EP4662726A1 - Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem im hochdruckbetrieb - Google Patents

Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem im hochdruckbetrieb

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Publication number
EP4662726A1
EP4662726A1 EP24702073.8A EP24702073A EP4662726A1 EP 4662726 A1 EP4662726 A1 EP 4662726A1 EP 24702073 A EP24702073 A EP 24702073A EP 4662726 A1 EP4662726 A1 EP 4662726A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
cell system
cell stack
mode
computing unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24702073.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helerson Kemmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4662726A1 publication Critical patent/EP4662726A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the presented invention relates to a fuel cell system, an operating method for operating a fuel cell system and a vehicle according to the appended claims.
  • Typical fuel cell systems operate at moderate temperatures of about 70°C and moderate pressures of about 2.5 bar.
  • Fuel cell systems are known that operate in high pressure at approx.
  • the high-pressure operation not only enables operation at high temperatures, but also improves the fuel efficiency of the fuel cell system through better humidification and higher oxygen partial pressure in the fuel cell stack. while at the system level this efficiency gain can be maintained or even increased due to energy recuperation.
  • the invention presented serves in particular to provide a robust and fuel-efficient fuel cell system.
  • a fuel cell system for converting energy is presented.
  • the fuel cell system presented comprises a fuel cell stack and a computing unit, wherein the computing unit is configured to switch the fuel cell system to an intermittent operation, wherein in the intermittent operation the fuel cell system is configured to repeatedly switch between a dry operation of the fuel cell stack and a wet operation of the fuel cell stack, and in the dry operation to set a reduced humidity in the fuel cell stack compared to the wet operation and in the wet operation to set a higher humidity in the fuel cell stack compared to the dry operation, and wherein the computing unit is configured to activate the intermittent operation only when a pressure of a the air mass flow supplied to the fuel cell stack is above a predetermined pressure threshold.
  • an intermittent operation or a so-called “toggle mode” is to be understood as an operating state of a fuel cell system in which there is a repeated change between a dry operation of the fuel cell stack with reduced humidity and a wet operation of the fuel cell stack with increased humidity.
  • a computing unit is understood to mean a computer, a processor, a subprocessor, a control unit or any other programmable circuit.
  • a stoichiometry for example an air mass flow supplied to the fuel cell stack and/or a pressure of an air mass flow supplied to the fuel cell stack and/or an external humidification can be adjusted.
  • the pressure of an air mass flow supplied to the fuel cell stack can be reduced and/or the air mass flow increased and/or an external humidification, i.e. an introduction of moisture or water by a humidification system can be reduced.
  • the fuel cell system according to the invention is based on the principle that the intermittent operation is only activated when a pressure of an air mass flow supplied to the fuel cell stack is above a predetermined pressure threshold value.
  • the intermittent operation reliably prevents flooding of, for example, a cathode of a fuel cell stack, the intermittent operation considerably expands an operating window for high-pressure operation with high pressure or an air mass flow whose pressure is above a predetermined pressure threshold value, so that the high-pressure operation can be set as a quasi-stationary operation in the fuel cell system presented and is not merely reserved for extreme conditions.
  • Intermittent operation is usually activated when a minimum gas velocity u min for liquid water discharge must be undercut in humid operation in order to ensure a specified membrane humidity.
  • a short-term violation of the respective specified stoichiometry limit values is permissible in intermittent operation, since the fuel cells can store a significant amount of water. This means that in intermittent operation the specified limit values are alternately violated and complied with.
  • the computing unit is configured to activate the intermittent operation only when a temperature of the fuel cell stack is below a predetermined temperature threshold.
  • the intermittent operation prevents flooding of the cathode of the presented fuel cell system, so that the intermittent operation can be activated particularly in this temperature range.
  • permissible reaction conditions in the fuel cell stack can be specified for a respective pressure to be provided, so that a state in which, for example, flooding of the cathode can occur is excluded or activation of intermittent operation, in which, for example, flooding of the cathode can occur, is excluded. Accordingly, the fuel cell system presented can be switched to intermittent operation safely or without the risk of damage to the fuel cell system.
  • the computing unit is configured to have an increased stoichiometry and in the wet operation a reduced stoichiometry compared to the dry operation.
  • a target activity of the fuel cell system can be reduced for a predetermined period of time in order to set the minimum gas velocity for discharging liquid water by increasing the stoichiometry in the fuel cell stack and/or reducing a pressure in the fuel cell stack (dry operation). After the predetermined period of time has elapsed, the target activity can be increased again to ensure sufficient humidification of the membrane (wet operation).
