WO2021190942A1 - Verfahren zum kompensieren eines temperaturbedingten druckanstiegs in einem anodenabschnitt eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum kompensieren eines temperaturbedingten druckanstiegs in einem anodenabschnitt eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Definitions

  • Fuel cell powered motor vehicles as such are known. They include a fuel cell system with an anode subsystem in which a pressure regulator is usually provided that separates a high pressure area from a medium pressure area. The medium pressure area is in turn separated from the anode of the fuel cell stack via stack shut-off valves.
  • the technology disclosed here relates to a method for at least partially compensating for a temperature-related pressure increase in a fuel cell system, in particular a motor vehicle.
  • An anode supply path connects a fuel cell stack to at least one fuel source.
  • An anode-side stack shut-off valve is provided in the anode supply path.
  • the anode-side stack shut-off valve is designed to cut off the fuel supply to the fuel cell stack from an anode section of the anode supply path.
  • a pressure relief valve is provided in the anode section. The pressure relief valve is set up to discharge fuel from the anode section when the pressure in the anode section exceeds a triggering pressure. When the fuel cell system is shut down, the pressure in the anode section rises due to the heating of the fuel.
  • the method comprises the step, according to which, when the fuel cell system is shut down, in particular during the pressure rise in the anode section, the anode-side stack shut-off valve is opened to relieve the pressure of the anode section, even before the pressure in the anode section, which increases due to the heating fuel, reaches the triggering pressure of the overpressure valve, so that fuel removal from the anode subsystem can be avoided.
  • the opening can be time-based or pressure-based, for example.
  • the technology disclosed here relates to a fuel cell system with at least one fuel cell.
  • the fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles (for example passenger cars, motorcycles, utility vehicles), in particular for providing the energy for at least one drive machine for locomotion of the motor vehicle.
  • motor vehicles for example passenger cars, motorcycles, utility vehicles
  • a Fuel cell an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidizing agents into reaction products, thereby producing electricity and heat.
  • the fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated by an ion-selective and ion-permeable separator, respectively.
  • the anode is supplied with fuel.
  • Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas.
  • the cathode is supplied with oxidizing agent.
  • Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides.
  • the ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM).
  • PEM proton exchange membrane
  • a cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.
  • a fuel cell system comprises peripheral system components that can be used when operating the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack.
  • the anode subsystem is formed by the fuel-carrying components of the fuel cell system.
  • An anode subsystem can have at least one fuel source (usually a pressure vessel), at least one tank shut-off valve, at least one pressure reducer, at least one anode supply path leading to the anode inlet of the fuel cell stack, an anode compartment in the fuel cell stack, at least one recirculation path leading away from the anode outlet of the fuel cell stack, at least one water separator valve, at least one anode flushing valve , have at least one active or passive fuel recirculation conveyor and other elements.
  • the main task of the anode subsystem is the supply and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas.
  • the fuel cell system includes a cathode subsystem.
  • the cathode subsystem is formed from the components that carry the oxidizing agent.
  • a cathode subsystem can have at least one oxidizing agent conveyor, at least one cathode inflow path leading to the cathode inlet, at least one cathode exhaust gas path leading away from the cathode outlet, a cathode compartment in the fuel cell stack, and further elements.
  • the anode supply path establishes the fluid connection between the at least one fuel source and the anode of the fuel cell stack.
  • the anode supply path can be formed by a plurality of anode supply lines or a system of supply lines which connect the various components in the anode supply path to one another.
  • the anode supply path may comprise a pressure reducer connected upstream to the fuel source, and wherein the anode section may be provided downstream of the pressure reducer.
  • the pressure reducer is designed to reduce the fuel inlet pressure applied at the inlet of the pressure reducer to a fuel outlet pressure or back pressure applied at the outlet of the pressure reducer. In its simplest form, it can be a throttle.
  • the pressure reducer includes a pressure reducing valve, which, despite different inlet pressures, ensures that a certain outlet pressure is not exceeded on the outlet side.
  • the fuel expands in the pressure reducer.
  • the closing pressure of the pressure reducer also called lock up pressure, is the pressure above which the pressure reducer interrupts the fluid connection between the inlet and the outlet of the pressure reducer.
  • the anode section disclosed here is in particular the section downstream of the pressure reducer and upstream of the stack shut-off valve and is also referred to as the medium pressure region of the anode subsystem.
  • the at least one stack shut-off valve on the anode side is a valve device which can shut off the fuel cell stack in a gas-tight manner from the remaining components of the anode subsystem (except for leakage flows).
