet, in dem dessen Auslasssystem zu aktivieren ist, von der als Slave konfigurierten Recheneinheit übermittelt bekommen, sodass die als Master konfigurierte Recheneinheit sämtliche Auslasssysteme koordiniert aktivieren kann, wenn ein Auslasssystem eines jeweiligen Teilsystems betriebsbedingt aktiviert werden muss.A master/slave arrangement can be used to coordinate a large number of subsystems with a corresponding number of computing units. The computing unit configured as a master can, for example, receive information about the fact that a subsystem with a computing unit configured as a slave is in an operating state in which its exhaust system is to be activated, from the computing unit configured as a slave, so that the computing unit configured as a master can activate all exhaust systems in a coordinated manner if an exhaust system of a respective subsystem must be activated for operational reasons.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Recheneinheit dazu konfiguriert ist, der zweiten Recheneinheit einen Druckverlauf in einem Mitteldruckbereich des ersten Teilsystems zu übermitteln, und/oder die zweite Recheneinheit dazu konfiguriert ist der ersten Recheneinheit einen Druckverlauf in einem Mitteldruckbereich des zweiten Teilsystems zu übermitteln. Durch einen Austausch über einen Mitteldruckverlauf, d.h. durch einen Drucksensor in dem Versorgungssystem ermittelte Messwerte, zwischen jeweiligen Recheneinheiten der Teilsysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems können die Recheneinheiten die jeweiligen Auslasssysteme der Teilsysteme koordiniert aktivieren, wenn ein jeweiliger Mitteldruckverlauf sämtlicher Mitteldruckverläufe einen für eine Aktivierung eines Auslasssystems charakteristischen bzw. vorgegebenen Verlauf zeigt.It can further be provided that the first computing unit is configured to transmit to the second computing unit a pressure curve in a medium-pressure region of the first subsystem, and/or the second computing unit is configured to transmit to the first computing unit a pressure curve in a medium-pressure region of the second subsystem . By exchanging an average pressure curve, that is to say measured values determined by a pressure sensor in the supply system, between respective computing units of the subsystems of the fuel cell system presented, the computing units can activate the respective outlet systems of the subsystems in a coordinated manner if a respective average pressure curve of all medium pressure curves has a characteristic or . shows the specified course.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das erste Auslasssystem ein erstes Spülventil und/oder ein erstes Auslassventil umfasst, und das zweite Auslasssystem ein zweites Spülventil und/oder ein zweites Auslassventil umfasst.It can further be provided that the first outlet system comprises a first purge valve and/or a first outlet valve, and the second outlet system comprises a second purge valve and/or a second outlet valve.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem und das zweite Auslasssystem dann zu aktivieren, wenn das erste Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, indem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und/oder das zweite Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, in dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist.It can further be provided that the computing unit is configured to activate the first exhaust system and the second exhaust system when the first subsystem is in an operating state in which the first exhaust system is to be activated and / or the second subsystem is in one Operating state in which the second exhaust system is to be activated.

Durch ein Aktivieren sämtlicher Auslasssysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems immer dann, wenn ein jeweiliges Auslasssystem zu aktivieren ist, werden die Betriebszustände der jeweiligen Auslasssysteme einander angenähert, sodass ein mehrmaliges Aktivieren der Auslasssysteme kurz hintereinander vermieden wird.By activating all exhaust systems of the fuel cell system presented whenever a respective exhaust system is to be activated, the operating states of the respective exhaust systems are brought closer to one another, so that multiple activation of the exhaust systems in quick succession is avoided.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren. Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Ansteuern des ersten Auslasssystems und des zweiten Auslasssystems derart, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler zu bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers zu minimieren.According to a second aspect, the presented invention relates to an operating method. The operating method presented includes controlling the first outlet system and the second outlet system in such a way that they synchronously cause a pressure reduction on the tank pressure regulator in order to minimize a number of activation cycles of the tank pressure regulator.

Es kann vorgesehen sein, dass das Ansteuern des ersten Auslasssystems und des zweiten Auslasssystems dann erfolgt, wenn das erste Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, indem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und/oder das zweite Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, in dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist.It can be provided that the activation of the first exhaust system and the second exhaust system takes place when the first subsystem is in an operating state in which the first exhaust system is to be activated and / or the second subsystem is in an operating state in which the second exhaust system needs to be activated.