  • the computing unit is configured to activate the wet mode more frequently and/or for longer than the dry mode in the intermittent mode.
  • the computing unit is configured to activate the humidification operation in the intermittent operation only for so long and/or so frequently that a liquid water content in the fuel cell stack is permanently below a maximum water content specified for full-load operation of the fuel cell stack.
  • a certain liquid water content ie a certain volume fraction of liquid water, is permissible in the gas paths of a fuel cell system.
  • a maximum water content is exceeded, the supply of reactants to the fuel cell stack is restricted to such an extent that This can lead to performance losses and even irreversible damage to the fuel cell system.
  • the computing unit is configured to set the fuel cell system in a high-pressure operation such that the fuel cell stack is operated with an air mass flow supplied to the fuel cell stack, the pressure of which is above the pressure threshold value and a temperature is set in the fuel cell stack which is below a predetermined temperature threshold value and to activate the intermittent operation while the high-pressure operation is active.
  • high pressure operation By using high pressure operation with activated intermittent operation, high pressure operation can be activated quasi-stationary or for a very long time, especially under normal or non-extreme conditions.
  • the computing unit is configured to set quasi-stationary operating conditions in the fuel cell system in the high-pressure operation.
  • the fuel cell system is operated in continuous operation or normal operation, so that the high-pressure operation can be active in the normal operation or continuous operation of the fuel cell system.
  • the computing unit is configured to activate the humidification operation in the intermittent operation only for so long and/or so frequently that a liquid water content in the fuel cell stack is permanently below a maximum water content specified for full-load operation of the fuel cell stack.
  • a certain liquid water content ie a certain volume fraction of liquid water, is permissible in the gas paths of a fuel cell system.
  • the maximum water content can be selected depending on the desired current strength, for example, so that at low current strengths an effective area for gas transport by liquid water can be significantly reduced without causing damage, or at high current strengths the gas paths are largely, possibly even almost completely, kept free of liquid water. Accordingly, the maximum water content can be selected to be higher for low current strengths than for high current strengths.
  • the pressure threshold value is between 2.5 bar and 6 bar, in particular between 3.5 bar and 4.5 bar.
  • the pressure threshold value is selected in such a way that it requires operation with a two-stage compression device.
  • the fuel cell system comprises a two-stage compression device for supplying air to the fuel cell stack and the computing unit is configured to activate the intermittent operation when a first stage and a second stage of the compression device act together to compress an air mass flow to be supplied to the fuel cell stack.
  • activation of two-stage compression can be used as an activation signal to activate intermittent operation.
  • the presented invention relates to an operating method for a fuel cell system, in particular for a fuel cell system according to the first aspect of the invention.
  • the operating method presented comprises switching the fuel cell system to an intermittent mode, wherein in the intermittent mode the fuel cell stack is repeatedly switched between a dry mode and a wet mode, wherein in the dry mode a In wet operation, a reduced humidity is set in the fuel cell stack and in wet operation, a higher humidity is set in the fuel cell stack than in dry operation, wherein the intermittent operation is only activated when a pressure of an air mass flow supplied to the fuel cell stack is above a predetermined pressure threshold value.
  • the invention presented relates to a vehicle that includes an embodiment of the fuel cell system presented.
  • the same advantages apply to the vehicle with a fuel cell system according to the first aspect of the invention as have been described in detail above for the fuel cell system according to the first aspect of the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of a possible design of the fuel cell system presented
  • Figure 2 shows a possible design of the presented operating procedure
  • Figure 3 shows a possible design of the presented vehicle.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 comprises a fuel cell stack 101 and a computing unit 103.
  • the computing unit 103 is configured to switch the fuel cell system 100 into an intermittent operation and to repeatedly switch between a dry operation of the fuel cell stack 101 and a wet operation of the fuel cell stack 101 in the intermittent operation.
  • the computing unit 103 is to set a reduced humidity in the fuel cell stack 101 in the dry mode compared to the wet mode and to set an increased humidity in the fuel cell stack 101 in the wet mode compared to the dry mode and to activate the intermittent mode only when a pressure of an air mass flow supplied to the fuel cell stack 101 is above a predetermined pressure threshold value.
  • the computing unit 103 is configured to activate the wet operation more frequently and/or for longer than the dry operation in the intermittent operation, so that flooding of fuel cells of the fuel cell stack 101 is avoided and efficiency, i.e., energetic efficiency of the fuel cell system, is maximized.
