DE102022212248A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, wobei jeder Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Zuführen von Zuluft und mit mindestens einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Abführen von Abluft gekoppelt ist, und mindestens einem Verbindungspfad, welcher zwischen mindestens einem Abluftpfad, welcher mit mindestens einem ersten gekoppelt ist, und mindestens einem Zuluftpfad, welcher mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel verschiedenen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, angeordnet ist. Die Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels wird über den mindestens einen Verbindungspfad zu der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt, so dass daraus ein Fluidgemisch entsteht, welches dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Ferner wird zumindest ein Betriebsparameter des Fluidgemisches anhand von einem mittels eines Sensors gemessenen Parameter der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels bestimmt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Bei Brennstoffzellenfahrzeugen (englisch Fuel Cell Vehicle, FCV), bei denen unter anderem die Antriebsenergie auch durch ein oder mehrere Brennstoffzellenteilsysteme (englisch: Fuel Cell System, FCS) geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft verwendet, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
  • Die Umgebungsluft ist mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Dazu sind ein entsprechender variabler Luftmassenstrom und ein entsprechendes Druckniveau notwendig.
  • Essentiell für den Betrieb eines Protonen-Austausch-Membran (PEM)-Stapels ist das Wassermanagement in der Membran und damit auch im Kathodenpfad. Die Membran muss ausreichend feucht sein, um Protonen zu leiten. Die Gefahr von Austrocknung ist insbesondere im Kathodeneintrittsbereich signifikant hoch.
  • Hierzu können Systeme mit externen Befeuchtern, z.B. Membranbefeuchter oder Wassereinspritzung, oder mit höheren Systemdrücken betrieben werden, um eine Stapel-interne Befeuchtung von Anode und Kathode zu gewährleisten. Bei höherem Druck nimmt die Luft weniger Wasser auf.
  • Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2017 214 312 A1 ein Verfahren zur Regulation des Feuchtigkeitszustands einer Membran einer Brennstoffzelle.
  • Es ist auch möglich, dass sich Stapel über den Kathoden- und Anodenpfad intern befeuchten, d.h. Wasser wird von der Kathode zur Anode geleitet und Wasser wird ebenfalls von Anode zur Kathode in verschiedenen Zellbereichen transportiert. Dies bedingt einen ausreichend hohen Systemdruck und ein entsprechendes Stapeldesign mit dünnen Membranen. Eine weitere Folge davon ist, dass das System in einigen Betriebsbereichen nicht bzw. nur mit Leistungsreduktion (Derating) betrieben werden können, etwa bei hohen Umgebungstemperaturen, bei Bergfahrt oder bei gealterten Stapeln.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, wobei jeder Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Zuführen von Zuluft und mit mindestens einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Abführen von Abluft gekoppelt ist, und mindestens einem Verbindungspfad, welcher zwischen mindestens einem Abluftpfad, welcher mit mindestens einem ersten gekoppelt ist, und mindestens einem Zuluftpfad, welcher mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel verschiedenen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, angeordnet ist. Die Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels wird über den mindestens einen Verbindungspfad zu der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt, so dass daraus ein Fluidgemisch entsteht, welches dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Ferner wird zumindest ein Betriebsparameter des Fluidgemisches anhand von einem mittels eines Sensors gemessenen Parameter der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels bestimmt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln, wobei jeder Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Zuführen von Zuluft und mit mindestens einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems zum Abführen von Abluft gekoppelt ist. Weiter umfasst das Brennstoffzellensystem mindestens einen Verbindungspfad, welcher zwischen mindestens einem Abluftpfad, welcher mit mindestens einem ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und mindestens einem Zuluftpfad, welcher mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel verschiedenen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Ferner ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Menge der über den mindestens einen Verbindungspfad zugeführten Abluft mittels einer Ventileinrichtung unter Berücksichtigung zumindest eines Betriebsparameters eines Fluidgemisches aus der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels und der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels einzustellen.
  • Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft mindestens eines weiteren zweiten Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Dadurch kann die Kathode des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels befeuchtet werden. Die Erfindung ermöglicht weiter eine Berechnung/Abschätzung einer Eigenschaft des Fluidgemisches aus der zugeführten Abluft und der Kathodenzuluft, die für die Verbesserung der Regelung und Betriebsführung des Brennstoffzellensystems/Multistacksystems in Betriebspunkten, bei denen die Verbindungspfade zwischen den Kathodenpfaden (Zuluftpfad bzw. Abluftpfad) teilweise oder ganz geöffnet wird.
  • Aufgrund der Befeuchtung kann weiter der notwendige Stapel-Eintrittsdruck gesenkt werden, und damit können die Verdichteranforderungen gesenkt und die Systemauslegung von Verdichter und Brennstoffzellenstapel optimiert werden, was zu niedrigeren Systemkosten führt.
  • Vorteilhafterweise kann das System um mögliche Betriebspunkte erweitert werden.
  • Zusätzlich wird der Wasserstoff-Verbrauch verringert, da der Kathodeneintrittsbereich besser befeuchtet wird und dieser Bereich dann mit besserem Wirkungsgrad betrieben wird und damit der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird. Weiter kann auf einen externen Befeuchter (z.B. Membranbefeuchter) verzichtet werden.
  • Darüber hinaus wird die Dynamik-Performance des Brennstoffzellensystems verbessert. Außerdem kann die Diagnosefähigkeit des Systems verbessert werden.
  • Weiter kann die Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels durch die Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels gekühlt werden. Dies kann den Wirkungsgrad erhöhen und den Kühlkreis entlasten.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass kein Druckverlust durch externe Befeuchter entsteht, was zu einem höheren Systemwirkungsgrad und geringeren parasitären Verlusten führt und damit zu einem verbesserten Wasserstoff-Verbrauch.
  • Die Übertragung von Abluft eines ersten Brennstoffzellenstapels in die Zuluft kann an einer oder auch an mehreren Stellen in einen Zuluftpfad eines weiteren Brennstoffzellenstapels oder auch mehrerer Brennstoffzellenstapel erfolgen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems umfasst der Betriebsparameter mindestens eines von Druckniveaus, Luftmassenströmen, Temperaturen, Fluidzusammensetzung, Feuchte, Sauerstoffgehalt und Wassergehalt. Alternativ oder zusätzlich umfasst der gemessene Parameter mindestens eines von Druckniveaus, Luftmassenströmen, Temperaturen, Fluidzusammensetzung, Feuchte, Sauerstoffgehalt und Wassergehalt. Die Betriebsparameter des jeweiligen Brennstoffzellenstapels umfassen hierbei stack-individuell die relevanten Parameter wie Druckniveaus, Massenströme, Temperaturen, Überstöchiometrien, Fluidzusammensetzungen, wie z.B. Feuchtegehalt bzw. Wassergehalt, Aktivitäten der beteiligten Medienströme Luft, Wasserstoff und Kühlmittel und die elektrischen Größen, z.B. Spannung, Stromdichte, Strom und Impedanz.
