DE102022212441A1

DE102022212441A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102022212441A1
Application number: DE102022212441.3A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft 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. In dem mindestens einen Verbindungspfad ist mindestens eine Ventileinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. In dem mindestens einen Zuluftpfad mindestens eine Zuluftventileinrichtung angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Zuluft zu verändern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel aus einer Umgebung zugeführt wird, und wobei in dem mindestens einen Abluftpfad mindestens eine Abluftventileinrichtung angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel in die Umgebung abgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
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.
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 Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
Gemäß einem ersten 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. In dem mindestens einen Verbindungspfad ist mindestens eine Ventileinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. In dem mindestens einen Zuluftpfad ist mindestens eine Zuluftventileinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Zuluft zu verändern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel aus einer Umgebung zugeführt wird. Ferner ist in dem mindestens einen Abluftpfad mindestens eine Abluftventileinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel in die Umgebung abgeführt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, wobei die mindestens eine Zuluftventileinrichtung angesteuert wird, um eine Menge der Zuluft zu steuern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel aus der Umgebung zugeführt wird, und wobei die mindestens eine Abluftventileinrichtung angesteuert wird, um eine Menge der Abluft zu steuern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel in die Umgebung abgeführt wird.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrude 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 somit eine flexible und variable Befeuchtungsmöglichkeit der Kathodenzuluft, die für die Optimierung des Betriebes und auch für die Verminderung der Degradation vorteilhaft ist.
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.
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, womit sich auch Vorteile hinsichtlich des Bauraums ergeben.
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 Kühlmittelkreis 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.
Ferner ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem redundant ausgelegt und weist einen erweiterten Betriebsbereich auf, welcher es dem System ermöglicht auch in besonders heißen Ländern der Erde und/oder in großen Höhen über dem Meeresspiegel betrieben werden zu können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Zuluftventileinrichtung anzusteuern, um die Menge der Zuluft zu verändern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel aus der Umgebung zugeführt wird. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die mindestens eine Abluftventileinrichtung anzusteuern, um die Menge der Abluft zu verändern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel in die Umgebung abgeführt. Durch Ansteuern der Zuluftventileinrichtung und/oder der Abluftventileinrichtung begünstigt die Erfindung eine betriebspunktabhängige Befeuchtungsmöglichkeit der Zuluft. Dies ermöglicht es, den Systembetrieb zu erweitern bzw. die volle Leistungsanforderung aufrecht zu erhalten. Das Brennstoffzellensystem muss in der meist mobilen Applikation einen sehr großen Betriebsbereich mit sehr unterschiedlichen Rand- und Umgebungsbedingungen adäquat abdecken. Die Systemauslegung kann verbessert werden, was die Kosten senkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Menge der zugeführten Zuluft unter Berücksichtigung von Feuchte, Drücken, Massenströmen und/oder Temperaturen in einem ersten Abschnitt des mindestens einen Zuluftpfades zwischen der mindestens einen Zuluftventileinrichtung und der Umgebung im Vergleich zu einem zweiten Abschnitt des mindestens einen Zuluftpfades zwischen der mindestens einen Zuluftventileinrichtung und dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel einzustellen. Dies gibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Es können Drücke, Massenströme, Fluidzusammensetzung insbesondere Feuchte bzw. Wassergehalt und/oder Temperaturen sowohl vom Entnahme-Brennstoffzellenstapel als auch vom Ziel- Brennstoffzellenstapel berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Menge der abgeführten Abluft unter Berücksichtigung von Drücken, Massenströmen und/oder Temperaturen in dem mindestens einen Abluftpfad, welcher mit dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, einzustellen. Dies gibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Es können Drücke, Massenströme, Fluidzusammensetzung insbesondere Feuchte bzw. Wassergehalt und/oder Temperaturen sowohl vom Entnahme-Brennstoffzellenstapel als auch vom Ziel- Brennstoffzellenstapel berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Stackbypass-Verbindungspfad, welcher zwischen mindestens einem Zuluftpfad und mindestens einem Abluftpfad angeordnet ist, wobei in dem Stackbypass-Verbindungspfad mindestens ein Ventil angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, eine Menge der Zuluft zu verändern, welche dem Abluftpfad aus dem Zuluftpfad zugeführt.