  • the fuel cell system 100 comprises a user interface 105 through which the intermittent operation can be activated or deactivated.
  • Figure 2 shows the operating method 200 for the fuel cell system 100 according to Figure 1.
  • a high-pressure operation is used to supply the fuel cell stack 101 with a high-pressure air mass flow through, for example, a two-stage compression device.
  • a measured pressure of the air mass flow is compared with a predetermined pressure threshold value and, optionally, a temperature in the fuel cell stack 101 is compared with a predetermined temperature threshold value.
  • a predetermined pressure threshold value a predetermined pressure threshold value
  • a temperature in the fuel cell stack 101 is compared with a predetermined temperature threshold value.
  • a humidity operation 207 is initially set.
  • a determination step 209 it is determined whether an activation condition for dry operation 211 is met, for example by comparing a humidity measured in the fuel cell stack with a humidity threshold value. If the measured humidity is above the humidity threshold value, dry operation 211 is activated. Otherwise, wet operation remains activated.
  • a termination step 213 the operating method 200 is terminated.
  • the termination step 213 can be activated, for example, if the measured pressure falls below the pressure threshold or a user sends a termination command via the user interface 105.
  • a vehicle 300 is shown in Figure 3.
  • the vehicle 300 includes the fuel cell system 100 according to Figure 1.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (101), und - eine Recheneinheit (103), wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (100) in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem (100) dazu konfiguriert ist, zwischen einem Trockenbetrieb (211) des Brennstoffzellenstapels (101) und einem Feuchtebetrieb (207) des Brennstoffzellenstapels (101) wiederholt umzuschalten, sowie in dem Trockenbetrieb (211) eine gegenüber dem Feuchtebetrieb (207) verringerte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel (101) einzustellen und in dem Feuchtebetrieb (211) eine gegenüber dem Trockenbetrieb (207) erhöhte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel (101) einzustellen, und wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Luftmassenstroms über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem im Hochdruckbetrieb
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Stand der Technik
Typische Brennstoffzellensysteme werden bei mäßigen Temperaturen von ca. 70°C und mäßigen Drücken von ca. 2,5 bar betrieben.
Da das Kühlungsvermögen bspw. bei einem Betrieb in einem Fahrzeug für extreme Bedingungen, wie bspw. einem Heißland oder bei einer Bergfahrt sehr herausfordernd ist, ist eine temporäre Temperaturerhöhung unabdingbar.
Um eine Austrocknung jeweiliger Brennstoffzellen im Betrieb bei extremen Bedingungen zu verhindern, müssen entgegenwirkende Maßnahmen getroffen werden, wie bspw. eine Zufuhr von Feuchte mittels externer Befeuchtung, Erhöhung des Druckes und/oder Reduzierung der Leistung.
Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, die in einem Hochdruckbetrieb bei ca.
4 bar arbeiten und dazu eine zweistufige Verdichtung mit Energierekuperation mittels einer Turbine im Luftsystem nutzen. Der Hochdruckbetrieb ermöglicht nicht nur einen Betrieb bei hoher Temperatur, sondern verbessert auch die Kraftstoffeffizienz des Brennstoffzellensystems, durch eine bessere Befeuchtung und höheren Sauerstoffpartialdruck im Brennstoffzellenstapel, während auf Systemebene dieser Effizienzgewinn auf Grund der Energierekuperation behalten oder gar erhöht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bzw. dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes und kraftstoffeffizientes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt.
Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, und eine Recheneinheit, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem dazu konfiguriert ist, zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels wiederholt umzuschalten, sowie in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb verringerte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel einzustellen und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb erhöhte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel einzustellen, und wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstroms über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt.
Unter einem intermittierenden Betrieb bzw. einem sogenannten „toggle-mode“ ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems zu verstehen, bei dem zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels mit verringerter Feuchte und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels mit erhöhter Feuchte wiederholt gewechselt wird.
Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Subprozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
Um Einstellen der Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel kann eine Stöchiometrie bspw. ein dem Brennstoffzellenstapel zugeführter Luftmassenstrom und/oder ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstroms und/oder eine externe Befeuchtung eingestellt werden. Bspw. kann in dem Trockenbetrieb der Druck eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstroms reduziert und/oder der Luftmassenstrom erhöht und/oder eine externe Befeuchtung, d. h., ein Eintrag von Feuchte bzw. Wasser durch ein Befeuchtungssystem reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem basiert auf dem Prinzip, dass der intermittierende Betrieb lediglich aktiviert wird, wenn ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstroms über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt.