  • Ein Wassermanagement kann im Rahmen dieser Erfindung alle relevanten Betriebsbedingungen und Betriebsparameter betreffen, die für den Brennstoffzellenstapel und das Feuchtemanagement der Membran relevant sind. Die daraus ermittelten Sollwerte werden durch eine Wassermanagement-Steuerung in eine Betriebsführung umgesetzt.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems wird beim Bestimmen des zumindest einen Betriebsparameters des Fluidgemisches der Parameter der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels mittels eines Sensors in dem mindestens einen Verbindungspfad gemessen.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird beim Bestimmen des zumindest einen Betriebsparameters des Fluidgemisches der Parameter der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels mittels eines Sensors in dem Zuluftpfad gemessen.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird der Betriebsparameter des Fluidgemisches weiter unter Berücksichtigung mindestens eines Optimierungsziels eingestellt, wobei das mindestens eine Optimierungsziel eine Minimierung eines Verbrauchs und/oder eine Minimierung einer Alterung der Brennstoffzellenstapel umfasst.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird der Betriebsparameter des Fluidgemisches durch eine Änderung des Zuführens der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels über den mindestens einen Verbindungspfad angepasst.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Brennstoffzellensystems umfasst dieses ferner einen Sensor, welcher zur Messung eines Parameters der Abluft in dem mindestens einen Verbindungspfad angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist der Sensor stromaufwärts und/oder stromabwärts der Ventileinrichtung in dem mindestens einen Verbindungspfad (401-411) angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Brennstoffzellensystems umfasst der Betriebsparameter und/oder der mittels Sensor gemessene Parameter mindestens eines von Druckniveaus, Luftmassenströmen, Temperaturen, Fluidzusammensetzung, Feuchte, Sauerstoffgehalt und Wassergehalt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
    • 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
    • 3 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
    • 4 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
    • 5 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
    • 6 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
    • 7 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
    • 8 eine Steuereinrichtung zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem; und
    • 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
  • 1 zeigt ein Mehrfach-Brennstoffzellensystem 1000 mit drei Brennstoffzellenteilsystemen 14 bis 16, welche jeweils über einen Zuluftpfad 201 bis 203 aus einer Umgebung 1 mit Zuluft versorgt werden. Abluft strömt aus einem jeweiligen Abluftpfad 301 bis 303 aus den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 in die Umgebung 1. Die Zuluft wird über Luftfilter 2 bis 4 gefiltert und anschließend über Verdichter 5, 7, 9 verdichtet.
  • Weiter fließt die Zuluft durch Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 und wird danach den Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 bereitgestellt.
  • Die Abluft fließt durch Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 und anschließend durch Turbinen 6, 8, 10. Weiter werden in die Abluft-Pfade die Fluide aus den Anodenkreisen (Purge-Gas, Drain-Fluid oder Kombinationen Purge-Drain-Fluid) mittels -Ventile (Purge-Ventil, Drain-Ventil oder Purge-Drain-Ventile) 20 bis 22 flussabwärts bezüglich der Turbinen 6, 8, 10 eingeleitet. Die Zuluftpfade 201 bis 203 der Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 sind mit den Abluftpfaden 301 bis 303 des jeweils selben Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 durch die Brennstoffzellenstapel und durch die Stackbypass-Pfade verknüpft. Die Zuluft fließt dabei durch den jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 und/oder durch ein Ventil 29 bis 31 durch die Stackbypass-Verbindungspfade 23, 25, 27 und wird flussaufwärts bezüglich der Turbinen 6, 8, 10 der Abluft zugeführt und fließt optional durch einen zweiten Verbindungspfad 24, 26, 28 und wird flussabwärts bezüglich der Turbinen 6, 8, 10 der Abluft zugeführt.
  • Weiter sind Verbindungspfade 401 bis 403 (mit jeweils mindestens einer Leitung) vorgesehen, welche die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 der Zuluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12, die Abluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 der Zuluft des dritten Brennstoffzellenstapels 13 bzw. die Abluft des dritten Brennstoffzellenstapels 13 der Zuluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 zuführen können. In jedem Verbindungspfad 401 bis 403 ist jeweils eine Ventileinrichtung 17 bis 19 angeordnet, um die Menge an zugeführter Abluft einzustellen. Die Ventileinrichtungen 17 bis 19 dienen auch als Absperrvorrichtung und können etwa als Drosselklappe mit Dichtfunktion ausgestaltet sein.
  • Ferner ist in jedem Verbindungspfad 401 bis 403 jeweils ein Sensor 40 bis 42 vorgesehen, um einen Parameter des in dem Verbindungspfad 401 bis 403 vorbeiströmenden Fluids, insbesondere der abgezweigten Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11-13, zu messen. Beispielsweise kann der Sensor 40 bis 42 als Lamdba-Sonde, als Drucksensor, als Temperatursensor, als Feuchtesensor, als Heißfilm-Luftmassenmesser HFM, als druckbasierter Luftmassenmesser PFM oder vergleichbares ausgebildet sein. Optional kann der Sensor 40 bis 42 ein kombinierter Sensor, insbesondere eine Kombination aus den zuvor genannten Sensortypen sein. In 1 ist der Sensor 40 bis 42 beispielhaft stromabwärts der Ventileinrichtung 17 bis 19 entlang des Verbindungspfades 401 bis 403 angeordnet. Jedoch ist die Anordnung des Sensors nicht auf diese Position beschränkt, sondern kann an jeder Stelle des Verbindungspfades vorgesehen sein.
  • Weiter umfasst das Brennstoffzellensystem 1000 eine Steuereinrichtung 500, welche die Ventileinrichtungen 17 bis 19, die Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34, die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 und die weiteren Aktoren, wie z.B. Luftverdichter 5, 7, 9 und z.B. Ventile 29 bis 31 und weitere Ventile, ansteuert, um die Menge der jeweils zugeführten Luft (Zuluft bzw. Abluft) und die Druckniveaus zu steuern.
  • Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Anzahl an Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 beschränkt. Weiter müssen nicht alle Verbindungspfade 401 bis 403 zwischen verschiedenen Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 realisiert sein. Beispielsweise kann der Verbindungspfad 403 vom dritten Brennstoffzellenstapel 13 zum ersten Brennstoffzellenstapel 11 optional sein.
  • Die Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 können beispielsweise als Absperrventile oder als Druckregelventile ausgebildet sein. Dabei ist die Anordnung der Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 nicht auf die in 1 gezeigte Position stromabwärts/flussabwärts der Verdichter 5, 7, 9, das heißt auf die Position zwischen den Verdichtern und den Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13, beschränkt. Alternativ können die Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 stromaufwärts/flussaufwärts der Verdichter 5, 7, 9 angeordnet sein.
  • Die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 können vorzugsweise druckregelbar sein, jedoch ebenso optional als Absperrventile ausgebildet sein. Dabei ist die Anordnung der Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 nicht auf die in 1 gezeigte Position stromaufwärts der Turbinen 6, 8, 10, das heißt auf die Position zwischen den Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 und den Turbinen, beschränkt. Alternativ können die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 stromabwärts der Turbinen 6, 8, 10 angeordnet sein.
  • Weiter ist die Erfindung auf verschiedene Luftsystemtopologien anwendbar. Die Verdichter 5, 7, 9 können einstufig oder mehrstufig, einflutig oder mehrflutig ausgebildet sein. Die Turbinen 6, 8, 10 können an einen elektrischen Verdichter im Zuluftpfad angekoppelt sein oder auch an einen Turbolader, der nur mittels der jeweiligen Turbine 6, 8, 10 angetrieben wird. Die Turbinen 6, 8, 10 können auch optional sein. Anstelle von Turbinen können auch Druckregelventile verbaut sein.
