DE102022210746A1

DE102022210746A1 - Anodenversorgungsverfahren sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022210746A1
Application number: DE102022210746.2A
Authority: DE
Inventors: Silvia Calvo Zueco; Mark Hellmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen einer Anode eines Brennstoffzellenstapels durch eine Anodenversorgung eines Brennstoffzellenaggregats insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei durch die Anodenversorgung wenigstens ein Wasserstoffdosierventil eines Anoden-Versorgungspfads der Anodenversorgung gemäß eines Betriebsbereichs (N, T, V) des Brennstoffzellenstapels betrieben wird, wobei wenigstens ein Wasserstoffdosierventil in einem Betriebsbereich (N, T, V) des Brennstoffzellenstapels gepulst betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen einer Anode eines Brennstoffzellenstapels durch eine Anodenversorgung, sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer Anodenversorgung für einen Brennstoffzellenstapel. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Stand der Technik
In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats (stationär oder mobil) z. B. eines Brennstoffzellensystems bspw. eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet (Brennstoffzellenstapel bzw. Stack mit einer Mehrzahl von Einzel-Brennstoffzellen (Einzelzellen)).
Aufgabenstellung
Aufgrund eines für eine Anodenversorgung eines Brennstoffzellenaggregats insbesondere aufgrund dessen Brennstoffzellenstapels zu überwindenden Druckverlusts, ist ein mittels der Anodenversorgung durch den Brennstoffzellenstapel hindurch förderbarer Massenstrom zu kleinen und großen Massenströmen hin physikalisch begrenzt. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Erweiterung eines Betriebsbereichs eines Brennstoffzellenstapels durch dessen Brennstoffzellensystem für kleine Massenströme der Anodenversorgung anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Versorgen einer Anode eines Brennstoffzellenstapels durch eine Anodenversorgung eines Brennstoffzellenaggregats; mittels eines Brennstoffzellensystems mit einer Anodenversorgung für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellenaggregats des Brennstoffzellensystems; sowie ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem oder ein Brennstoffzellenfahrzeug gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Anodenversorgung wenigstens ein Wasserstoffdosierventil eines Anoden-Versorgungspfads der Anodenversorgung gemäß der Betriebsbereiche des Brennstoffzellenstapels betrieben (offen, geschlossen), wobei wenigstens ein Wasserstoffdosierventil in einem Betriebsbereich des Brennstoffzellenstapels gepulst (getaktet) betrieben wird. - Dieser Betriebsbereich kann als ein anderweitig sonst nicht betreibbarer und nicht betriebener Betriebsbereich des Brennstoffzellenstapels, als ein vom Wasserstoffdosierventil nicht kontinuierlich betreibbarer und nicht kontinuierlich betriebener Betriebsbereich, und/oder als ein vom Wasserstoffdosierventil lediglich gepulst betreibbarer und betriebener Betriebsbereich ausgebildet sein.
Das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil kann in einem Niedriglastbereich gepulst, in einem Teillastbereich gepulst oder kontinuierlich, und/oder in einem Vollastbereich gepulst oder kontinuierlich betrieben werden. Hierbei kann das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil in einem unteren Teillastbereich insbesondere gepulst und in einem oberen Teillastbereich insbesondere kontinuierlich betrieben werden. Dies kann analog auf einen Vollastbereich angewendet sein. Ferner kann das Wasserstoffdosierventil als ein Bypass-Wasserstoffdosierventil in einem Niedriglastbereich geschlossen sein, in einem Teillastbereich geschlossen sein oder gepulst oder kontinuierlich betrieben werden, und/oder in einem Vollastbereich gepulst oder kontinuierlich betrieben werden.
Ferner kann das Wasserstoffdosierventil als ein kontinuierliches Ventil in einem Niedriglastbereich gepulst, in einem Teillastbereich kontinuierlich und in einem Vollastbereich kontinuierlich betrieben werden. Ferner kann das Wasserstoffdosierventil als ein getaktetes Ventil in einem Niedriglastbereich, in einem Teillastbereich und in einem Vollastbereich gepulst betrieben werden. Des Weiteren kann ein Bypass-Wasserstoffdosierventil in einem Niedriglastbereich und in einem Teillastbereich geschlossen sein, und in einem Vollastbereich als ein kontinuierliches Ventil kontinuierlich oder als ein getaktetes Ventil gepulst betrieben werden. - Das erfindungsgemäße Anodenversorgungsverfahren kann mittels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst eine Anodenversorgung, welche einen Anoden-Versorgungspfad, einem Anoden-Abgaspfad und bevorzugt eine diese verbindende Anoden-Rezirkulationsleitung aufweist, mittels welcher (Anodenversorgung) bzw. welchen eine Anode des Brennstoffzellenstapels mit einem Anoden-Betriebsmedium versorgbar ist und/oder versorgt wird, wobei wenigstens ein Wasserstoffdosierventil des Anoden-Versorgungspfads vom Brennstoffzellensystem gepulst (getaktet) betreibbar ist und/oder in einem Betrieb der Anodenversorgung in einem Betriebsbereich des Brennstoffzellenstapels gepulst betrieben wird. Hierbei kann das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil das wenigstens einer Strahlpumpe oder das eines Strahlpumpenbypasses sein. Und es ist natürlich möglich, das Wasserstoffdosierventil in diesem Betriebsbereich nicht gepulst zu betreiben.