Durch ein gemeinsames Aktivieren sämtlicher Auslasssysteme des Brennstoffzellensystems, wenn eines der Teilsysteme sich in einem Betriebszustand befindet, in dem dessen Auslasssystem zu aktivieren ist, wird ein mehrmaliges Aktivieren der verschiedenen Auslasssysteme kurz hintereinander vermieden und eine Anzahl an Aktivitätszyklen des Tankdruckreglers minimiert.By jointly activating all exhaust systems of the fuel cell system when one of the subsystems is in an operating state in which its exhaust system is to be activated, multiple activation of the various exhaust systems in quick succession is avoided and a number of activity cycles of the tank pressure regulator is minimized.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Betriebsverfahren das Bestimmen eines ersten Aktivierungszeitpunkts zum Aktivieren des ersten Auslasssystems und eines zweiten Aktivierungszeitpunkts zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems umfasst.It can further be provided that the operating method includes determining a first activation time for activating the first exhaust system and a second activation time for activating the second exhaust system.

Sobald ein erster Aktivierungszeitpunkt und ein zweiter Aktivierungszeitpunkt bestimmt sind, können diese an jeweilige Recheneinheiten des ersten Auslasssystems bzw. des zweiten Auslasssystems übermittelt werden, um die entsprechenden Ventile derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler zu bewirken.As soon as a first activation time and a second activation time have been determined, these can be transmitted to respective computing units of the first outlet system or the second outlet system in order to control the corresponding valves in such a way that they synchronously bring about a pressure reduction on the tank pressure regulator.

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. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a possible design of the fuel cell system presented,
  • 2 a possible design of the operating procedure presented.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein erstes Teilsystem 101 und ein zweites Teilsystem 103.In 1 a fuel cell system 100 is shown. The fuel cell system 100 includes a first subsystem 101 and a second subsystem 103.

Das erste Teilsystem 101 umfasst ein erstes Auslasssystem 105 mit einem ersten kombinierten Auslass-/Spülventil 107 und einer ersten Recheneinheit 109, die zum Steuern bzw. Regeln des ersten Auslasssystems 105 konfiguriert ist.The first subsystem 101 includes a first outlet system 105 with a first combined outlet/flushing valve 107 and a first computing unit 109, which is configured to control the first outlet system 105.

Das zweite Teilsystem 103 umfasst ein zweites Auslasssystem 111 mit einem zweiten kombinierten Auslass-/Spülventil 113 und einer zweiten Recheneinheit 115, die zum Steuern bzw. Regeln des zweiten Auslasssystems 111 konfiguriert ist.The second subsystem 103 includes a second outlet system 111 with a second combined outlet/flushing valve 113 and a second computing unit 115, which is configured to control the second outlet system 111.

Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein Versorgungssystem 117 zum Versorgen des ersten Teilsystems 101 und des zweiten Teilsystems 103 mit Brennstoff. Das Versorgungssystem 117 umfasst einen zentralen Tankdruckregler 119, der dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem 101 und das zweite Teilsystem 103 gemeinsam mit Brennstoff aus einem Tank 121 zu versorgen.Furthermore, the fuel cell system 100 includes a supply system 117 for supplying the first subsystem 101 and the second subsystem 103 with fuel. The supply system 117 includes a central tank pressure regulator 119, which is configured to supply the first subsystem 101 and the second subsystem 103 together with fuel from a tank 121.

Das erste Teilsystem 101 und das zweite Teilsystem 103 sind über das Versorgungssystem hydraulisch gekoppelt.The first subsystem 101 and the second subsystem 103 are hydraulically coupled via the supply system.

Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Recheneinheit 123, die dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem 105 und das zweite Auslasssystem 111 derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler 119 bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers 119 zu minimieren. Dazu ist die Recheneinheit 123 als übergeordnete Kontrolleinheit mit der ersten Recheneinheit 109 und der zweiten Recheneinheit 115 kommunikativ verbunden, sodass die Recheneinheit 123, die erste Recheneinheit 109 und die zweite Recheneinheit 115 Signale, wie bspw. Sensorwerte von einem ersten Drucksensor 125 des ersten Teilsystems 101 und/oder Sensorwerte von einem zweiten Drucksensor 127 des zweiten Teilsystems 103 und/oder Steuerungsbefehle zum Aktivieren des ersten Auslasssystems 105 bzw. des zweiten Auslasssystems 111, d.h. zum Öffnen des Auslass-/Spülventils 107 und/oder des Auslass-/Spülventils 113 austauschen.Furthermore, the fuel cell system 100 includes a computing unit 123, which is configured to control the first outlet system 105 and the second outlet system 111 in such a way that they synchronously bring about a pressure reduction on the tank pressure regulator 119 in order to minimize a number of activation cycles of the tank pressure regulator 119. For this purpose, the computing unit 123, as a higher-level control unit, is communicatively connected to the first computing unit 109 and the second computing unit 115, so that the computing unit 123, the first computing unit 109 and the second computing unit 115 receive signals, such as sensor values from a first pressure sensor 125 of the first subsystem 101 and/or exchange sensor values from a second pressure sensor 127 of the second subsystem 103 and/or control commands for activating the first outlet system 105 or the second outlet system 111, i.e. for opening the outlet/flushing valve 107 and/or the outlet/flushing valve 113.