  • 2 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem 2000. Dieses unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 1000 dadurch, dass die Verdichter des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 und des dritten Brennstoffzellenteilsystems 16 jeweils zwei Verdichterstufen 51, 52 bzw. 56, 57 umfassen, wobei stromabwärts in Bezug zu den Verdichtern vor den Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 58 bis 60 ausgebildet sind. Die Zuluftventileinrichtungen 33, 34 sind beispielhaft zwischen den ersten Verdichterstufen 51, 56 und den zweiten Verdichterstufen 52, 57 angeordnet.
  • Die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 wird über einen ersten Verbindungspfad 404 mit einer ersten Ventileinrichtung 53 zwischen der Zuluftventileinrichtung 33 und der zweiten Verdichterstufe 52 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 zugeführt und über einen zweiten Verbindungspfad 405 mit einer zweiten Ventileinrichtung 54 zwischen der Zuluftventileinrichtung 34 und der zweiten Verdichterstufe 57 des dritten Brennstoffzellenteilsystems 16 zugeführt.
  • Die Abluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 wird über einen dritten Verbindungspfad 407 mit einer dritten Ventileinrichtung 55 zwischen den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 58 und den Brennstoffzellenstapel 13 des dritten Brennstoffzellenteilsystems 16 eingebracht.
  • Die Abluft des dritten Brennstoffzellenstapels 13 kann optional über einen vierten Verbindungspfad 403 mit einer vierten Ventileinrichtung 19 zwischen die Zuluftventileinrichtung 32 und den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 59 und/oder zwischen den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 59 und den Brennstoffzellenstapel 11 des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 eingebracht werden. Da der Druckverlust über den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 59 gering ist, kann hier Abluft in die Zuluft des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 an zwei Stellen eingeleitet werden.
  • Allgemein kann eine einzelne Ventileinrichtung 19 insbesondere mehrere Zudosierstellen in den Zuluftpfad eines anderen Brennstoffzellenteilsystems 14 bis 16 oder in die Zuluftpfade von mehreren Brennstoffzellenteilsystemen 14 bis 16 bedienen.
  • 3 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem 3000. Dieses unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 1000 dadurch, dass keine Turbinen 6, 8, 10 vorhanden sind und somit keine Energierekuperation aus dem Abgas stattfindet.
  • Die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 sind ausgestaltet, den Druck in den Abluftpfaden 301 bis 303 zu regeln. Insbesondere sind die Abluftventileinrichtungen als Druckregelventile ausgebildet. Dabei sind die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 stromabwärts der Abzweigung der Verbindungspfade 401 bis 403 von den Abluftpfaden angeordnet.
  • Ferner ist der Sensor 40 bis 42 in 3 im Unterschied zu 1 beispielhaft stromaufwärts der Ventileinrichtung 17 bis 19 entlang des Verbindungspfades 401 bis 403 angeordnet. Jedoch ist die Anordnung des Sensors nicht auf diese Position beschränkt, sondern kann an jeder Stelle des Verbindungspfades vorgesehen sein.
  • 4 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem 4000. Hier sind nur zwei Brennstoffzellenteilsysteme 14, 15 vorgesehen. Die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 wird über eine Ventileinrichtung 17 und einen ersten Verbindungspfad 408 zwischen der Zuluftventileinrichtung 33 und dem Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 60 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 eingebracht und optional über die Ventileinrichtung 17 und einen zweiten Verbindungspfad 409 zwischen dem Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 60 und dem Brennstoffzellenstapel 12 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 eingebracht.
  • Die Einleitstelle bzw. Zuführstelle kann somit stromabwärts oder stromaufwärts bezüglich des Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertragers 60 sein. Das Einleiten stromaufwärts hat den Vorteil, dass die Abluft auch flüssige Wassertropfen enthalten kann. Erfolgt die Zudosierung vor dem Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 60, d.h. in warme Luft, dann können diese Tropfen besser verdampfen bzw. verdunsten und die Strömung wird zudem im Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 60 noch homogenisiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Zuluft bereits durch die Zudosierung der feuchten Luft gekühlt wird und somit der Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 60 weniger Wärme abführen muss.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen ist auch eine Zudosierung kurz vor dem Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 möglich, sofern die Abluft keine wesentliche Menge an flüssigem Wasser bzw. an Tropfen enthält.
  • 5 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem 5000, welches sich von dem in 4 gezeigten Brennstoffzellensystem 4000 dadurch unterscheidet, dass im Abluftpfad 301 des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 eine Turbine 6 stromabwärts der Abluftventileinrichtung 35 und weiter ein zwischen dem Brennstoffzellenstapel 11 und der Abluftventileinrichtung 35 angeordneter Wasserabscheider 90 ausgebildet sind. Der Wasserabscheider 90 schützt die Turbine 6 vor Tropfenschlag, da die Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel 11 auch flüssiges Wasser in Form von Tropfen enthalten kann. Die Abluft wird zwischen dem Wasserabscheider 90 und der Abluftventileinrichtung 35 entnommen und über einen Verbindungspfad 410 mit einer Ventileinrichtung 17 dem Zuluftpfad 302 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 zugeführt. Die Abzweigung stromabwärts bezüglich des Tropfenabscheiders 90 vermeidet den Eintrag von flüssigem Wasser in den Brennstoffzellenstapel 12 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Wärmeübertrager wie in 4 vorgesehen, wobei die Entnahmestelle auch stromaufwärts des Wasserabscheiders 90 sein kann.
  • 6 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem 6000, welches sich von dem in 4 gezeigten Brennstoffzellensystem 4000 dadurch unterscheidet, dass weiter passive Wärmeübertrager (Gas-Gas-Wärmeübertrager) 100, 103 vorgesehen sind, welche die heiße Luft im Zuluftpfad durch kühlere Abluft kühlen. Die Zuluft fließt in dem Zuluftpfad 201, 202 stromabwärts des Verdichters 5, 7 durch den Gas-Gas-Wärmeübertrager 100, 103 und anschließend weiter durch die Zuluftventileinrichtung 32, 33. Die Abluft fließt in dem Abluftpfad 301, 302 durch die Abluftventileinrichtung 35, 36 und anschließend stromabwärts der Abluftventileinrichtung 35, 36 durch den Gas-Gas-Wärmeübertrager 100, 103. Darüber hinaus wird die Abluft zwischen dem Brennstoffzellenstapel 11 und der Abluftventileinrichtung 35 des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 im Abgaspfad abgezweigt und über einen Verbindungspfad 411 mit einer Ventileinrichtung 17 zwischen den Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 60 und die Zuluftventileinrichtung 33 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 eingebracht. Da der Gas-Gas-Wärmeübertrager 100, 103 bereits die verdichtete Zuluft signifikant kühlt, kann mittels der Zudosierung über den Verbindungspfad 411 die Zuluft für den Brennstoffzellenstapel 12 soweit gekühlt werden, dass bei optimierter Auslegung der Gas-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 60 eingespart werden kann.
  • 7 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem 7000, welches sich von dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 1000 dadurch unterscheidet, dass die Stackbypass-Verbindungspfade 23, 25, 27 von den Zuluftpfaden 201 bis 203 stromaufwärts der Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 abzweigen. Weiter werden die Verbindungspfade 23, 25, 27 stromabwärts der Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 den Abluftpfaden 301 bis 303 zugeführt.