  • the anode-side stack shut-off valve separates the fuel cell stack from other sections of the anode supply path.
  • Stack shut-off valves serve to prevent the penetration of fuel into the anode space of the fuel cell stack, which is essentially closed off by the stack shut-off valves, except for leakage flows, when the motor vehicle is not in use.
  • a proportional valve or injector can form the stack shut-off valve.
  • Such a valve can advantageously serve as a further pressure reducer and / or as a metering valve at the same time.
  • the overpressure valve is arranged in the anode section or medium pressure area and relieves the anode section if the pressure in the anode section reaches the triggering pressure of the overpressure valve or exceeds.
  • the pressure relief valve is preferably a mechanical valve which can be opened and closed again.
  • the release pressure of the pressure relief valve is greater than the closing pressure of the pressure reducer, for example approx. 10% to approx. 20% greater than the closing pressure.
  • the pressure relief valve is designed in such a way that the pressure relief valve is usually triggered before too high a pressure could damage the components of the anode section.
  • the fuel source can be a pressure container, in particular a cryogenic pressure container or a high-pressure gas container.
  • NWP nominal working pressure
  • a cryogenic pressure vessel is suitable for storing the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures that are significantly (e.g. more than 50 Kelvin or more than 100 Kelvin) below the minimum operating temperature of the motor vehicle.
  • Shutting down the fuel cell system is also referred to as shutdown or overrun. Shutting down comprises all steps that bring the fuel cell system into a state in which it can remain in the parked state of the motor vehicle. Shortly before or at the beginning of the phase in which the motor vehicle is in the parked state, the fuel cell system is shut down.
  • the motor vehicle is in the parked state or in the “parked” state if the vehicle user has left the motor vehicle. As a rule, the motor vehicle takes in parked state a state in which it consumes minimal electrical energy in order to achieve maximum downtimes.
  • the control unit of the fuel cell system is switched off in the "Parking" state and is usually only switched on if the motor vehicle is to be returned to the ready-to-drive state or if at least one self-sufficient function is to be carried out.
  • the “Parking” state can exist in particular if the central locking system has been used to secure and if no activity by a vehicle user is perceptible in the vehicle for a certain period of time, i.e. the vehicle user is probably not in the vehicle.
  • the pressure in the anode section usually rises due to the heating of the fuel.
  • the pressure in the anode section essentially corresponds to the closing pressure of the pressure reducer.
  • the fuel cools down considerably during extraction due to its expansion in the anode supply path.
  • the motor vehicle can be exposed to high ambient temperatures in many countries, especially in summer, so that there is a large temperature difference between that in the anode section, especially downstream of the pressure reducer the fuel and the immediate vicinity of the anode section.
  • the temperature in the immediate vicinity of the heating up anode section can also be referred to as the installation space temperature.
  • the installation space temperature is influenced by the outside temperature in the vicinity of the motor vehicle and the waste heat from other components such as the fuel cell stack, the power electronics, etc. This temperature difference causes the fuel in the anode section to heat up considerably. Since the fuel is trapped in the anode section, the pressure in the anode section gradually increases.
  • the technology disclosed here includes the step according to which the anode-side stack shut-off valve for pressure relief of the anode section is opened, in particular during the pressure increase in the anode supply path, before the increasing pressure in the section reaches the trigger pressure of the pressure relief valve. Downstream of the stack shut-off valve on the anode side, the pressure is lower than in the anode section. As a result, after the stack shut-off valve on the anode side is opened, the heated fuel flows into the anode compartment of the fuel cell stack, whereby the pressure in the anode section is noticeably reduced. This advantageously prevents fuel from being released into the environment via the overpressure valve that is then triggered in order to protect the components. Pressure relief valves with a lower trigger pressure can also be used.
  • the components of the anode section can be designed for lower maximum pressures. This generally has a positive effect on manufacturing costs, weight and space requirements.
  • the anode-side stack shut-off valve can only be opened briefly to relieve pressure, for example less than 1 minute, 10 seconds or less than 1 second or less than 100 milliseconds. This has the advantage that the valves are only open for as long as is necessary for pressure relief and otherwise the individual fuel-carrying areas of the anode subsystem are separated from one another. If several shut-off valves are provided, only one stack shut-off valve can be opened. The opening time can vary depending on the technology used (e.g. proportional valve, injector, etc.).