Gemäß einer Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Menge der zugeführten Abluft mittels der mindestens einen Ventileinrichtung im Zusammenspiel mit der mindestens einen Abluftventileinrichtung des Abluftpfades, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, sowie der mindestens einen Zuluftventileinrichtung des Zuluftpfades, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, unter Berücksichtigung von Drücken, Massenströmen und/oder Temperaturen in dem mindestens einen Abluftpfad, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und in dem mindestens einen Zuluftpfad, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, einzustellen. Somit ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den Strömungsquerschnitt in dem Zuluftpfad und dem Abluftpfad zu regeln.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Verdichter, wobei der Verdichter in mindestens einem Zuluftpfad angeordnet und in Abhängigkeit zu der Menge der Zuluft, welche dem Brennstoffzellenstapel aus einer Umgebung zugeführt wird, gesteuert ist. Somit reduziert sich die Förderleistung des Verdichters, wenn die Zuluftventileinrichtung die Menge der Zuluft reduziert und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels nur dann zuzuführen, wenn ein Druck in dem mindestens einem Abluftpfad, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, größer ist als ein Druck in dem mindestens einen Zuluftpfad, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist. Dadurch wird ein Druckgefälle sichergestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die einzelnen Brennstoffzellenstapel hinsichtlich des Druckniveaus so abzustimmen, dass ausreichend Druckdifferenz zwischen der Entnahmestelle der Abluft und der Zudosierstelle der Zuluft sichergestellt wird. Dazu kann die Steuereinrichtung die mindestens eine Ventileinrichtung derart ansteuern, dass eine gewünschte Menge/Masse bzw. ein gewünschter Mengenstrom/Massenstrom zwischen den Brennstoffzellenstapeln übertragen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, eine Abstimmung des Betriebs und der Druckniveaus mittels einer Leistungsaufteilungs-Betriebsstrategie vorzunehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems wird kontinuierlich Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt. Die Befeuchtung und/oder Kühlung erfolgt somit kontinuierlich. Hierzu können die Brennstoffzellenstapel bei einer übergeordneten Betriebsstrategie bereits nach den Druckverhältnissen geordnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels in einem intermittierenden Betrieb (z.B. getaktet, adaptiv, durch Parameter getriggert und/oder durch Events getriggert) zuzuführen. Vorzugsweise wird Abluft der Zuluft nur an denjenigen Betriebspunkten zugeführt, bei welchen die Kathode insbesondere am Eintritt nicht ausreichend befeuchtet ist. Es kann somit eine bedarfsgerechte Befeuchtung bzw. Kühlung bereitgestellt werden. Aufgrund der Stapelalterung bzw. auch Systemdegradation über Lebenszeit kann die variable Zudosierung eine adaptive Betriebsweise ermöglichen bzw. verbessern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Ventileinrichtungen mittels eines lernenden und adaptiven Verfahrens anzusteuern. Dadurch ergibt sich eine schrittweise Verbesserung bzw. Optimierung und eine Adaption über die Lebenszeit des Brennstoffzellensystems und über verschiedene Anwendungsfälle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses ein Abgasventil und/oder eine Turbine im Abluftpfad, wobei eine Abzweigung der Abluft im Abluftpfad stromabwärts des ersten Brennstoffzellenstapels und stromaufwärts des Abgasventils und/oder der Turbine erfolgt. Dadurch kann ein ausreichendes Druckniveau sichergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses eine Verdichtereinrichtung, wobei die Verdichtereinrichtung in dem Zuluftpfad angeordnet ist, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist. Das Einbringen der Abluft in den Zuluftpfad erfolgt vorzugsweise stromabwärts nach der Verdichtung. Eine Kostenreduktion ist möglich, da beispielsweise eine maximale Anforderung an einen Verdichter bezüglich des Druckverhältnisses reduziert werden kann und/oder eine Auslegung der Brennstoffzellenstapel am Volllastpunkt verbessert werden kann, etwa durch Absenkung der Druckanforderung und der parasitären Leistung des Luftverd ichtu ngssystems.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst die Verdichtereinrichtung eine Vielzahl von Verdichterstufen, wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zumindest zwischen zwei Verdichterstufen der Verdichtereinrichtung zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses einen Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager, wobei der Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager in dem Zuluftpfad angeordnet ist, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels stromaufwärts und/oder stromabwärts des Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertragers zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses einen Tropfenabscheider, wobei der Tropfenabscheider in dem Abluftpfad angeordnet ist, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, und wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels stromabwärts bezüglich des Tropfenabscheiders abzuführen und der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellensystems zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems umfasst dieses mindestens einen passiven Wärmeübertrager, wobei der mindestens eine passive Wärmeübertrager dazu ausgebildet ist, die Zuluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels durch die Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels zu kühlen, und wobei der mindestens eine Verbindungspfad dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels stromaufwärts bezüglich des passiven Wärmeübertragers abzuführen und der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellensystems stromabwärts des passiven Wärmeübertragers zuzuführen. Passive Wärmeübertrager entlasten den Flüssig-Kühlkreis, da Abwärme durch Abluft entsorgt wird. Weiter kann eine Turbinenleistung durch eine höhere Turbineneintrittstemperatur erhöht werden und es ist kein Wasserabscheider notwendig. Der Luft-Flüssigkeits-Wärmeübertrager kann in diesen Fällen klein ausfallen oder auch durch diese Maßnahme ganz entfallen, da die Kühlung durch die im Verbindungspfad übertragene feuchte Luft bewerkstelligt werden kann. Vorzugsweise erfolgt hier die Entnahme stromaufwärts des passiven Wärmeübertragers, um die zu übertragende Abluft nicht zu heiß zu transferieren.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems ist in dem mindestens einen Verbindungspfad des Brennstoffzellensystems mindestens eine Ventileinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Ferner wird die mindestens eine Ventileinrichtung angesteuert, um eine Menge der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels zu steuern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems werden die Brennstoffzellenstapel derart aufeinander bzw. untereinander abgestimmt, dass Betriebsbedingungen zum Ansteuern der mindestens einen Ventileinrichtung in dem mindestens einen Verbindungspfad, der mindestens einen Zuluftventileinrichtung und/oder der mindestens einen Abluftventileinrichtung vorliegen. Insbesondere können die erforderlichen Druckdifferenzen zwischen den Brennstoffzellenstapeln eingestellt werden. Die Abstimmung der Brennstoffzellenstapel kann durch Einstellen einer Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellenstapeln und einem oder mehreren mit den Brennstoffzellenstapeln gekoppelten Energiespeichern erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Abstimmung der Brennstoffzellenstapel durch Einstellen einer Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellenstapeln erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Abstimmung der Brennstoffzellenstapel durch Einstellen der abgestimmten Betriebsparameter eines Wassermanagements der Brennstoffzellenstapel erfolgen.
Das Wassermanagement kann im Rahmen dieser Erfindung alle relevanten Betriebsbedingungen und Betriebsparameter betreffen, die für den Brennstoffzellenstapel und das Feuchtemanagment der Membran relevant sind. Die daraus ermittelten Sollwerte werden durch eine Wassermanagement-Steuerung in eine Betriebsführung umgesetzt.
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.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems werden die Brennstoffzellenstapel hinsichtlich den Betriebsparametern der jeweiligen Wassermanagements, insbesondere Druckniveaus, Luftmassenströme, Temperaturen und Fluidzusammensetzung bzw. Feuchte bzw. Wassergehalt abgestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfasst das Durchführen eines Wassermanagements der Brennstoffzellenstapel eine Abstimmung zwischen einem Druckniveau und einer Überstöchiometrie in einem Kathodenpfad des jeweiligen Brennstoffzellenstapels, eine Einstellung einer Stack-Temperatur, eine Einstellung einer Kühlmitteltemperatur, einer Einstellung einer Eintrittsfeuchte an der Kathode und/oder eine Einstellung einer Austrittsaktivität an der Kathode des jeweiligen Brennstoffzellenstapels.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems variieren Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von Betriebsmodi, wobei ein Wechsel zwischen den Betriebsmodi von einem vorbestimmten Grenzwert eines Betriebsparameters abhängt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems werden Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 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 Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird weiter zumindest eines von einer Vorsteuerung, einer Prädiktion, einer Detektion, einer Plausibilisierung und einer Regelung im Rahmen einer Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems durchgeführt, unter Berücksichtigung des Ansteuerns der mindestens einen Ventileinrichtung.
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.
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.
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.
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, der Sauerstoffgehalt am Kathodeneintritt oder am Kathodenaustritt, 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 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: $lambdaCath = mAirStack / mAirStackSt \ddot{o} chiometrisch,$
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 werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 Sensordaten erzeugt, welche von momentanen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 1000 bis 7000 abhängen.
In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird die mindestens eine Zuluftventileinrichtung 32-34 durch eine Steuereinrichtung 500, 600 angesteuert, um eine Menge der Zuluft zu steuern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11-13 aus der Umgebung 1 zugeführt wird. Darüber hinaus wird die mindestens eine Abluftventileinrichtung 35-37 durch die Steuereinrichtung 500, 600 angesteuert, um eine Menge der Abluft zu steuern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11-13 in die Umgebung 1 abgeführt wird. Dabei kann es sich um ein Regelverfahren handeln, welches bestimmte Parameter, welche anhand der Sensordaten ermittelt werden können, auf vorgegebene Werte regelt.