  • Zusätzlich zu dem Sensor 40 bis 42 stromabwärts der Ventileinrichtung 17 bis 19 ist in jedem Verbindungspfad 401 bis 403 jeweils ein weiterer Sensor 43 bis 45 stromaufwärts der Ventileinrichtung 17 bis 19 vorgesehen. Jedoch ist die Anordnung der Sensoren 40 bis 45 nicht auf diese Position beschränkt.
  • 8 zeigt eine Steuereinrichtung 600 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, insbesondere einem der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme 1000 bis 7000.
  • Die Steuereinrichtung 600 umfasst eine erste Steuereinheit 110, eine zweite Steuereinheit 111 und erste bis n-te Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n, wobei n die Anzahl der Brennstoffzellenstapel 11-13 bezeichnet. Diese Komponenten sind jeweils mit den Ventileinrichtungen 113, den Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 und/oder den Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 gekoppelt und können jeweils als separate Recheneinrichtung oder durch dieselbe Recheneinrichtung implementiert sein.
  • Die erste Steuereinheit 110 ermöglicht eine Leistungsverzweigung zwischen einem Energiespeicher (z.B. einer Hochvolt-Batterie) und dem Brennstoffzellensystem 1000-7000. Von der Gesamtfahrzeugsteuerung bzw. vom Antriebsstrang wird dabei eine Anforderung für eine elektrische Gesamtleistung ermittelt, welche zur Umsetzung der Fahrtrajektorie und ggf. weiterer Verbraucher im Fahrzeug erforderlich ist. Diese Leistung kann entweder von Energiespeichern oder von Energiewandlern oder von beiden geliefert werden, abhängig von den Betriebsbedingungen und der Höhe der Leistungsanforderung. Die Energiespeicher werden vorzugsweise zum Boost bei Beschleunigungen und zur Energierekuperation eingesetzt.
  • Die zweite Steuereinheit 111 dient der Leistungsverzweigung zwischen Brennstoffzellenteilsystemen (FCS-Energiewandler). Die angeforderte Gesamtleistung wird dazu an die Brennstoffzellenteilsysteme als Teil-Anforderung aufgeteilt. Die Aufteilung kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Aus Gründen der Optimierung, etwa in Abhängigkeit von Alterung, Verbrauch, Laufzeit, etc., kann eine asymmetrische Aufteilung vorteilhaft sein. So können etwa einzelne Brennstoffzellenstapel bei Teillast abgeschaltet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die erste Steuereinheit 110 und die zweite Steuereinheit 111 in einem Koordinator zusammengefasst.
  • Die erste bis n-te Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n dienen der Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13. Aus unterschiedlichen Leistungsanforderungen Pell, Pel2, Pel3 können unterschiedliche Betriebsbedingungen für die einzelnen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 resultieren. Weiter kann jeder Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 auch einen anderen Alterungszustand haben und benötigt deshalb auch andere Betriebsparameter.
  • Die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n übernehmen das Wassermanagement des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 bzw. das Feuchtemanagement der Membran. Dabei können unterschiedliche Parameter bzw. Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, die die Membranfeuchte bzw. den Membran-Wassergehalt und weitere Zustände im Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 beeinflussen. Die wichtigsten Parameter sind hierbei der Druck pCath am Kathodeneintritt, der Luftüberschuss lambdaCath, der Massenfluss mfCath am Kathodeneintritt, die damit zusammenhängende Stromstärke iStack, die Temperatur TCool des Kühlmittels, die Temperaturdifferenz dTCool des Kühlmittels über den Brennstoffzellenstapel 11 bis 13, die Feuchtigkeit fiCath am Kathodeneintritt und die Impedanzantwort des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13.
  • Aus diesen Größen können die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n auch eine Austrittsaktivität actCathout am Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 berechnen. Die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n können durch Regelung erzielen, dass diese Werte in einem vorgegebenen und variablen, anpassbaren und/oder von einem Betriebsmodus abhängigen Bereich liegen. Beispielsweise können ein erster Betriebsmodus zum unabhängigen Betrieb der jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13, ein zweiter Betriebsmodus zur Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 und/oder ein dritter Betriebsmodus zur Luftverarmung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 vorgesehen sein. Darüber hinaus können ein vierter Betriebsmodus zur Befeuchtung und/oder Kühlung des Zuluftpfades 201 bis 203 durch den Abluftpfad 301 bis 303, ein fünfter Betriebsmodus zur Verbesserung eines Startverhaltens und einer Dynamik/Performance und/oder ein sechster Betriebsmodus zur Aufrechterhaltung der Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 vorgesehen sein. Ferner können ein siebter Betriebsmodus zur Notversorgung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 mit Luft, ein achter Betriebsmodus zur Komponentenschonung des Luftverdichtungssystems, ein neunter Betriebsmodus zur Optimierung des Gefrierstarts und/oder ein zehnter Betriebsmodus zur Trocknung der Systemkomponenten vorgesehen sein. Weiter können zusätzlich ein elfter Betriebsmodus zur Rückgängigmachung der reversiblen Degradations-Prozesse in den Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13, ein zwölfter Betriebsmodus zur Diagnose, ein dreizehnter Betriebsmodus zum Wärmebetrieb und/oder ein vierzehnter Betriebsmodus zur Strömungsumkehr vorgesehen sein. Dabei ist insbesondere die Feuchtigkeit fiCath am Kathodeneintritt durch Ansteuern der Ventileinrichtungen 17-19, 53-55, der Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 und/oder der Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 einstellbar. Dadurch ergeben sich mehrere Freiheitsgrade, wobei ein Freiheitsgrad auch mit einer hohen Dynamik nutzbar sein kann.
  • Für den Luftüberschuss gilt an der Kathode: lambdaCath = mAirStack/mAirStackStöchiometrisch ,
    Figure DE102022212248A1_0001
    wobei mAirStack die Luftmasse im jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 und mAirStackStöchiometrisch das stöchiometrische Verhältnis der Luftmasse im jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 bezeichnet.
  • Im Normalbetrieb ist lambdaCath größer als 1, damit im Ausgangsbereich des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 noch ausreichend Sauerstoffpartialdruck zur Verfügung steht und die komplette Fläche des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 für die Leistungserzeugung genutzt werden kann, was auch für den hohen Wirkungsgrad notwendig ist.
  • Um die gleiche Austrittsaktivität actCathout zu erhalten, kann der Kathodendruck pCath erhöht und der Luftüberschuss lambdaCath an der Kathode verringert werden oder der Kathodendruck pCath verringert und der Luftüberschuss lambdaCath an der Kathode erhöht werden.
  • Bereits mit diesem Freiheitsgrad können die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n das Druckniveau anpassen und so abstimmen, dass eine Befeuchtung der Zuluft durch Nutzung der Verbindungspfade mit den Ventilen 17-19, 53-55 möglich ist. Auch eine Änderung des Temperaturniveaus Tcool stellt ein Freiheitsgrad dar, jedoch mit deutlich geringerer Dynamik. Diese wirkt sich auch auf das Druckniveau pCathSoll aus.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n ausgebildet, die Ventileinrichtungen 17-19, 53-55, die Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 und/oder die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 anzusteuern, um Kathodenzuluft zu befeuchten und/oder zu kühlen. Diese Ansteuerung stellt ein zusätzlichen Freiheitsgrad dar. Dabei erfolgt eine Abstimmung bzw. Optimierung zwischen den Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch die zweite Steuereinheit 111 ausgebildet sein, die Leistungsaufteilung so vorzunehmen bzw. zu verändern, dass die Ventileinrichtungen 17-19, 53-55, die Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 und/oder die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 aufgrund des sich ergebenden Druckniveaus nutzbar sind, um Kathodenzuluft zu befeuchten und/oder zu kühlen.