In 2 ist ein Betriebsverfahren 200 zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 gemäß 1 dargestellt. Das Betriebsverfahren 200 umfasst einen Bestimmungsschritt 201, bei dem ein erster Aktivierungszeitpunkt zum Aktivieren des ersten Auslasssystems 105 und ein zweiter Aktivierungszeitpunkt zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems 111 bestimmt wird.In 2 is an operating method 200 for operating the fuel cell system 100 according to 1 shown. The operating method 200 includes a determination step 201, in which a first activation time for activating the first exhaust system 105 and a second activation time for activating the second exhaust system 111 are determined.

Dabei wird der erste Aktivierungszeitpunkt in Abhängigkeit einer Gaslaufzeit zwischen dem Tankdruckregler 119 und dem ersten Auslass-/Spülventil 107 ermittelt. Weiterhin wird der zweite Aktivierungszeitpunkt in Abhängigkeit einer Gaslaufzeit wischen dem Tankdruckregler 119 und dem zweiten Auslass-/Spülventil 113 ermittelt.The first activation time is determined depending on a gas transit time between the tank pressure regulator 119 and the first outlet/flushing valve 107. Furthermore, the second activation time is determined depending on a gas transit time between the tank pressure regulator 119 and the second outlet/flushing valve 113.

Ferner umfasst das Betriebsverfahren 200 einen Aktivierungsschritt 203, bei dem das erste Auslasssystem 105 zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt aktiviert wird und das zweite Auslasssystem 111 zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt aktiviert wird. Vorliegend sind der erste Aktivierungszeitpunkt und der zweite Aktivierungszeitpunkt aufgrund identischer Versorgungsleitungsgeometrien identisch, sodass das erste Auslasssystem 105 und das zweite Auslasssystem 111 zeitlich synchron aktiviert werden.Furthermore, the operating method 200 includes an activation step 203, in which the first exhaust system 105 is activated at the first activation time and the second exhaust system 111 is activated at the second activation time. In the present case, the first activation time and the second activation time are identical due to identical supply line geometries, so that the first outlet system 105 and the second outlet system 111 are activated synchronously in time.