Ein solcher Betriebsbereich ist dadurch gekennzeichnet, dass er als ein anderweitig sonst nicht betreibbarer und/oder betriebener Niedriglastbereich des Brennstoffzellenstapels, als ein vom Wasserstoffdosierventil nicht kontinuierlich betreibbarer und/oder betriebener Niedriglastbereich, und/oder als ein vom Wasserstoffdosierventil lediglich gepulst betreibbarer und/oder betriebener Niedriglastbereich ausgebildet ist. Hierbei ist der Niedriglastbereich (bzw. ein Anschnitt davon) z. B. derart definiert, dass er im Stand der Technik nicht ansteuerbar war, d. h. der Brennstoffzellenstapel in diesem Niedriglastbereich (bzw. Anschnitt davon) weder betreibbar war noch betrieben worden ist.
Das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil kann in einem Niedriglastbereich des Brennstoffzellenstapels gepulst betreibbar sein und/oder im Betrieb der Anodenversorgung gepulst betrieben werden. Ferner kann es in einem Teillastbereich des Brennstoffzellenstapels gepulst betreibbar sein und/oder im Betrieb der Anodenversorgung gepulst betrieben werden. Hierbei kann der Teillastbereich als ein lediglich unterer und ggf. mittlerer Teillastbereich des Brennstoffzellenstapels ausgebildet sein. Des Weiteren kann das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil in einem Volllastbereich des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich oder gepulst betreibbar sein und/oder im Betrieb der Anodenversorgung kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.
Das Wasserstoffdosierventil kann stromaufwärts der Strahlpumpe im Anoden-Versorgungspfad eingerichtet sein. Hierbei kann das Wasserstoffdosierventil in einer Baueinheit mit der Strahlpumpe oder getrennt davon vorgesehen sein. Im Anoden-Versorgungspfad können eine Mehrzahl von Wasserstoffdosierventilen parallel geschaltet eingerichtet sein. Ferner kann ein zusätzliches Bypass-Wasserstoffdosierventil in einem Strahlpumpenbypass des Anoden-Versorgungspfads eingerichtet sein. Hierbei ist im Strahlpumpenbypass natürlich insbesondere keine Strahlpumpe eingerichtet. Ferner ist der Strahlpumpenbypass natürlich parallel geschaltet zu der wenigstens einen Strahlpumpe im Anoden-Versorgungspfad eingerichtet.
Das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil kann als ein kontinuierliches Ventil oder ein getaktetes Ventil ausgebildet sein. Je nach einer Anforderung kann das kontinuierliche Ventil in einem kontinuierlichen oder gepulsten Betrieb angesteuert werden. Und je nach einer Anforderung kann das das getaktete Ventil in einem gepulsten Betrieb angesteuert werden. Das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil der Mehrzahl der Wasserstoffdosierventile kann als ein kontinuierliches Ventil ausgebildet sein. Hierbei können auch alle Wasserstoffdosierventile als kontinuierliche Ventils ausgebildet sein. Das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil der Mehrzahl der Wasserstoffdosierventile kann als ein getaktetes Ventil ausgebildet sein. Analog können hierbei auch alle Wasserstoffdosierventile als getaktete Ventile ausgebildet sein.
Im Anoden-Versorgungspfad kann genau oder wenigstens eine Strahlpumpe eingerichtet sein. Ferner können im Anoden-Versorgungspfad genau oder wenigstens zwei Strahlpumpen eingerichtet sein. Die Anoden-Rezirkulationsleitung kann frei von einer Fluid-Fördereinrichtung, insbesondre frei von einem Wasserstoff-Rezirkulationsgebläse, sein. Ferner kann die Anoden-Rezirkulationsleitung von einem Wasserabscheider der Anodenversorgung oder stromaufwärts des Wasserabscheiders stromaufwärts vor den Brennstoffzellenstapel führen. Hierbei mündet die Anoden-Rezirkulationsleitung in einer Strahlpumpe, insbesondre in lediglich einer einzigen Strahlpumpe. - Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Versorgen einer Anode eines Brennstoffzellenstapels durchführbar sein und/oder durchgeführt werden.