  • the anode-side stack shut-off valve for pressure relief is expediently only opened after a defined first period of time has elapsed from the point in time from which the fuel cell system has assumed the shutdown state.
  • This can be provided so that the pressure in the anode section can initially also increase noticeably due to the heating of the fuel.
  • the period of time between the first depressurization and the second depressurization is the second period.
  • the second time period is longer than the first time period. This is advantageous because after the first pressure relief the pressure in the anode section will rise more slowly and generally the stack shut-off valve should be opened as rarely as possible.
  • the first period of time and / or the second period of time can be between 3 minutes and 20 minutes or between 5 minutes and 10 minutes.
  • the first period of time and / or the second period of time can be established based on an ambient temperature value which is directly or indirectly indicative of the temperature in the immediate vicinity of the anode section being heated.
  • the ambient temperature value is therefore indicative of the installation space temperature.
  • the outside temperature in the motor vehicle can be determined in the motor vehicle (by measuring or recording corresponding information from a server) and a corresponding installation space temperature can be assigned to this outside temperature.
  • the correlation between installation space temperature and ambient temperature can be determined, for example, through simulations and / or trials.
  • the first time period and / or the second time period can be established based on a fuel temperature value that is directly or indirectly indicative of the fuel temperature in the anode section.
  • the fuel temperature value can be detected by a temperature sensor in the anode section.
  • the fuel temperature in the pressure vessel is recorded and the temperature in the anode section is approximated on the basis of the recorded fuel temperature in the pressure vessel.
  • the correlation between the temperatures in the pressure vessel and the temperatures in the anode section can be determined by experiments and / or simulations.
  • the first time period and / or the second time period can be determined by a characteristic map stored in the fuel cell system.
  • the map can be stored in a non-volatile memory of the control unit, for example.
  • Various values for the duration can be stored in the characteristic diagram, each of which depends on the ambient temperature value, the fuel temperature value and an initial pressure value which is directly or indirectly indicative of an initial pressure in the anode section at the point in time at which the fuel cell system has assumed the shutdown state.
  • the pressure in the anode section can be measured.
  • the pressure can be detected at another point on the anode supply path and the initial pressure in the anode section can be approximated from this value.
  • the density could also be determined, which would also be indicative of the initial pressure due to the unchangeable volume in the anode section.
  • the characteristic map uses the characteristic map to establish different time durations for different initial pressures, ambient temperatures and fuel temperatures. This ensures that only a few pressure relief operations are carried out.
  • the anode-side stack shut-off valve is closed as often as possible or as long as possible and the control unit of the fuel cell system has to be activated as rarely as possible during parking, which has a positive effect on the energy consumption during parking.
  • the first time period, the second time period, the fuel temperature value, the ambient temperature value and / or the initial pressure value is / are determined during the shutdown of the fuel cell system, that the control unit of the fuel cell system during the first time period and / or the second Period of time is inactive, and that the control unit of the fuel cell system is activated for pressure relief.
  • a timer can be used in a higher-level control that reactivates the control unit of the fuel cell system.
  • the method can comprise the steps: - Detecting a pressure value which is indicative of the current pressure in the anode section (MD) during the heating of the fuel in the shutdown state of the fuel cell system; and
  • control unit of the fuel cell system remains active until the fuel in the anode section has heated up to such an extent that it is likely that there is no longer any need for pressure relief.
  • control device directly or indirectly detects the pressure in the anode section.
  • a pressure sensor can be provided in the anode section.
  • the anode-side stack shut-off valve can be opened if the detected pressure in the anode section exceeds a limit value. The limit value is selected so that the anode section is relieved of pressure before the pressure in the anode section reaches the trigger pressure of the pressure relief valve.
  • the method disclosed here can provide the step that the anode-side stack shut-off valve opened to relieve pressure is closed again before a closing pressure of the pressure reducer is reached.
  • the method disclosed here is advantageously designed in such a way that (i) the pressure relief begins at a pressure in the anode section that is (preferably just below) the trigger pressure of the pressure relief valve,
  • the control device can, among other things, be set up to carry out the method steps disclosed here or to carry them out with them.
  • the control device can regulate the actuators of the system at least partially and preferably completely (closed loop control) or control (open loop control) based on the signals provided.
  • the control device can at least influence the fuel cell system, in particular the cathode subsystem, anode subsystem and / or the cooling system of the fuel cell system.
  • the control device can also be integrated in another control device, e.g. in a higher-level control device.
  • the control device can interact with other control devices of the motor vehicle.