Da der erfindungsgemäß vorgesehene intermittierende Betrieb eine Flutung von bspw. einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels zuverlässig verhindert, wird durch den intermittierenden Betrieb ein Betriebsfenster für einen Hochdruckbetrieb mit hohem Druck bzw. einem Luftmassenstrom, dessen Druck über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt erheblich erweitert, sodass der Hochdruckbetrieb als quasi-stationärer Betrieb in dem vorgestellten Brennstoffzellensystem eingestellt werden kann und nicht lediglich für extreme Bedingungen vorgehalten wird. Der intermittierende Betrieb wird in der Regel dann aktiviert, wenn im Feuchtebetrieb eine Mindestgasgeschwindigkeit umin zum Flüssigwasseraustrag unterschritten werden muss, um eine vorgegebene Membranfeuchte sicherzustellen. Eine kurzzeitige Verletzung jeweiliger vorgegebener Grenzwerte der Stöchiometrie ist im intermittierenden Betrieb zulässig, da von den Brennstoffzellen eine signifikante Wassermenge gespeichert werden kann. Dies bedeutet, dass im intermittierenden Betrieb die vorgegebenen Grenzwerte abwechselnd verletzt bzw. eingehalten werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert liegt.
Insbesondere bei mäßigen Temperaturen unter einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert von bspw. 85°C, bevorzugt 75°C, verhindert der intermittierende Betrieb ein Fluten der Kathode des vorgestellten Brennstoffzellensystems, sodass der intermittierende insbesondere in diesem Temperaturbereich aktiviert werden kann.
Durch die Vorgabe eines für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Druckschwellenwerts können für einen jeweiligen bereitzustellenden Druck erlaubte Reaktionsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel vorgegeben werden, sodass ein Zustand, bei dem es bspw. zu einer Flutung der Kathode kommen kann, ausgeschlossen werden bzw. eine Aktivierung des intermittierenden Betriebs, bei dem es bspw. zu einer Flutung der Kathode kommen kann, ausgeschlossen wird. Entsprechend kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem sicher bzw. ohne das Risiko eines Schadens an dem Brennstoffzellensystem in den intermittierenden Betrieb geschaltet werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie einzustellen.
Im intermittierenden Betrieb kann eine Zielaktivität des Brennstoffzellensystems für einen vorgegebenen Zeitraum reduziert werden, um die Mindestgasgeschwindigkeit zum Austrag von Flüssigwasser einzustellen, indem die Stöchiometrie in dem Brennstoffzellenstapel erhöht wird und/oder ein Druck in dem Brennstoffzellenstapel reduziert wird (Trockenbetrieb). Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums kann die Zielaktivität wieder erhöht werden, um eine ausreichende Befeuchtung der Membran sicherzustellen (Feuchtbetrieb).
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb.
Dadurch, dass der Betriebspunkt des Trockenbetriebs kürzer gehalten wird als der Betriebspunkt des Feuchtebetriebs, wird eine Flutung der Brennstoffzellen vermieden und eine Alterung der Brennstoffzellen minimiert. Weiterhin werden dadurch zu trockene Membranzustände vermieden und eine Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert. Insbesondere wird dadurch eine Hochdruckfähigkeit des Brennstoffzellensystems auch bei mäßigen Betriebstemperaturen erreicht, sodass der Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems erweitert wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels vorgegebenen Maximalwassergehalt liegt.
Eine gewisser Flüssigwassergehalt, d. h., ein gewisser Volumenanteil an Flüssigwasser ist in den Gaspfaden eines Brennstoffzellensystems zulässig. Wird jedoch ein Maximalwassergehalt überschritten, wird die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Reaktanten so stark eingeschränkt, dass es zu Leistungsverlusten bis hin zu irreversibler Schädigung des Brennstoffzellensystems kommen kann.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem in einem Hochdruckbetrieb derart einzustellen, dass der Brennstoffzellenstapel mit einem dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstrom betrieben wird, dessen Druck über dem Druckschwellenwert liegt und in dem Brennstoffzellenstapel eine Temperatur eingestellt wird, die unter einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert liegt und den intermittierenden Betrieb zu aktivieren, während der Hochdruckbetrieb aktiv ist.