  • Weiter kann auch die erste Steuereinheit 110 ausgebildet sein, die Leistungsaufteilung so vorzunehmen bzw. zu verändern, dass die Ventileinrichtungen 17-19, 53-55, die Zuluftventileinrichtungen 32 bis 34 und/oder die Abluftventileinrichtungen 35 bis 37 aufgrund des sich ergebenden Druckniveaus nutzbar sind, um Kathodenzuluft zu befeuchten und/oder zu kühlen.
  • Die Steuerung kann situativ bzw. reaktiv abhängig von Messwerten vorgenommen werden, d.h. ohne Vorsteuerung. Auch eine Vorsteuerung ist möglich. Weiter kann die Steuerung optimiert und mit vorlaufender Trajektorienplanung vorgenommen werden, wobei der Nutzen und die Qualität deutlich zunimmt. Eine prädiktive Optimierung kann innerhalb einer Ebene (erste Steuereinheit 110, zweite Steuereinheit 111 bzw. Stapelsteuereinheiten 112-1 bis 112-n) erfolgen, kaskadiert oder gekoppelt über alle Ebenen hinweg.
  • Das Verfahren, mit Freigabe bzw. Triggerung der Überleitung einer bestimmten Medienmenge, Dauer, Überwachung, Diagnose und Steuerung der Ventileinrichtungen 17-19, 53-55, kann sowohl basierend auf Signalen von Sensoren als auch modellbasiert (mit echtzeitfähigen Modellen) durchgeführt werden.
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme 1000 bis 7000.
  • Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11-13 über den Verbindungspfad 401-411 zu der Zuluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 11-13 zugeführt, so dass daraus ein Fluidgemisch entsteht, welches dem zweiten Brennstoffzellenstapel 11-13 zugeführt wird. Auf diese Weise werden Sensordaten erzeugt, welche von momentanen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 1000 bis 7000 abhängen. Die Menge der zugeführten Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11-13 kann dabei durch eine Ventileinrichtung 17-19 in dem Verbindungspfad gesteuert werden.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird ein Betriebsparameter des Fluidgemisches anhand von einem gemessenen Parameter der Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11-13 bestimmt. Der Parameter kann optional mithilfe eines Sensors 40-45 gemessen werden. Beispielsweise kann der Sensor 40-45 als Lamdba-Sonde, als Drucksensor, als Temperatursensor, als Feuchtesensor, als Heißfilm-Luftmassenmesser HFM, als druckbasierter Luftmassenmesser PFM oder vergleichbares ausgebildet sein. Optional kann der Sensor 40-45 ein kombinierter Sensor, insbesondere eine Kombination aus den zuvor genannten Sensortypen sein.
  • Vorzugsweise wird der Sensor 40-45 in dem Verbindungspfad 401-411 zur Messung des Parameters verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Sensor, welcher in dem Zuluftpfad 201-203 oder dem Abluftpfad 301-303 des Brennstoffzellenstapels 11-13 angeordnet oder integriert ist, zur Messung des Parameters verwendet werden. Optional können weiter in den sonstigen vorgesehenen Bauteilen, wie dem Luftverdichter 5, 7, 9 oder der Turbine 6, 8, 10, vorliegende Messwerte als Parameter verwendet werden.
  • Beispielsweise kann beim Bestimmen des Betriebsparameters des Fluidgemisches aus Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 und Zuluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 der Parameter der Zuluft des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 mittels eines Sensors in dem Zuluftpfad 202 gemessen werden. Optional kann der Betriebsparameter des Fluidgemisches weiter unter Berücksichtigung eines Optimierungsziels eingestellt werden, wobei das Optimierungsziel eine Minimierung eines Verbrauchs und/oder eine Minimierung einer Alterung der Brennstoffzellenstapel 11-13 umfasst.
  • Ferner kann der Betriebsparameter des Fluidgemisches durch eine Änderung des Zuführens der Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11-13 über den Verbindungspfad 401-411 angepasst werden.
  • Optional wird in dem Verfahrensschritt S2 die mindestens eine Ventileinrichtung 17-19; 53-55 durch eine Steuereinrichtung 500, 600 angesteuert, um eine Menge der zugeführten Abluft zu verändern und anzupassen. Dabei kann es sich um ein Regelverfahren handeln, welches bestimmte Parameter, welche anhand der Sensordaten ermittelt werden können, auf vorgegebene Werte regelt.
  • Dabei kann die Temperatur des Fluidgemisches beim Bestimmen derselben beispielsweise anhand des Mittelwerts aus dem Enthalpiestrom der Zuluft zu Brennstoffzellenstapel N+1 und dem Enthalpiestrom der über den Verbindungspfad zugeführten Abluft aus Brennstoffzellenstapel N berechnet werden. Dabei gilt: Tmisch ,Kath ,N + 1, ein = ( TKath ,N ,aus* [ m_dot*cp ] Kath ,N ,aus + TKath ,N + 1, ein ,vorMischstelle* [ m_dot*cp ] Kath ,N + 1, ein ,vorMischtelle ) / ( [ m_dot*cp ] Kath ,N ,aus + [ m_dot*cp ] Kath ,N + 1, ein ,vorMischtelle ) ,
    Figure DE102022212248A1_0002
    wobei Tmisch,Kath,N+l,ein die Temperatur des Fluidgemisches am Brennstoffzellenstapeleintritt N+l, TKath,N,aus die Temperatur der zugeführten
  • Abluft aus Brennstoffzellenstapel N vor der Mischstelle, TKath,N+1,ein,vorMischstelle die Temperatur der Zuluft zu Brennstoffzellenstapel N+1 vor der Mischstelle, m_dot den Massenstrom des Fluids und cp die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck jeweils im Verbindungspfad vor der Mischstelle bzw. im Zuluftpfad vor der Mischstelle bezeichnet.
  • Alternativ kann das Bestimmen des Betriebsparameters des Fluidgemisches beispielsweise ein Schätzen des Betriebsparameters umfassen.
  • Darüber hinaus kann der in Schritt S2 bestimmte Betriebsparameter in einem Verfahrensschritt S3 mit einer vordefinierten Anforderung an den Betriebsparameter unter Berücksichtigung eines aktuellen Betriebsmodus verglichen werden. Im Betrieb sind die erforderlichen Eigenschaften des Eintrittsfluids in den Brennstoffzellenstapel in einem bestimmten Bereich vom System einzustellen, das heißt die Temperatur, der Druck, die Feuchte, der Massenstrom oder vergleichbares ist in einem vordefinierten Wertebereich einzustellen. Dieser Wertebereich ist in der Regel abhängig von einem Lastpunkt des Systems und weiteren Zuständen, wie etwa der Temperatur des Kühlkreises.