Gemäß der Erfindung ergibt sich ein erweiterter Betriebsbereich eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems insbesondere mit einer passiven Rezirkulation eines Anoden-Betriebsmediums. Hierbei kann eine Fluid-Fördereinrichtung in einer Anoden-Rezirkulationsleitung ggf. vollständig entfallen. Ferner ergibt sich durch die Erfindung ein reduzierter elektrischer Leistungsbedarf (keine Fluid-Fördereinrichtung bzw. seltenere Ansteuerung einer Fluid-Fördereinrichtung bzw. kleine Ausführungsform einer Fluid-Fördereinrichtung etc.).
Eine Effizienz des Brennstoffzellensystems steigt aufgrund eines geringeren Wasserstoff-Verbrauchs. Ferner ermöglicht die Erfindung ggf. eine Abdeckung aller relevanter Subsystemzustände und ein verbessertes Zusammenspiel von Aktoren, eine erhöhte Lebensspanne eines Brennstoffzellenaggregats, eine verbesserte Performanz (z. B. Trocknung für Gefrierstart) etc. - All dies wirkt sich positiv auf eine Anschaffung und/oder die Betriebskosten eines Brennstoffzellensystems aus.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal ggf. (Fachmann) optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs,
die 2 in einem Liniendiagramm eine Erweiterung eines Betriebsbereichs (Stand der Technik: durchgezogene Linie, Erfindung: gestrichelte Linie) eines Brennstoffzellenstapels durch dessen Brennstoffzellensystem, und
die 3 bis 5 jeweils in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform einer Anodenversorgung für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellenaggregats des Brennstoffzellensystems.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand eines Verfahrens (vgl. die 2) zum Versorgen einer Anode 140 eines Brennstoffzellenstapels 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 sowie anhand von drei Ausführungsformen einer Anodenversorgung 100 (vgl. die 3 bis 5) für einen Brennstoffzellenstapel 10 und insbesondere für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondre kann die Erfindung auch auf ein anderes mobiles oder ein stationäres Brennstoffzellenaggregat 1 bzw. Brennstoffzellensystem angewendet sein.
Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10 gebündelten elektrochemischen Einzel-Brennstoffzellen 11 (Einzelzellen 11), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen als Anodenraum 12 ausgebildeten Elektrodenraum 12 und einen als Kathodenraum 13 ausgebildeten Elektrodenraum 13, die von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind.
Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und Kathodenraums 13 ist jeweils eine Bipolarplatte 14 angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert. - Die Kathodenräume 13 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Kathode und die Anodenräume 12 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Anode 140 des Brennstoffzellenstapels 10.
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit seinen eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium, meist Luft) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einem Druckminderer, einem Absperrventil und/oder einem Dosierventil 27 (beispielhaft) und einem Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgasmedium 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgasmedium 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2), mit bevorzugt einer Turbine 34, insbesondere für die Fluid-Fördereinrichtung 33; bevorzugt einen Feuchteübertrager 36, insbesondere ein Gas-zu-Gas-Befeuchter 36; ggf. einen kathodenseitigen Stapelbypass 35 (Wastegate 35) zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22, mit einem Bypassventil 135; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40 eines Thermalsystems insbesondere des Brennstoffzellenfahrzeugs, durch welche hindurch der Brennstoffzellenstapel 10 bevorzugt mittels seiner Bipolarplatten 14 (Kühlmediumpfade 43) in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 44.
Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs selbst sein kann.
Es sind verschiedene Topologien für eine Anodenversorgung 20, oft auch als Hydrogensystem 20 bezeichnet, eines Brennstoffzellenaggregats 1 bekannt, wie z. B. Anodenversorgungen 20 mit aktiver Rezirkulation (Fluid-Fördereinrichtung 26, insbesondere Wasserstoff-Rezirkulationsgebläse 26), mit passiver Rezirkulation, mit aktiver und passiver Rezirkulation, mit einer oder mehreren Stellen zur Abführung von Anodenkondensat, mit getrennten oder kombinierten Purge- und Drainventilen etc.