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (100) zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - ein erstes Teilsystem (101), wobei das erste Teilsystem (101) ein erstes Auslasssystem (105) umfasst, - mindestens ein zweites Teilsystem (103), wobei das zweite Teilsystem (103) ein zweites Auslasssystem (111) umfasst, - ein Versorgungssystem (117) zum Versorgen des ersten Teilsystems (101) und des zweiten Teilsystems (103) mit Brennstoff, - eine Recheneinheit (123), wobei das Versorgungssystem (117) einen zentralen Tankdruckregler (119) umfasst, der dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem (101) und das zweite Teilsystem (103) gemeinsam mit Brennstoff aus einem Tank (121) zu versorgen, wobei das erste Teilsystem (101) und das zweite Teilsystem (103) über das Versorgungssystem (117) hydraulisch gekoppelt sind, und wobei die Recheneinheit (123) dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem (101) und das zweite Auslasssystem (103) derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler (119) bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers zu minimieren.Fuel cell system (100) for converting energy, the fuel cell system (100) comprising: - a first subsystem (101), wherein the first subsystem (101) comprises a first outlet system (105), - at least one second subsystem (103), the second subsystem (103) comprising a second outlet system (111), - a supply system (117) for supplying the first subsystem (101) and the second subsystem (103) with fuel, - a computing unit (123), wherein the supply system (117) comprises a central tank pressure regulator (119) which is configured to supply the first subsystem (101) and the second subsystem (103) together with fuel from a tank (121), wherein the first subsystem (101) and the second subsystem (103) are hydraulically coupled via the supply system (117), and wherein the computing unit (123) is configured to control the first outlet system (101) and the second outlet system (103) in such a way that they synchronously cause a pressure reduction on the tank pressure regulator (119) in order to minimize a number of activation cycles of the tank pressure regulator. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (123) dazu konfiguriert ist, einen ersten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das erste Auslasssystem (105) zu aktivieren ist und einen zweiten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das zweite Auslasssystem (111) zu aktivieren ist, zu ermitteln und das erste Auslasssystem (105) zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt und das zweite Auslasssystem (111) zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt zu aktivieren.Fuel cell system (100). Claim 1 , characterized in that the computing unit (123) is configured to determine a first activation time at which the first exhaust system (105) is to be activated and a second activation time at which the second exhaust system (111) is to be activated and that to activate the first exhaust system (105) at the first activation time and the second exhaust system (111) at the second activation time. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (123) dazu konfiguriert ist, beim Ermitteln des ersten Aktivierungszeitpunkts eine erste Gaslaufzeit von dem Tankdruckregler (119) bis zu dem ersten Auslasssystem (105) zu berücksichtigen und beim Ermitteln des zweiten Aktivierungszeitpunkts eine zweite Gaslaufzeit von dem Tankdruckregler (119) bis zu dem zweiten Auslasssystem (111) zu berücksichtigen.Fuel cell system (100). Claim 2 , characterized in that the computing unit (123) is configured to take into account a first gas transit time from the tank pressure regulator (119) to the first outlet system (105) when determining the first activation time and a second gas transit time from the tank pressure regulator when determining the second activation time (119) up to the second outlet system (111). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (123) als erste Recheneinheit (109) Teil des ersten Teilsystems (101) und als Master konfiguriert ist und eine zweite Recheneinheit (115) des zweiten Teilsystems (103) als Slave konfiguriert ist, und die erste Recheneinheit (109) dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem (105) zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt zu aktivieren und einen Befehl zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems (111) zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt an die zweite Recheneinheit (115) zu übermitteln.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the computing unit (123) is the first Computing unit (109) is part of the first subsystem (101) and is configured as a master and a second arithmetic unit (115) of the second subsystem (103) is configured as a slave, and the first arithmetic unit (109) is configured to control the first outlet system (105 ) to activate at the first activation time and to transmit a command for activating the second outlet system (111) to the second activation time to the second computing unit (115). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Recheneinheit (109) dazu konfiguriert ist der zweiten Recheneinheit (115) einen Druckverlauf in einem Mitteldruckbereich des ersten Teilsystems (101) zu übermitteln, und/oder die zweite Recheneinheit (115) dazu konfiguriert ist der ersten Recheneinheit (109) einen Druckverlauf in einem Mitteldruckbereich des zweiten Teilsystems (103) zu übermitteln.Fuel cell system (100). Claim 4 , characterized in that the first computing unit (109) is configured to transmit to the second computing unit (115) a pressure curve in a medium pressure range of the first subsystem (101), and / or the second computing unit (115) is configured to the first computing unit ( 109) to transmit a pressure curve in a medium pressure area of the second subsystem (103). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Auslasssystem (105) ein erstes Spülventil (107) und/oder ein erstes Auslassventil (107) umfasst, und das zweite Auslasssystem (111) ein zweites Spülventil (113) und/oder ein zweites Auslassventil (113) umfasst.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first outlet system (105) comprises a first purge valve (107) and/or a first outlet valve (107), and the second outlet system (111) comprises a second purge valve (113) and/or a second outlet valve (113). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (123) dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem (105) und das zweite Auslasssystem (111) dann zu aktivieren, wenn das erste Teilsystem (101) sich in einem Betriebszustand befindet, indem das erste Auslasssystem (105) zu aktivieren ist und/oder das zweite Teilsystem (103) sich in einem Betriebszustand befindet, in dem das zweite Auslasssystem (111) zu aktivieren ist.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the computing unit (123) is configured to activate the first outlet system (105) and the second outlet system (111) when the first subsystem (101) is in one Operating state is in which the first outlet system (105) is to be activated and / or the second subsystem (103) is in an operating state in which the second outlet system (111) is to be activated. Betriebsverfahren (200) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Betriebsverfahren umfasst: - Ansteuern (203) des ersten Auslasssystems (105) und des zweiten Auslasssystems (111) derart, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler (119) bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers (119) zu minimieren.Operating method (200) for operating a fuel cell system (100) according to one of Claims 1 until 7 , wherein operating methods include: - Activating (203) the first outlet system (105) and the second outlet system (111) in such a way that they synchronously bring about a pressure reduction on the tank pressure regulator (119) in order to increase a number of activation cycles of the tank pressure regulator (119). minimize. Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, das Ansteuern (203) des ersten Auslasssystems (105) und des zweiten Auslasssystems (111) dann erfolgt, wenn das erste Teilsystem (101) sich in einem Betriebszustand befindet, indem das erste Auslasssystem (105) zu aktivieren ist und/oder das zweite Teilsystem (103) sich in einem Betriebszustand befindet, in dem das zweite Auslasssystem (111) zu aktivieren ist.Operating procedures Claim 8 , characterized in that the activation (203) of the first outlet system (105) and the second outlet system (111) takes place when the first subsystem (101) is in an operating state in which the first outlet system (105) is to be activated and/or the second subsystem (103) is in an operating state in which the second outlet system (111) is to be activated. Betriebsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsverfahren ferner umfasst: - Bestimmen (201) eines ersten Aktivierungszeitpunkts zum Aktivieren des ersten Auslasssystems (105) und eines zweiten Aktivierungszeitpunkts zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems (111).Operating procedures Claim 8 or 9 , characterized in that the operating method further comprises: - determining (201) a first activation time for activating the first exhaust system (105) and a second activation time for activating the second exhaust system (111).
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