  • Sofern beim Vergleich des bestimmten Betriebsparameters des Fluidgemisches mit der vordefinierten Anforderung an den Betriebsparameter eine nicht tolerierbare Abweichung festgestellt wird, kann die Menge der zugeführten Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11-13 durch eine Veränderung einer Stellung der Ventileinrichtung 17-19 in dem Verbindungspfad angepasst werden. Anschließend kann das zuvor beschriebene Verfahren erneut angewendet werden.
  • Nachfolgend werden beispielhaft Betriebsmodi beschrieben, in welchen die Abluft eines Brennstoffzellenstapels über einen Verbindungspfad dem Zuluftpfad eines weiteren Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.
  • Ein beispielhafter zweiter Betriebsmodus zur Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 dient insbesondere dazu, Alterungsvorgänge der Komponenten des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 zu minimieren. Dabei kann der Verdichter 5 abgeschaltet und die Zuluftventileinrichtung 33 des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 geschlossen werden. Vorzugsweise ist die Zuluftventileinrichtung 33 derart ausgebildet, dass sie in einem geschlossenen Zustand eine Dichtschließfunktion bewirkt. Zusätzlich kann das Ventil 29 des ersten Brennstoffzellenstapels 11 geschlossen werden, damit kein Luftsauerstoff über den Stackbypass-Verbindungspfad 23 in den Abluftpfad 301 des ersten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Weiter wird der erste Brennstoffzellenstapel 11 für eine vorbestimmte Zeit unterstöchiometrisch betrieben, das heißt der Luftüberschuss lambdaCath liegt während dieser Zeit unter einem Wert von 1. Dadurch wird der gesamte Sauerstoff in dem ersten Brennstoffzellenstapel 11 verbraucht, so dass die Abluft im Abluftpfad 301 im zweiten Betriebsmodus keinen Sauerstoff enthält. Diese sauerstofffreie Abluft im Abluftpfad 301 kann durch den Verbindungspfad 23 in den Zuluftpfad 202 des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 strömen. Auf diese Weise wird der zweite Brennstoffzellenstapel 12 inertisiert. Optional kann der Stackbypass-Verbindungspfad 25 inertisiert werden, wenn das Ventil 30 geöffnet wird/ist. Zum Beenden der Inertisierung des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 wird die Ventileinrichtung 18 und die Abluftventileinrichtung 36 geschlossen. Anschließend kann der erste Brennstoffzellenstapel 11 überstöchiometrisch betrieben werden, das heißt mit lambdaCath größer als 1. Die Inertisierung des dritten bzw. ersten Brennstoffzellenstapels 13, 11 kann entsprechend angepasst durchgeführt werden.
  • Bei einem dritten Betriebsmodus zur Luftverarmung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 können der Verdichter 7 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 abgeschaltet, die Zuluftventileinrichtung 33 geschlossen und die Ventileinrichtung 17 geöffnet werden. Alternativ können der Verdichter 7 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15, die Zuluftventileinrichtung 33 und die Ventileinrichtung 17 derart geregelt werden, dass sich aus der Abluft des Abluftpfades 301, welcher die Abluft in den Zuluftpfad 202 zuführt, und der Zuluft im Zuluftpfad 202 eine Gasmischung bildet, die dem zweiten Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird. Weiterhin kann der Betrieb des ersten Brennstoffzellenstapels 11, also insbesondere die Zuluftventileinrichtung 32, die Abluftventileinrichtung 35, das Ventil 29 und der Verdichter 5, so eingestellt werden, dass der zweite Brennstoffzellenstapel 12 von der Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 11 mitversorgt werden kann. Insbesondere wird der Luftüberschuss lambdaCath in dem ersten Brennstoffzellenteilsystem 14 so eingestellt, dass die Abluft einen vorbestimmten Sauerstoffgehalt zum Betrieb des zweiten Brennstoffzellenstapels 12 aufweist.
  • In dem vierten Betriebsmodus zur Befeuchtung und/oder Kühlung des Zuluftpfades 201 bis 203 durch den Abluftpfad 301 bis 303 kann beim Ansteuern eine Freigabe-Bedingung für eine mögliche Dosierung überprüft werden. Demnach wird gefordert, dass der Druck pExhEntnahme an der Abnahmestelle im ersten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 höher ist als die Summe des Drucks plnDosierstelle an der Dosierstelle im zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 und der zusätzlichen Druckverluste dpLosses in dem Verbindungspfad 401-409 und der Ventileinrichtung 17-19; 53-55, d.h. es muss ein Potentialgefälle vorliegen: pExhEntnahme ( FCS_i ) > pInDosierstelle ( FCS_k ) + dpLosses
    Figure DE102022212248A1_0003
  • Weitere Freigabe-Bedingungen können berücksichtigt werden, etwa Verdünnungsbedingungen bezüglich Purge-, Drain- oder Purge-Drain-Prozessen durch den Anodenpfad.
  • Eine mögliche Dosieranforderung wird vom zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 angefordert, d.h. eine Befeuchtung der Zuluft, welche im zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 erforderlich ist.
  • Die notwendige Dosiermenge bzw. der notwendige Dosiermengenstrom wird aus den Bedingungen der Zuluft an der Zudosierstelle im zweiten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 (bezüglich Temperatur, Druck und/oder Massestrom) und den Bedingungen der Abluft an der Entnahmestelle im ersten Brennstoffzellenteilsystem 14 bis 16 (bezüglich Feuchte, Wassergehalt, etc.) und den angeforderten Stapel-Eintrittsbedingungen (erforderlicher Druck, Massenstrom und/oder Feuchte) ermittelt.
  • Die Dosieranforderungen können bereits in der Trajektorienplanung und der Vorsteuerung der Systeme mitberücksichtigt werden.
  • Liegt die Freigabebedingung vor und ist eine Dosierung angefordert, kann eine Zudosierung einer bestimmten Menge/Masse bzw. eines bestimmten Mengenstroms/Massenstroms erfolgen.
  • Die entsprechende Ventileinrichtung 17-19; 53-55 wird so angesteuert, dass die angeforderte Menge bzw. Masse entnommen bzw. zugeführt wird. Die Ventileinrichtung 17-19; 53-55 kann hierbei getaktet werden, etwa bei einem Auf/Zu-Ventil, oder geregelt werden, etwa bei einem kontinuierlich betreibbaren Ventil.
  • Die Ventilansteuerung wird aus den vorliegenden Bedingungen ermittelt insbesondere aus dem Druckgefälle dp = pAbgas ( FCS_i ) pZuluft ( FCS_k ) .
    Figure DE102022212248A1_0004
  • Die Schritte können durch die Programme der Steuereinrichtung 500, 600 laufend ausgeführt werden, d.h. wenn sich Bedingungen oder Freigaben oder Betriebsarten ändern, kann sofort innerhalb eines Rechentaktes (von etwa 10ms) reagiert werden.
  • Bei einem Mehrfach-Brennstoffzellensystem 1000-7000 kann ein Energiemanagementsystem (etwa die erste Steuereinheit 110 in 6) die Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellenteilsystemen 14-16 vornehmen.