Eine Anodenversorgung 20 mit passiver Rezirkulation ist in der Regel mit einer Strahlpumpe 24 (Jet-Pump 24) ausgestattet (vgl. 1 die Anoden-Rezirkulationsleitung 25 ohne die Fluid-Fördereinrichtung 26). Ein Primär-Massenstrom eines Wasserstoffdosierventils (27) wird dabei genutzt, einen Sekundär-Massenstrom (Rezirkulations-Massenstrom) zu fördern. Die durch einfache Strahlpumpen-Anordnungen mit z. B. einem Wasserstoffdosierventil (27) und einer Strahlpumpe 24 mit fixer Geometrie förderbaren Massenströme sind zu kleinen und großen Massenströmen hin physikalisch begrenzt.
Vgl. die 2, welche einen maximal überwindbaren Druckverlust (Hochachse: Δp) für ein Wasserstoffdosierventil (27) und eine Strahlpumpe 24 in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt eines Brennstoffzellenaggregats 1 darstellt (Rechtsachse: elektrischer Strom I eines Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellenaggregats 1). Im Stand der Technik (durchgezogene Linie) können elektrische Lasten kleiner I₂ und größer I₄ durch den Brennstoffzellenstapel 10 nicht realisiert werden.
So wird z. B. bei einem abnehmenden Primär-Massenstrom weniger Sekundär-Massenstrom gefördert. Bei Unterschreiten eines bestimmten Primär-Massenstroms findet keine Förderung des Sekundär-Massenstroms mehr statt, was eine untere Grenze der passiven Rezirkulation markiert (vgl. 2 das eine Ende der durchgezogenen Linie bei I₂). Bei einem zunehmenden Primär-Massenstrom nimmt ein Gesamt-Massenstrom in einem Mischrohr der Strahlpumpe 24 immer weiter zu, bis Schallgeschwindigkeit des Mediums im engsten Querschnitt erreicht wird. Eine weitere Erhöhung des Massenstroms ist nicht möglich, was eine obere Grenze der passiven Rezirkulation markiert (vgl. 2 das andere Ende der Linien bei I₄).
Gemäß der Erfindung soll ein Betriebsbereich eines Brennstoffzellenaggregats 1 eines Brennstoffzellensystems, in welchem dessen Brennstoffzellenstapel 10 betreibbar ist, d. h. in welchem der Brennstoffzellenstapel 10 nennenswerten elektrischen Strom liefern kann, erweitert sein. Hierbei weist eine Anodenversorgung 100 des Brennstoffzellenaggregats 1 wenigstens ein Wasserstoffdosierventil 120, wenigstens eine Strahlpumpe 130 und bevorzugt keine Fluid-Fördereinrichtung 26 in einer vorhandenen Anoden-Rezirkulationsleitung 150 auf. Es ist natürlich möglich, eine Fluid-Fördereinrichtung 26, z. B. ein Wasserstoff-Rezirkulationsgebläse 26, anzuwenden.
Hierbei kann das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil 120 als ein kontinuierliches Ventil 120 oder ein getaktetes Ventil 120 ausgebildet sein. Kommt mehr als ein Wasserstoffdosierventil 120, z. B. in einem aufgefächerten Anoden-Versorgungspfad 21 zur Anwendung (vgl. die 4 und 5), so kann wenigstens ein kontinuierliches Ventil 120 und wenigstens ein getaktetes Ventil 120 zur Anwendung kommen. Natürlich ist es möglich, bei mehr als einem Wasserstoffdosierventil 120 lediglich eine Mehrzahl von kontinuierlichen Ventilen 120 oder lediglich eine Mehrzahl von getakteten Ventilen 120 anzuwenden.
Gemäß der Erfindung wird ein herkömmlich angesteuerter oder eingeregelter Niedriglastbereich (kein Bezugszeichen, 2: durchgezogene Linie in einem Bereich größer I₂ bis etwas größer I₂) und/oder Teillastbereich (kein Bezugszeichen, 2: durchgezogene Linie in einem Bereich deutlich größer I₂ bis I₃) eines Brennstoffzellenstapels 10 durch einen erfindungsgemäßen Betrieb eines Wasserstoffdosierventils 120 erweitert, wofür das Wasserstoffdosierventil 120 gepulst (getaktet) dosierend betreibbar ist bzw. betrieben wird. D. h. das Wasserstoffdosierventil 120 ist derart betreibbar bzw. wird derart betrieben, dass das Wasserstoffdosierventil 120 durch das Brennstoffzellensystem herkömmlich (kontinuierlich dosierend) und je nach Anforderung gepulst betreibbar ist bzw. betrieben wird.