In dem Verfahrensschritt S2 wird 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.
Ferner können die Brennstoffzellenstapel 11-13 durch Einstellen von Betriebsparametern eines Wassermanagements der Brennstoffzellenstapel 11-13 derart untereinander abgestimmt werden, dass Betriebsbedingungen zum Ansteuern S2 der mindestens einen Zuluftventileinrichtung 32-34, der mindestens einen Abluftventileinrichtung 35-37 und/oder der mindestens einen Ventileinrichtung 17-19; 53-55 vorliegen.
In einem ersten Betriebsmodus zum unabhängigen Betrieb der jeweiligen Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 sind die Brennstoffzellenstapel 11 bis 13 des Brennstoffzellensystems 1000 bis 7000 nicht gekoppelt. Dabei sind die Ventileinrichtungen 17-19; 53-55 geschlossen. Vorzugsweise sind die Ventileinrichtungen 17-19; 53-55 derart ausgebildet, dass sie in einem geschlossenen Zustand eine Dichtschließfunktion bewirken. Das heißt eine Schließkraft bzw. Anpresskraft auf die Dichtflächen der Ventileinrichtungen 17-19; 53-55 wird soweit erhöht, dass eine vorbestimmte Dichtheit bereitgestellt 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 7 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 17 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 und die Ventileinrichtung 17 geschlossen. Parallel dazu wird Ventileinrichtung 35 geöffnet. 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: $pExhEntnahme (FC S_i) > plnDosierstelle (FCS_k) + dpLosses$
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 $dp = pAbgas (FCS_i) - pZuluft (FCS_k) .$
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 $\begin{matrix} pAir, mAir = f (Pel, pamb, Tamb, fiamb, Tcool, dTcool, lambdaCath, vVeh, \\ actCathout), \end{matrix}$
wobei pAir, mAir Luftdruck und -masse des jeweiligen Stacks, pamb, Tamb Umgebungsdruck, fiamb eine Umgebungsfeuchte, Tcool eine Kühlmitteltemperatur, dTcool eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels 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 $FCS1 \to Pel1 \to pAir1, mAir1 \to pAirDos1, pAirEntn1,$
$FCS2 \to Pel2 \to pAir2, mAir2 \to pAirDos2, pAirEntn2,$
$FCS3 \to Pel3 \to pAir3, mAir3 \to pAirDos3, pAirEntn3,$
wobei pAirDosl-3, pAirEntnl-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 bzw. Nachtrocknung der Systemkomponenten kann den Verdichter 7 zur Trocknung des Brennstoffzellenteilsystems 15 bei dessen Abschaltung betreiben. Dann wird auch der Verdichter 7 abgeschaltet. Das Brennstoffzellenteilsystem 15 kühlt dann ab oder wird vom Kühlmittelsystem abgekühlt. Dadurch kann Wasser aus dem sich abkühlenden Gas im Stack und den Komponenten des Teilsystems 15 kondensieren. Um kondensiertes Wasser nach der Abkühlung zu entfernen, kann die Abluft des Abluftpfades 301 sowie vorzugsweise Frischluft über den Stackbypass-Verbindungspfad 23 des ersten noch aktiven 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 Abluftpfad 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.
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.

Claims

Brennstoffzellensystem (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, und dazu ausgebildet ist, Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13) der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13) zuzuführen; wobei in dem mindestens einen Verbindungspfad (401-411) mindestens eine Ventileinrichtung (17-19; 53-55) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13) zugeführt wird; und wobei in dem mindestens einen Zuluftpfad (201-203) mindestens eine Zuluftventileinrichtung (32-34) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Zuluft zu verändern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) aus einer Umgebung (1) zugeführt wird, und wobei in dem mindestens einen Abluftpfad (301-303) mindestens eine Abluftventileinrichtung (35-37) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) in die Umgebung (1) abgeführt wird.
Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach Anspruch 1, mit einer Steuereinrichtung (500; 600), welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Zuluftventileinrichtung (32-34) anzusteuern, um die Menge der Zuluft zu verändern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) aus einer Umgebung (1) zugeführt wird, und/oder die mindestens eine Abluftventileinrichtung (35-37) anzusteuern, um die Menge der Abluft zu verändern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) in die Umgebung (1) abgeführt wird.
Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (500; 600) dazu ausgebildet ist, die Menge der zugeführten Zuluft unter Berücksichtigung von Feuchte, Drücken, Massenströmen und/oder Temperaturen in einem ersten Abschnitt des mindestens einen Zuluftpfades (201-203) zwischen der mindestens einen Zuluftventileinrichtung (32-34) und der Umgebung (1) im Vergleich zu einem zweiten Abschnitt des mindestens einen Zuluftpfades (201-203) zwischen der mindestens einen Zuluftventileinrichtung (32-34) und dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) einzustellen.
Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung (500; 600) dazu ausgebildet ist, die Menge der abgeführten Abluft unter Berücksichtigung von Drücken, Massenströmen und/oder Temperaturen in dem mindestens einen Abluftpfad (301-303), welcher mit dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, einzustellen.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Stackbypass-Verbindungspfad (23, 25, 27), welcher zwischen mindestens einem Zuluftpfad (201-203) und mindestens einem Abluftpfad (301-303) angeordnet ist, wobei in dem Stackbypass-Verbindungspfad (23, 25, 27) mindestens ein Ventil (29-31) angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, eine Menge der Zuluft zu verändern, welche dem Abluftpfad (301-303) aus dem Zuluftpfad (201-203) zugeführt.
Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (500; 600) dazu ausgebildet ist, die Menge der zugeführten Abluft mittels der mindestens einen Ventileinrichtung (17-19; 53-55) im Zusammenspiel mit der mindestens einen Abluftventileinrichtung (35-37) des Abluftpfades, welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, sowie der mindestens einen Zuluftventileinrichtung (32-34) des Zuluftpfades, welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, unter Berücksichtigung von Drücken, Massenströmen und/oder Temperaturen in dem mindestens einen Abluftpfad (301-303), welcher mit dem mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, und in dem mindestens einen Zuluftpfad (201-203), welcher mit dem mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapel (11-13) gekoppelt ist, einzustellen.
Brennstoffzellensystem (1000-7000) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Verdichter (5, 7, 9), wobei der Verdichter in mindestens einem Zuluftpfad (201-203) angeordnet und in Abhängigkeit zu der Menge der Zuluft, welche dem Brennstoffzellenstapel (11-13) aus einer Umgebung (1) zugeführt wird, gesteuert ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1000-7000) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Ansteuern (S2) der mindestens einen Zuluftventileinrichtung (32-34), um eine Menge der Zuluft zu steuern, welche dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) aus der Umgebung (1) zugeführt wird, und der mindestens einen Abluftventileinrichtung (35-37), um eine Menge der Abluft zu steuern, welche aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel (11-13) in die Umgebung (1) abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei in dem mindestens einen Verbindungspfad (401-411) des Brennstoffzellensystems (1000-7000) mindestens eine Ventileinrichtung (17-19; 53-55) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Menge der Abluft zu verändern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13) zugeführt wird, und wobei das Ansteuern (S2) ferner das Ansteuern der mindestens einen Ventileinrichtung (17-19; 53-55) umfasst, um eine Menge der Abluft des mindestens einen ersten Brennstoffzellenstapels (11-13) zu steuern, welche der Zuluft des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenstapels (11-13) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Brennstoffzellenstapel (11-13) - durch Einstellen einer Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellenstapeln (11-13) und mindestens einem mit den Brennstoffzellenstapeln (11-13) gekoppelten Energiespeicher, und/oder - durch Einstellen einer Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellenstapeln (11-13), und/oder - durch Einstellen von Betriebsparametern eines Wassermanagements der Brennstoffzellenstapel (11-13), derart untereinander abgestimmt werden, dass Betriebsbedingungen zum Ansteuern (S2) der mindestens einen Zuluftventileinrichtung (32-34), der mindestens einen Abluftventileinrichtung (35-37) und/oder der mindestens einen Ventileinrichtung (17-19; 53-55) vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Brennstoffzellenstapel (11-13) untereinander hinsichtlich der Betriebsparameter des jeweiligen Wassermanagements abgestimmt werden, wobei die Betriebsparameter mindestens eines von Druckniveaus, Luftmassenströmen, Temperaturen, Fluidzusammensetzung, Feuchte und Wassergehalt umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (1000-7000) in Abhängigkeit von Betriebsmodi variieren, wobei ein Wechsel zwischen den Betriebsmodi von einem vorbestimmten Grenzwert eines Betriebsparameters abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (1000-7000) weiter unter Berücksichtigung mindestens eines Optimierungsziels eingestellt werden, wobei das mindestens eine Optimierungsziel eine Minimierung eines Verbrauchs und/oder eine Minimierung einer Alterung der Brennstoffzellenstapel (11-13) umfasst.