  • Aus einer angeforderten Leistung Pel und den Randbedingungen und der Betriebsstrategie wird ein Betriebspunkt für das Luftsystem ermittelt. Zum Beispiel erfordert eine angeforderte elektrische Leistung Pel einen Betriebspunkt pAir ,mAir = f ( Pel , pamb , Tamb , fiamb , Tcool , dTcool , lambdaCath , vVeh , actCathout ) ,
    Figure DE102022212248A1_0005
    wobei pAir, mAir Luftdruck und -masse, pamb, Tamb Umgebungsdruck und - masse, fiamb eine Umgebungsfeuchte, Tcool eine Kühlsystemtemperatur, dTcool eine Temperaturdifferenz von Eintritt zu Austritt, lambdaCath einen Luftüberschuss, vVeh eine Fahrzeuggeschwindigkeit und actCathout eine Aktivität am Kathodenaustritt bezeichnen. Weitere Abhängigkeiten sind ebenfalls möglich.
  • Damit folgt für den Fall dreier Brennstoffzellenteilsysteme FCS1-FCS3 FCS1 Pel1 pAir1 ,mAir1 pAirDos1 ,pAirEntn1 ,
    Figure DE102022212248A1_0006
    FCS2 Pel2 pAir2 ,mAir2 pAirDos2 ,pAirEntn2 ,
    Figure DE102022212248A1_0007
    FCS3 Pel3 pAir3 ,mAir3 pAirDos3 ,pAirEntn3 ,
    Figure DE102022212248A1_0008
    wobei pAirDos1-3, pAirEntn1-3 den Druck bei der Dosierstelle bzw. Entnahmestelle bezeichnen.
  • Daraus lassen sich die Druckdifferenzen zwischen den Entnahmestellen und den Dosierstellen bestimmen bzw. umgekehrt auch abstimmen. Damit können mittels des Energiemanagementsystems die Befeuchtungsmöglichkeiten sichergestellt und abgestimmt werden. Zur Ermittlung und Abstimmung der Betriebsbedingungen können echtzeitfähige Optimierungsalgorithmen eingesetzt werden.
  • Wenn die Brennstoffzellenstapel 11-13 unterschiedlich altern, kann dies ebenfalls bei der Steuerung bzw. Regelung berücksichtigt werden, d.h. die adaptive Betriebsstrategie berücksichtigt die Alterung und über die Leistungsverzweigung werden die Befeuchtungsmöglichkeiten auch über die Lebensdauer sichergestellt.
  • Der fünfte Betriebsmodus zur Verbesserung eines Startverhaltens und einer Dynamik/Performance kann den neu zu startenden Brennstoffzellenstapel 11-13 übergangsweise mit Luft aus einem bereits in Betrieb befindlichen Brennstoffzellenstapel 11-13 versorgen. Dabei kann die in dem neu zu startenden Brennstoffzellenstapel 11-13 benötigte Luft beispielsweise über den Stackbypass-Verbindungspfad 23, den Abluftpfad 301 und den Verbindungspfad 401 des bereits in Betrieb befindlichen Brennstoffzellenstapels 11-13 zugeführt werden. Dadurch kann das zeitlich limitierende Hochfahren des Verdichters 7 des neu zu startenden Brennstoffzellenstapels 11-13 überbrückt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der fünfte Betriebsmodus auf dieselbe Weise bei einer schnell ansteigenden Leistungsanforderung verwendet werden. Ist beispielsweise der zweite Brennstoffzellenstapel nur gering ausgelastet und soll möglichst schnell zu hoher Last springen, kann Luft aus dem ersten Brennstoffzellenteilsystem 14 in den Zuluftpfad 202 des zweiten Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt werden, wenn der Verdichter 5 bereits eine höhere Drehzahl aufweist als der Verdichter 7 des zweiten Brennstoffzellenstapel 12. Vorteilhafterweise ist die Dynamik der Ventileinrichtungen 17-19, der Zuluftventileinrichtungen 32-34, der Abluftventileinrichtungen 35-37 und der Ventile 29-31 etwa um den Faktor 10-15 höher als die Dynamik der Verdichter 5, 7, 9.
  • Der sechste Betriebsmodus zur Aufrechterhaltung der Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 kann angewendet werden, wenn Standby-Phasen vorliegen oder aufgrund von Undichtheit der Zuluftventileinrichtungen und/oder Abluftventileinrichtungen die Inertisierung des Brennstoffzellenstapels 11-13 nachlässt. Um den Brennstoffzellenstapel 11-13 in Stillstand zu versetzen, wird dieser vorzugsweise mittels des zweiten Betriebsmodus inertisiert. Die Inertisierung kann dabei beispielsweise erneuert werden, wenn in Stillstandsphasen des Brennstoffzellensystems, also wenn alle Funktionen abgeschaltet sind, zeitweise ein Brennstoffzellenstapel 11-13 gestartet wird, um zum Beispiel den Energiespeicher nachzuladen.
  • Der siebte Betriebsmodus zur Notversorgung des Brennstoffzellenstapels 11 bis 13 mit Luft kann vorgesehen sein, um den Brennstoffzellenstapel 11-13 weiterhin mit Luft zu versorgen, falls der Verdichter ausfällt. Somit kann beispielsweise dem zweiten Brennstoffzellenstapel 12 über den Stackbypass-Verbindungspfad 23 Frischluft und über den Abluftpfad 301 Abluft zugeführt werden, welche durch den Verbindungspfad 401 in den Zuluftpfad 202 strömt. Diese Mischung aus Frischluft und Abluft kann so eingestellt werden, dass der zweite Brennstoffzellenstapel 12 betrieben werden kann. Bei einem Brennstoffzellensystem 7000 nach 7 kann alternativ der Luftüberschuss lambdaCath in der Zuluft zum ersten Brennstoffzellenstapel 201 derart angepasst werden, dass die Abluft des ersten Brennstoffzellenstapels 201, welche dem zweiten Brennstoffzellenstapel 12 über den Verbindungspfad 401 zugeführt wird, einen ausreichend hohen Sauerstoffgehalt aufweist.
  • In einem achten Betriebsmodus zur Komponentenschonung des Luftverdichtungssystems kann der Verdichter 7 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 14 abgeschaltet werden, wenn lediglich geringe Leistungsanforderungen vorliegen. Dabei wird der zweite Brennstoffzellenstapel 12 von dem Luftstrom des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 mitversorgt. Auf diese Weise kann auch die Energieeffizienz gesteigert werden, da nur ein Verdichter 5 betrieben werden muss, um zwei oder mehr Brennstoffzellenstapel mit Gas zu versorgen.
  • In einem neunten Betriebsmodus zur Optimierung des Gefrierstarts können der zweite Betriebsmodus und der dritte Betriebsmodus kombiniert werden. Zunächst wird der zweite Betriebsmodus angewendet, wobei zusätzlich warmes Kühlmittel aus dem ersten Brennstoffzellenteilsystem 14 in das zweite Brennstoffzellenteilsystem 15 geleitet werden kann, um den Aufwärmprozess zu beschleunigen. Danach kann der dritte Betriebsmodus angewendet werden. Hierbei kann die Menge an eingeleitetem Sauerstoff so eingestellt werden, dass einerseits genügend Abwärme für den Aufwärmprozess bereitgestellt wird und andererseits der Sauerstoffgehalt so niedrig ist, dass kaum Wasser entstehen kann. Der Reaktionsprozess wird dabei so durchgeführt, dass eine geringe elektrische Leistung und eine große Abwärme bereitgestellt wird. Das heißt das Brennstoffzellensystem wird im neunten Betriebsmodus absichtlich in einem schlechten Brennstoffzellenwirkungsgrad betrieben.