Hierbei erfolgt der gepulste Betrieb insbesondere in einem erfindungsgemäßen Niedriglastbereich N (2: gestrichelte Linie in einem Bereich kleiner I₂) und/oder im erfindungsgemäßen Teillastbereich T (2: gestrichelte Linie in einem Bereich größer I₂) des Brennstoffzellenstapels 10. Hierbei beziehen sich die Angaben des Niedriglastbereichs N, des Teillastbereichs T und eines Volllastbereichs V auf die Erfindung, wobei im Stand der Technik ein erfindungsgemäßer Niedriglastbereich N nicht umsetzbar ist bzw. ein Beginn des erfindungsgemäßen Teillastbereichs T mit einem Niedriglastbereich (2: größer I₂) des Stands der Technik identifiziert werden kann.
Das Wasserstoffdosierventil 120, vgl. 3 bis 5, ist dabei bevorzugt an eine Strahlpumpe 130 fluidmechanisch angeschlossen, wobei das Wasserstoffdosierventil 120 insbesondere derselben Fluidleitung angehört wie die Strahlpumpe 130. Das Wasserstoffdosierventil 120 ist dabei stromaufwärts der Strahlpumpe 130 im Anoden-Versorgungspfad 21 eingerichtet. Natürlich kann die Strahlpumpe 130 mit dem Wasserstoffdosierventil 120 eine bauliche Einheit 120, 130 bilden. Es können auch, vgl. 5, eine Mehrzahl von Strahlpumpen 130; 131, 132 mit zugehörigen Wasserstoffdosierventilen 120; 121, 122 zur Anwendung kommen, wobei die Strahlpumpen 130; 131, 132 und somit natürlich auch die Wasserstoffdosierventile 120; 121, 122, (128 (Strahlpumpenbypass 180)) parallel geschaltet im Anoden-Versorgungspfad 21 eingerichtet sind.
Hierbei wird z. B. ein kontinuierliches Wasserstoffdosierventil 120 bei Unterschreiten eines bestimmten Betriebszustands, z. B. bei einem bestimmten elektrischen Strom I des Brennstoffzellenstapels 10 und/oder einem bestimmtem Massenstrom durch das Wasserstoffdosierventil 120, die Anoden-Rezirkulationsleitung 150 und/oder die Strahlpumpe 130 hindurch, nicht mehr, wie im Stand der Technik, kontinuierlich, sondern erfindungsgemäß gepulst betrieben. Dadurch wird das Betriebsverhalten der mit diesem Wasserstoffdosierventil 120 verbundenen Strahlpumpe 130 verbessert und eine Rezirkulation bei sehr kleinen Lasten des Brennstoffzellenstapels 10 ermöglicht, welche im Stand der Technik nicht möglich sind bzw. waren.
Statt einem kontinuierlichen, also einem kontinuierlich arbeitenden bzw. ansteuerbaren, Wasserstoffdosierventil 120 kann natürlich auch ein getaktetes, also ein getaktet arbeitendes bzw. ansteuerbares, oder auch ein anderweitiges Wasserstoffdosierventil 120 zu Anwendung kommen. - Gemäß der Erfindung verschiebt sich ein Niedriglastbereich aus dem Stand der Technik (kein Bezugszeichen) in einen Niedrigstlastbereich (erfindungsgemäßer Niedriglastbereich N) des Brennstoffzellenstapels 10. Analog kann sich ein Teillastbereich aus dem Stand der Technik in einen niedrigeren erfindungsgemäßen Teillastbereich T bzw. sogar den erfindungsgemäßen Niedriglastbereich N verschieben.
Gemäß der Erfindung kann z. B. ein Wasserstoffdosierventil 120 im erfindungsgemäßen Niedriglastbereich N und/oder z. B in einem unteren Teillastbereich T gepulst und bevorzugt in einem oberen Teillastbereich T und/oder einem Vollastbereich V kontinuierlich betrieben werden. Hierdurch ergibt eine deutliche Verbesserung einer Niedrig- und/oder Teillastfähigkeit im Vergleich zu einem ausschließlich kontinuierlichen Betrieb des Wasserstoffdosierventils aus dem Stand der Technik. - D. h. gemäß der Erfindung erfolgt eine Erweiterung des Betriebsbereichs hin zu kleineren Lasten durch den gepulsten Betrieb des Wasserstoffdosierventils 120 (2: gestrichelte Line).