  • the technology disclosed here relates to a computer-readable storage medium on which program instructions are stored which, when executed by a microprocessor, cause the latter to carry out a method according to one of the preceding claims.
  • the technology disclosed here relates to a method for relieving pressure in the medium-pressure area.
  • the idea is now to briefly open the anode-side stack shut-off valve (usually a hydrogen shut-off valve) or the injectors after a certain time after the removal stop (i.e. the fuel cell stack is off) in order to lower the pressure that is in the Medium pressure line has built up, since the enclosed gas has heated up in a volume, and thereby the Slightly increase anode pressure.
  • There is sufficient volume in the anode to cause only a few mbar pressure increase and at the same time to reduce the pressure in the medium pressure range, e.g. to the lock up pressure of the pressure reducer.
  • a further reduction in the mean pressure is not necessary, but it would not be disadvantageous either.
  • the pressure would flow in from the high pressure area of the lines, ie upstream of the pressure regulator.
  • the activation of the medium pressure extraction system can be based on time, e.g. after 5 to 7 minutes and, if necessary, repeated again e.g. after another 10 to 15 minutes (the interval becomes longer because the density has decreased and the temperature difference between the fuel in the lines and the installation space temperature has decreased.
  • a characteristic curve or a characteristic field can be determined which can be calculated as a function of the density of the fuel and the temperature difference in order to determine the point in time for the withdrawal from the medium-pressure line and the amount to be withdrawn.
  • a pressure relief valve with a lower trigger pressure can be provided without temperature-dependent fuel discharge from the anode subsystem.
  • a cheaper and lighter safety valve can thus be used.
  • the other components of the medium pressure area can also advantageously be designed for a low burst pressure, which can have a positive effect on the manufacturing costs, the space requirement and the weight.
  • it can be provided that, after the motor vehicle has been parked, the fuel cell system continues to operate for a predetermined time with the tank shut-off valves closed so that the pressure in the anode inflow path is further reduced.
  • a shutdown procedure is not always possible, especially if another protective function has brought about an unforeseen stop of the fuel cell system (eg emergency stop).
  • FIG. 1 shows a schematic view of a fuel cell system.
  • Fuel is stored in the pressure vessel H2, for example hydrogen at up to 700 bar.
  • the pressure vessel H2 provides hydrogen for the fuel cell stack 300, which has a large number of fuel cells that are operated at a lower pressure level, for example 0.5 to 1 barg.
  • a tank shut-off valve 211 is provided at one end of the pressure vessel H2. Instead of just one pressure vessel H2 with a tank shut-off valve 211, a plurality of pressure vessels H2 with one or more tank shut-off valves 211 could also be provided.
  • the fuel-carrying fluid connection between the pressure vessel H2 and the fuel cell stack 300 supplies the anode A of the fuel cell stack 300 with fuel and is referred to as the anode supply path 210.
  • a pressure reducer 244 is also provided.
  • the pressure reducer 244 lowers the accumulator pressure by up to 700 bar to a mean pressure level of, for example, 2 bar to 40 bar or 12 bar to 18 bar.
  • an anode-side stack shut-off valve 234 is provided on the anode supply path 210, which here functions as a further pressure reducer and lowers the pressure from the medium pressure level to the low pressure of the fuel cells.
  • the anode section MD is here the section of the anode supply path 210 which is provided downstream from the pressure reducer 244 and upstream from the stack shut-off valve 234 on the anode side. This anode section MD can also be referred to as the medium pressure area.
  • a pressure relief valve 242 is provided here downstream of the pressure reducer 244.
  • a water separator 232, an anode flush valve 238 and a recirculation pump 236 are provided here downstream from the fuel cell stack 300.
  • the anode flushing line 239 here connects the anode flushing valve 238 to the cathode exhaust gas line 416, which begins downstream of the cathode K of the fuel cell stack and ends in the vicinity.
  • a catalyst surface (not shown) can be provided in this exhaust line 416.
  • the anode rinsing line 239 opens upstream from the cathode K into the cathode supply line 415, in particular downstream from the stack shut-off valve 430 on the cathode side.
  • the flow direction of the fuel and the ambient air are shown here by arrows.
  • the fuel cell system is installed in a motor vehicle (not shown).
  • the oxidizing agent conveyor 410 compresses the oxidizing agent 02, which is then cooled in the heat exchanger 420.
  • a bypass line 460 is provided, which branches off from the cathode feed line 415 and opens into the exhaust line 416. If fuel is now withdrawn, it expands and cools down in the process.