  • Der zehnte Betriebsmodus zur Trocknung der Systemkomponenten kann den Verdichter 7 betreiben, während das zugehörige Brennstoffzellenteilsystem 14 abgeschaltet ist. Allerdings kühlt das Brennstoffzellenteilsystem 14 dann ab oder wird vom Kühlsystem abgekühlt. Dadurch kann Wasser aus dem sich abkühlenden Gas kondensieren. Um die Kondensation zu verringern, kann die Abluft des Abluftpfades 301 sowie optional Frischluft über den Stackbypass-Verbindungspfad 23 des ersten Brennstoffzellenteilsystems 14 durch den Verbindungspfad 401 in den Zuluftpfad 202 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 geleitet werden. Darüber hinaus kann die Gasmischung weiter durch den Stackbypass-Verbindungspfad 25 und den Abluftpfad 302 des zweiten Brennstoffzellenteilsystems 15 geleitet werden, um alle Pfade zu trocknen. Dabei kann die Gasmischung aus Frischluft und Abluft durch die Steuerung des Ventils 29 so eingestellt werden, dass die Trocknung nicht zu wenig und nicht zu stark ist, um beispielsweise eine Degradation und einen Wasserstoff-Übertritt in der Kathode zu vermeiden. Optional kann der zehnte Betriebsmodus mit dem zweiten Betriebsmodus gekoppelt werden.
  • Weiter können in einem elften Betriebsmodus zur Rückgängigmachung der reversiblen Degradations-Prozesse in den Brennstoffzellenstapeln 11 bis 13 der zweite Betriebsmodus und der dritte Betriebsmodus mit einer entsprechenden Ansteuerung eines DC-DC-Wandlers kombiniert werden.
  • Bei einem zwölften Betriebsmodus zur Diagnose können beispielweise ein Dichtheitsgrad der Ventile, Ventileinrichtungen und Zuluft-/Abluftventileinrichtungen und/oder eine Funktionstüchtigkeit des Brennstoffzellenstapels 11-13 ermittelt werden.
  • In einem dreizehnten Betriebsmodus zum Wärmebetrieb kann insbesondere eine Standheizungsfunktion implementiert werden. Dabei kann die Abluft in dem Anluftpfad 301 durch den Verbindungspfad 401 in den Zuluftpfad 202 geleitet werden. Der Luftüberschuss lambdaCath kann dabei kleiner Wert 1 sein, da kein Sauerstoffüberschuss für eine effiziente Wandlung benötigt wird. In diesem Fall ist der schlechte elektrische Wirkungsgrad beabsichtigt, um möglichst viel Abwärme bereitstellen zu können. Alternativ kann der dreizehnte Betriebsmodus bei einer Bergabfahrt verwendet werden, um durch die Abwärme den Brennstoffzellenstapel 11-13, welcher bei der Bergabfahrt unter kalten Bedingungen abgeschaltet ist, über einer vorbestimmten Temperaturschwelle zu halten.
  • Ein vierzehnter Betriebsmodus zur Strömungsumkehr kann die Druckdifferenz zwischen dem Zuluftpfad 202 und dem Abluftpfad 301 so einstellen, dass das Gas von dem Zuluftpfad 202 durch den Verbindungspfad 401 in den Abluftpfad 301 strömt. Dadurch kommt es zu einer inversen Strömungsrichtung, welche der üblichen Strömungsrichtung entgegengesetzt ist. Dies kann beispielsweise zur Diagnose von Randzellen des Brennstoffzellenstapels 11-13 verwendet werden, damit auf diese Weise Frischluft die Randzellen erreicht, welche in der üblichen Strömungsrichtung als letzte durchströmt werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017214312 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1000-7000) mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln (11-13), wobei jeder Brennstoffzellenstapel (11-13) mit mindestens einem Zuluftpfad (201-203) des Brennstoffzellensystems (1000-7000) zum Zuführen von Zuluft und mit mindestens einem Abluftpfad (301-303) des Brennstoffzellensystems (1000-7000) zum Abführen von Abluft gekoppelt ist, und mindestens einem Verbindungspfad (401-411), welcher zwischen mindestens einem Abluftpfad (301-303), welcher mit mindestens einem ersten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, und mindestens einem Zuluftpfad (201-203), welcher mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel (11-13) verschiedenen zweiten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, angeordnet ist, mit den Schritten: Zuführen der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13) über den mindestens einen Verbindungspfad (401-411) zu der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13), so dass daraus ein Fluidgemisch entsteht, welches dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (11-13) zugeführt wird; Bestimmen zumindest eines Betriebsparameters des Fluidgemisches anhand von einem mittels eines Sensors gemessenen Parameter der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebsparameter und/oder der gemessene Parameter mindestens eines von Druckniveaus, Luftmassenströmen, Temperaturen, Fluidzusammensetzung, Feuchte, Sauerstoffgehalt und Wassergehalt umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Bestimmen des zumindest einen Betriebsparameters des Fluidgemisches der Parameter der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13) mittels eines Sensors in dem mindestens einen Verbindungspfad (401-411) gemessen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Bestimmen des zumindest einen Betriebsparameters des Fluidgemisches der Parameter der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13) mittels eines Sensors in dem Zuluftpfad (201-203) gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betriebsparameter des Fluidgemisches weiter unter Berücksichtigung mindestens eines Optimierungsziels eingestellt wird, wobei das mindestens eine Optimierungsziel eine Minimierung eines Verbrauchs und/oder eine Minimierung einer Alterung der Brennstoffzellenstapel (11-13) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betriebsparameter des Fluidgemisches durch eine Änderung des Zuführens der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13) über den mindestens einen Verbindungspfad (401-411) angepasst wird.
  7. Brennstoffzellensystems (1000-7000) mit: einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln (11-13), wobei jeder Brennstoffzellenstapel (11-13) mit mindestens einem Zuluftpfad (201-203) des Brennstoffzellensystems (1000-7000) zum Zuführen von Zuluft und mit mindestens einem Abluftpfad (301-303) des Brennstoffzellensystems (1000-7000) zum Abführen von Abluft gekoppelt ist; mindestens einem Verbindungspfad (401-411), welcher zwischen mindestens einem Abluftpfad (301-303), welcher mit mindestens einem ersten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, und mindestens einem Zuluftpfad (201-203), welcher mit mindestens einem von dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel (11-13) verschiedenen zweiten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13) der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13) zuzuführen; und einer Steuereinrichtung (500; 600), welche dazu ausgebildet ist, die Menge der über den mindestens einen Verbindungspfad (401-411) zugeführten Abluft mittels einer Ventileinrichtung (17-19; 53-55) unter Berücksichtigung zumindest eines Betriebsparameters eines Fluidgemisches aus der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13) und der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13) einzustellen.
  8. Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach Anspruch 7, ferner aufweisend einen Sensor, welcher zur Messung eines Parameters der Abluft in dem mindestens einen Verbindungspfad (401-411) angeordnet ist.
  9. Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach Anspruch 8, wobei der Sensor stromaufwärts und/oder stromabwärts der Ventileinrichtung in dem mindestens einen Verbindungspfad (401-411) angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Betriebsparameter und/oder der mittels Sensor gemessene Parameter mindestens eines von Druckniveaus, Luftmassenströmen, Temperaturen, Fluidzusammensetzung, Feuchte, Sauerstoffgehalt und Wassergehalt umfasst.
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