Ferner ergibt sich eine Verbesserung im Vollastbereich V in einem Vergleich zu einem ausschließlich gepulsten Betrieb, indem im Vollastbereich V das Wasserstoffdosierventil 120 kontinuierlich, d. h. nicht gepult betrieben wird. Hierdurch lassen sich Druckdifferenzspitzen vermeiden. Ein Systemdruck schwankt im gepulsten Betrieb Brennstoffzellenstapels 10 um einen Mittelwert herum, was bei hohen Lasten bzw. Massenströmen zu einer zusätzlichen Belastung der Membranen der Membran-Elektroden-Einheiten 15 bei ohnehin großen Druckdifferenzen zwischen der Anode 140 und der Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 führen kann.
Der erfindungsgemäße, gepulste Betrieb des betreffenden Wasserstoffdosierventils 120 stellt eine Möglichkeit dar einen Kennfeldbereich der betreffenden Strahlpumpe 130 in Richtung kleinerer Primär-Massenströme durch Nutzung eines nichtlinearen Verhaltens des betreffenden Wasserstoffdosierventils 120 in einem unteren Grenzbereich zu erweitern. - Durch den gepulsten Betrieb können ferner evtl. vorhandene Wassertropfen in einem Anodenflussfeld des Brennstoffzellenstapels 10 z. B. sukzessive und/der langsam in Richtung einem Austritt der Anode 140 bewegt werden. Hierdurch sinkt ein Risiko einer Flutung der Anode 140.
Ein durchgehend gepulster Betrieb bis in den Vollastbereich V (vgl. die 2) des Brennstoffzellenstapels 10 hinein oder im Vollastbereich V kann Nachteile haben. Im Teillastbereich T und darunter sind die Differenzdrücke insbesondere in der Anode 140 aufgrund des gepulsten Betriebs des Wasserstoffdosierventils 120 in der Regel unkritisch, d. h. klein und Druckspitzen durch den gepulsten Betrieb des Wasserstoffdosierventils 120 sind zulässig. Bei hoher Last trifft dies ggf. nicht mehr zu. D. h. in so einem Fall sollte das Wasserstoffdosierventil 120 vom gepulsten Betrieb auf kontinuierlichen Betrieb umgestellt werden.
Eine Ansteuerung der Aktoren des Brennstoffzellenaggregats 1 hängt in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10 von einem elektrischen Strom I des Brennstoffzellenstapels 10 und einem erforderlichen Rezirkulations-Massenstrom ab. Dabei gilt es auch einen minimalen Anoden-Massenstrom zu beachten, um einen Mindest-Massenstrom sicherzustellen (Vermeidung einer Flutung der Anode 140 etc.). Dieser minimale Massenstrom ist abhängig von einem Typ des Brennstoffzellenaggregats 1 und einer Dichte des Anodengases 3, 4. Ein minimaler elektrischer Strom I₁ hängt von den Spannungen der Einzelzellen 11 (vermeiden einer Leerlaufspannung) und vom Zustand sowie den generellen Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels 10 ab.
Die anwendbaren Anodenversorgungen 100 können sich in einer Anzahl und/oder einer Art der Wasserstoffdosierventile 120, einer Anzahl und/oder einer Art der Strahlpumpen 130, einer Lage und/oder einer Art eines Rezirkulationsventils etc. unterscheiden. Ferner kann die betreffende Anoden-Rezirkulationsleitung 150 eine Fluid-Fördereinrichtung 26, insbesondere ein Wasserstoff-Rezirkulationsgebläse 26, aufweisen (vgl. 1) oder nicht aufweisen (3 bis 5).
So zeigt die 3 eine Ausführungsform einer Anodenversorgung 100 mit einem einzigen Wasserstoffdosierventil 120 und einer einzigen Strahlpumpe 130 im Anoden-Versorgungspfad 21. Eine Rezirkulation über eine Anoden-Rezirkulationsleitung 150 erfolgt rein passiv über die Strahlpumpe 130 und hängt dabei unmittelbar von einem Massenstrom des einzigen Wasserstoffdosierventils 120 und einer gewählten Geometrie der einzigen Strahlpumpe 130 ab.
Die Ausführungsform der 4 erweitert die Ausführungsform der 3 (nun: Wasserstoffdosierventil 120, 121) durch einen Strahlpumpenbypass 180 im Anoden-Versorgungspfad 21, wobei der Strahlpumpenbypass 180 ein zusätzliches Wasserstoffdosierventil 120, 128 aufweist. Der Strahlpumpenbypass 180 ist dabei parallel zu dem Wasserstoffdosierventil 120, 121 sowie zu der Strahlpumpe 130, 131 geschaltet (3). Das Wasserstoffdosierventil 128 des Strahlpumpenbypasses 180 ist auch als Bypass-Wasserstoffdosierventil 128 bezeichenbar.