Durch einen Hochdruckbetrieb mit aktiviertem intermittierendem Betrieb kann der Hochdruckbetrieb quasi-stationär bzw. sehr lange, insbesondere bei normalen bzw. nicht extremen Bedingungen aktiviert werden.
Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem Hochdruckbetrieb quasi-stationäre Betriebsbedingungen in dem Brennstoffzellensystem einzustellen.
Durch quasi-stationäre Betriebsbedingungen in dem Brennstoffzellensystem wird das Brennstoffzellensystem in einem Dauerbetrieb bzw. Normalbetrieb betrieben, sodass der Hochdruckbetrieb im Normalbetrieb bzw. Dauerbetrieb des Brennstoffzellensystem aktiv sein kann.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels vorgegebenen Maximalwassergehalt liegt.
Eine gewisser Flüssigwassergehalt, d. h., ein gewisser Volumenanteil an Flüssigwasser ist in den Gaspfaden eines Brennstoffzellensystems zulässig. Wird jedoch ein Maximalwassergehalt überschritten, wird die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Reaktanten so stark eingeschränkt, dass es zu Leistungsverlusten bis hin zu irreversibler Schädigung des Brennstoffzellensystems kommen kann. Der Maximalwassergehalt kann bspw. abhängig von einer gewünschten Stromstärke gewählt werden, sodass bei niedrigen Stromstärken eine effektive Fläche zum Gastransport durch Flüssigwasser deutlich reduziert werden kann, ohne dass es zu einer Schädigung kommt oder bei hohen Stromstärken die Gaspfade zu einem großen Teil, evtl, sogar nahezu vollständig von Flüssigwasser freigehalten werden. Entsprechend kann der Maximalwassergehalt für niedrige Stromstärken höher gewählt werden als für hohe Stromstärken.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Druckschwellenwert zwischen 2,5 bar und 6 bar, insbesondere zwischen 3,5 bar und 4,5 bar liegt.
Insbesondere ist der Druckschwellenwert derart gewählt, dass dieser einen Betrieb mit einer zweistufigen Verdichtungsvorrichtung voraussetzt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine zwei- stufige-Verdichtungsvorrichtung zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel umfasst und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb dann zu aktivieren, wenn eine erste Stufe und eine zweite Stufe der Verdichtungsvorrichtung gemeinsam zum Verdichten eines dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Luftmassenstroms wirken.
Da eine zweistufige Verdichtung in der Regel zu einem Hochdruckbetrieb führt, kann eine Aktivierung einer zweistufigen Verdichtung als Aktivierungssignal zum Aktivieren des intermittierenden Betriebs verwendet werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Schalten des Brennstoffzellensystems in einen intermittierenden Betrieb, wobei in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels wiederholt umgeschaltet wird, wobei in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb verringerte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel eingestellt wird und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb erhöhte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel eingestellt wird, wobei der intermittierende Betrieb lediglich dann aktiviert wird, wenn ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstroms über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt. Für das Betriebsverfahren gelten die gleichen Vorteile, wie zu zuvor ausführlich zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug, das eine Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems umfasst. Für das Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, gelten die gleichen Vorteile, wie zu zuvor ausführlich zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens,
Figur 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.
In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101 und eine Recheneinheit 103. Die Recheneinheit 103 ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem 100 in einen intermittierenden Betrieb zu schalten und in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels 101 und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels 101 wiederholt umzuschalten-
Weiterhin ist die Recheneinheit 103 wobei in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb verringerte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel 101 einzustellen und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb erhöhte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel 101 einzustellen und den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel 101 zugeführten Luftmassenstroms über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt.
Bspw. ist die Recheneinheit 103 dazu konfiguriert, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb, sodass eine Flutung von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 101 vermieden und eine Effizienz, d. h., eine energetische Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert wird.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Benutzerschnittstelle 105, durch die der intermittierende Betrieb aktivierbar oder deaktivierbar ist.
In Figur 2 ist Betriebsverfahren 200 für das Brennstoffzellensystem 100 gemäß Figur 1 dargestellt.
In einem ersten Aktivierungsschritt 201 wird ein Hochdruckbetrieb zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 101 mit einem unter hohem Druck stehenden Luftmassenstrom durch bspw. eine zweistufige Verdichtungsvorrichtung.
In einem Abgleichschritt 203 wird ein gemessener Druck des Luftmassenstroms mit einem vorgegebenen Druckschwellenwert und, optional eine in dem Brennstoffzellenstapel 101 anliegende Temperatur mit einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert abgeglichen. Für den Fall, dass der gemessene Druck über dem Druckschwellenwert liegt und die in dem Brennstoffzellenstapel 1 101 anliegende Temperatur unter dem Temperaturschwellenwert liegt, wird in einem zweiten Aktivierungsschritt 205 der intermittierende Betrieb aktiviert.
Entsprechend wird zunächst ein Feuchtebetrieb 207 eingestellt.
In einem Ermittlungsschritt 209 wird ermittelt, ob eine Aktivierungsbedingung für einen Trockenbetrieb 211 erfüllt ist, indem bspw. eine in dem Brennstoffzellenstapel gemessene Feuchtigkeit mit einem Feuchtigkeitsschwellenwert abgeglichen wird. Für den Fall, dass die gemessene Feuchtigkeit über dem Feuchtigkeitsschwellenwert liegt, wird der Trockenbetrieb 211 aktiviert. Andernfalls bleibt der Feuchtebetrieb aktiviert.
In einem Terminierungsschritt 213 wird das Betriebsverfahren 200 beendet. Der Terminierungsschritt 213 kann bspw. aktiviert werden, wenn der gemessene Druck unter den Druckschwellenwert fällt oder ein Nutzer über die Benutzerschnittstelle 105 einen Terminierungsbefehl sendet.
In Figur 3 ist ein Fahrzeug 300 dargestellt. Das Fahrzeug 300 umfasst das Brennstoffzellensystem 100 gemäß Figur 1.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:
- einen Brennstoffzellenstapel (101), und
- eine Recheneinheit (103), wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (100) in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem (100) dazu konfiguriert ist, zwischen einem Trockenbetrieb (211) des Brennstoffzellenstapels (101) und einem Feuchtebetrieb (207) des Brennstoffzellenstapels (101) wiederholt umzuschalten, sowie in dem Trockenbetrieb (211) eine gegenüber dem Feuchtebetrieb (207) verringerte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel (101) einzustellen und in dem Feuchtebetrieb (211) eine gegenüber dem Trockenbetrieb (207) erhöhte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel (101) einzustellen, und wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Luftmassenstroms über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (101) unter einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert liegt.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in dem Trockenbetrieb (211) eine gegenüber dem Feuchtebetrieb (207) erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb (207) eine gegenüber dem Trockenbetrieb (211) verringerte Stöchiometrie einzustellen.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb (207) häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb (211).
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (100) in einem Hochdruckbetrieb derart einzustellen, dass der Brennstoffzellenstapel (101) mit einem dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Luftmassenstrom betrieben wird, dessen Druck über dem Druckschwellenwert liegt und in dem Brennstoffzellenstapel (101) eine Temperatur eingestellt wird, die unter einem vorgegebenen Temperaturschwellenwert liegt und den intermittierenden Betrieb zu aktivieren, während der Hochdruckbetrieb aktiv ist.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in dem Hochdruckbetrieb quasi-stationäre Betriebsbedingungen in dem Brennstoffzellensystem (100) einzustellen.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb (207) lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel (101) dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels (101) vorgegebenen Maximalwassergehalt liegt.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckschwellenwert zwischen 2,5 bar und 5 bar, insbesondere zwischen 3,5 bar und 4,5 bar liegt.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine zwei-stufige- Verdichtungsvorrichtung zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel (101) umfasst und die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb dann zu aktivieren, wenn eine erste Stufe und eine zweite Stufe der Verdichtungsvorrichtung gemeinsam zum Verdichten eines dem Brennstoffzellenstapel (101) zuzuführenden Luftmassenstroms wirken.
10. Betriebsverfahren (200) für ein Brennstoffzellensystem, wobei das Betriebsverfahren (200) umfasst:
- Schalten des Brennstoffzellensystems (100) in einen intermittierenden Betrieb, wobei in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb (211) des Brennstoffzellenstapels (101) und einem Feuchtebetrieb (207) des Brennstoffzellenstapels (101) wiederholt umgeschaltet wird, wobei in dem Trockenbetrieb (211) eine gegenüber dem Feuchtebetrieb (207) verringerte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel (101) eingestellt wird und in dem Feuchtebetrieb (207) eine gegenüber dem Trockenbetrieb (211) erhöhte Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel (101) eingestellt wird, wobei der intermittierende Betrieb lediglich dann aktiviert wird, wenn ein Druck eines dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Luftmassenstroms über einem vorgegebenen Druckschwellenwert liegt.
11. Fahrzeug (300), wobei das Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
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