Die Ausführungsform der 5 erweitert die Ausführungsform der 4 (nun: Strahlpumpe 130, 131) durch ein zusätzliches Wasserstoffdosierventil 120, 122 und eine zusätzliche Strahlpumpe 130, 132, welche zu dem Wasserstoffdosierventil 120, 121 sowie zu der Strahlpumpe 130, 131, und zum Strahlpumpenbypass 180 parallel geschaltet im Anoden-Versorgungspfad 21 eingerichtet sind. - Bevorzugt beginnt ein Strahlpumpenbypass 180 des Anoden-Versorgungspfads 21 stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils 120; 121, 122 und mündet stromabwärts der Strahlpumpe 130; 131, 132.
Bei der Ausführungsform nach 4 kann das Wasserstoffdosierventil 120, 121 als ein kontinuierliches Ventil im Niedriglastbereich N gepulst, im Teillastbereich T kontinuierlich und im Vollastbereich V kontinuierlich betrieben werden. Das Bypass-Wasserstoffdosierventil 120, 128 als ein kontinuierliches Ventil kann dabei im Niedriglastbereich N und im Teillastbereich T geschlossen sein und im Vollastbereich V kontinuierlich betrieben werden.
Ferner kann bei der Ausführungsform nach 4 das Wasserstoffdosierventil 120, 121 als ein getaktetes Ventil im Niedriglastbereich N gepulst, im Teillastbereich T gepulst und im Vollastbereich V gepulst betrieben werden. Das Bypass-Wasserstoffdosierventil 120, 128 als ein kontinuierliches Ventil kann dabei im Niedriglastbereich N und im Teillastbereich T geschlossen sein und im Vollastbereich V kontinuierlich betrieben werden.
Darüber hinaus kann bei der Ausführungsform nach 4 das Wasserstoffdosierventil 120, 121 als ein kontinuierliches Ventil im Niedriglastbereich N gepulst, im Teillastbereich T kontinuierlich und im Vollastbereich V kontinuierlich betrieben werden. Das Bypass-Wasserstoffdosierventil 120, 128 als ein getaktetes Ventil kann dabei im Niedriglastbereich N und im Teillastbereich T geschlossen sein und im Vollastbereich V gepulst betrieben werden.
Des Weiteren kann das Wasserstoffdosierventil 120, 121 als ein getaktetes Ventil im Niedriglastbereich N gepulst, im Teillastbereich T gepulst und im Vollastbereich V gepulst betrieben werden. Das Bypass-Wasserstoffdosierventil 120, 128 als ein getaktetes Ventil kann dabei im Niedriglastbereich N und im Teillastbereich T geschlossen sein und im Vollastbereich V gepulst betrieben werden.

Claims

Verfahren zum Versorgen einer Anode (140) eines Brennstoffzellenstapels (10) durch eine Anodenversorgung (100) eines Brennstoffzellenaggregats (1) insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei durch die Anodenversorgung (100) wenigstens ein Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) eines Anoden-Versorgungspfads (21) der Anodenversorgung (100) gemäß der Betriebsbereiche (N, T, V) des Brennstoffzellenstapels (10) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) in einem Betriebsbereich (N, T, V) des Brennstoffzellenstapels (10) gepulst betrieben wird.
Anodenversorgungsverfahren gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsbereich (N, T) als ein: • anderweitig sonst nicht betreibbarer und nicht betriebener Betriebsbereich (N, T) des Brennstoffzellenstapels (10) • vom Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) nicht kontinuierlich betreibbarer und nicht kontinuierlich betriebener Betriebsbereich (N, T), und/oder • vom Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) lediglich gepulst betreibbarer und betriebener Betriebsbereich (N, T) ausgebildet ist.
Anodenversorgungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122) in einem Niedriglastbereich (N) gepulst, in einem Teillastbereich (T) gepulst oder kontinuierlich, und/oder in einem Vollastbereich (V) gepulst oder kontinuierlich betrieben wird, und/oder das Wasserstoffdosierventil (120, 128) als ein Bypass-Wasserstoffdosierventil (120, 128) in einem Niedriglastbereich (N) geschlossen ist, in einem Teillastbereich (T) geschlossen ist oder gepulst oder kontinuierlich betrieben wird, und/oder in einem Vollastbereich (V) gepulst oder kontinuierlich betrieben wird.
Anodenversorgungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • das Wasserstoffdosierventil (120, 121) als ein kontinuierliches Ventil in einem Niedriglastbereich (N) gepulst, in einem Teillastbereich (T) kontinuierlich und in einem Vollastbereich (V) kontinuierlich betrieben wird, • das Wasserstoffdosierventil (120, 121) als ein getaktetes Ventil in einem Niedriglastbereich (N), in einem Teillastbereich (T) und in einem Vollastbereich (V) gepulst betrieben wird, und/oder • ein Bypass-Wasserstoffdosierventil (120, 128) in einem Niedriglastbereich (N) und in einem Teillastbereich (T) geschlossen ist, und in einem Vollastbereich (V) als ein kontinuierliches Ventil kontinuierlich oder als ein getaktetes Ventil gepulst betrieben wird.
Anodenversorgungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenversorgungsverfahren mittels eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der nachfolgenden Ansprüche durchführbar ist und/oder durchgeführt wird.
Brennstoffzellensystem mit einer Anodenversorgung (100) für einen Brennstoffzellenstapel (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1) des Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei die Anodenversorgung (100) einen Anoden-Versorgungspfad (21), einem Anoden-Abgaspfad (22) und bevorzugt eine diese verbindende Anoden-Rezirkulationsleitung (150) aufweist, mittels welchen eine Anode (140) des Brennstoffzellenstapels (10) mit einem Anoden-Betriebsmedium (3) versorgbar ist und/oder versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) des Anoden-Versorgungspfads (21) vom Brennstoffzellensystem gepulst betreibbar ist und/oder in einem Betrieb der Anodenversorgung (100) in einem Betriebsbereich (N, T) des Brennstoffzellenstapels (10) gepulst betrieben wird.
Brennstoffzellensystem gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein solcher Betriebsbereich (N) dadurch gekennzeichnet ist, dass er als ein: • anderweitig sonst nicht betreibbarer und/oder betriebener Niedriglastbereich (N) des Brennstoffzellenstapels (10), • vom Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) nicht kontinuierlich betreibbarer und/oder betriebener Niedriglastbereich (N), und/oder • vom Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) lediglich gepulst betreibbarer und/oder betriebener Niedriglastbereich (N) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128): • in einem Niedriglastbereich (N) des Brennstoffzellenstapels (10) gepulst betreibbar ist und/oder im Betrieb der Anodenversorgung (100) gepulst betrieben wird • in einem Teillastbereich (T) des Brennstoffzellenstapels (10) gepulst betreibbar ist und/oder im Betrieb der Anodenversorgung (100) gepulst betrieben wird, und/oder • in einem Volllastbereich (V) des Brennstoffzellenstapels (10) kontinuierlich betreibbar ist und/oder im Betrieb der Anodenversorgung (100) kontinuierlich oder gepulst betrieben wird.
Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • das Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) stromaufwärts der Strahlpumpe (130; 131, 132) im Anoden-Versorgungspfad (21) eingerichtet ist, • im Anoden-Versorgungspfad (21) eine Mehrzahl von Wasserstoffdosierventilen (120; 121, 122, 128) parallel geschaltet eingerichtet sind, und/oder • ein zusätzliches Bypass-Wasserstoffdosierventil (120; 128) in einem Strahlpumpenbypass (180) des Anoden-Versorgungspfads (21) eingerichtet ist.
Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • das wenigstens eine Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) als ein kontinuierliches Ventil (120; 121, 122, 128) oder ein getaktetes Ventil (120; 121, 122, 128) ausgebildet ist, • das wenigstens ein Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) der Mehrzahl der Wasserstoffdosierventile (120; 121, 122, 128) als ein kontinuierliches Ventil (120; 121, 122, 128) ausgebildet ist, und/oder • das wenigstens ein Wasserstoffdosierventil (120; 121, 122, 128) der Mehrzahl der Wasserstoffdosierventile (120; 121, 122, 128) als ein getaktetes Ventil (120; 121, 122, 128) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Anoden-Rezirkulationsleitung (150) frei von einer Fluid-Fördereinrichtung (26), insbesondre frei von einem Wasserstoff-Rezirkulationsgebläse (26), ist, • die Anoden-Rezirkulationsleitung (150) von einem Wasserabscheider (160) der Anodenversorgung (100) oder stromaufwärts des Wasserabscheiders (160) stromaufwärts vor den Brennstoffzellenstapel (10) führt, und/oder • durch das Brennstoffzellensystem ein Verfahren zum Versorgen einer Anode (140) eines Brennstoffzellenstapels (10), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar ist.
Brennstoffzellenaggregat (1), Brennstoffzellensystem oder Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Brennstoffzellenaggregat (1), das Brennstoffzellensystem oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein Anodenbetriebsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar ist und/oder durchgeführt wird, und/oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.