  • the anode-side stack shut-off valve 234 is opened here until it essentially corresponds to the closing pressure of the pressure reducer. If the pressure in the anode section MD continues to rise due to the temperature, a second pressure relief and, if necessary, a. further pressure reliefs are initiated.
  • the control device is preferably inactive between the pressure reliefs and the stack shut-off valve 234 is closed.

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zum zumindest teilweisen Kompensieren eines temperaturbedingten Druckanstiegs in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Ein Anodenversorgungspfad (210) verbindet einen Brennstoffzellenstapel (300) mit mindestens einer Brennstoffquelle H2. Im Anodenversorgungspfad (210) ist ein anodenseitiges Stapel-Absperrventil (234) vorgesehen. Das anodenseitige Stapel-Absperrventil (234) ist eingerichtet, die Brennstoffzufuhr zum Brennstoffzellenstapel (300) aus einem Abschnitt MD des Anodenversorgungspfads (210) zu unterbinden. Im Abschnitt MD ist ein Überdruckventil (242) vorgesehen. Das Überdruckventil (242) ist eingerichtet, Brennstoff aus dem Abschnitt MD abzuführen, wenn der Druck im Abschnitt MD einen Auslösedruck übersteigt. Im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems steigt der Druck im Abschnitt MD aufgrund einer Erwärmung des Brennstoffs an. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems insbesondere während des Druckanstiegs im Abschnitt MD das anodenseitige Stapel-Absperrventil (234) zur Druckentlastung des Abschnitts MD geöffnet wird, noch bevor der aufgrund des sich erwärmenden Brennstoffs ansteigende Druck im Abschnitt MD den Auslösedruck des Überdruckventils (242) erreicht, so dass eine Brennstoffabfuhr aus dem Anodensubsystem vermeidbar ist.

Description

Verfahren zum Kompensieren eines temperaturbedingten Druckanstiegs in einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellensystems
Brennstoffzellenbetriebene Kraftfahrzeuge als solche sind bekannt. Sie umfassen ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodensubsystem, in dem i.d.R. ein Druckregler vorgesehen ist, der einen Hochdruckbereich von einem Mitteldruckbereich abtrennt. Der Mitteldruckbereich ist wiederum von der Anode des Brennstoffzellenstapels über Stapel-Absperrventile abgetrennt.
Es könnte der Fall eintreten, dass nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs der Druck in dem Mitteldruckbereich so stark ansteigt, dass der im Mitteldruckbereich eingeschlossene Brennstoff über ein dann auslösendes Sicherheitsventil entweicht. Ein solcher Brennstoffaustrag ist unerwünscht.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen temperaturbedingten Brennstoffaustrag während des Parkens zu vermeiden, ohne dass sich dies stark negativ auf andere Parameter wie Herstellungskosten, Gewicht oder Platzbedarf des Anodensubsystems auswirkt. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum zumindest teilweisen Kompensieren eines temperaturbedingten Druckanstiegs in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Ein Anodenversorgungspfad verbindet einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Brennstoffquelle. Im Anodenversorgungspfad ist ein anodenseitiges Stapel-Absperrventil vorgesehen. Das anodenseitige Stapel- Absperrventil ist eingerichtet, die Brennstoffzufuhr zum Brennstoffzellenstapel aus einem Anodenabschnitt des Anodenversorgungspfads zu unterbinden. Im Anodenabschnitt ist ein Überdruckventil vorgesehen. Das Überdruckventil ist eingerichtet, Brennstoff aus dem Anodenabschnitt abzuführen, wenn der Druck im Anodenabschnitt einen Auslösedruck übersteigt. Im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems steigt der Druck im Anodenabschnitt aufgrund einer Erwärmung des Brennstoffs an. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems insbesondere während des Druckanstiegs im Anodenabschnitt das anodenseitige Stapel- Absperrventil zur Druckentlastung des Anodenabschnitts geöffnet wird, noch bevor der aufgrund des sich erwärmenden Brennstoffs ansteigende Druck im Anodenabschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht, so dass eine Brennstoffabfuhr aus dem Anodensubsystem vermeidbar ist. Das Öffnen kann beispielsweise zeitbasiert oder druckbasiert erfolgen.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten, die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Das Anodensubsystem wird von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens eine Brennstoffquelle (i.d.R. ein Druckbehälter), mindestens ein Tankabsperrventil, mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenversorgungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationspfad, mindestens einen Wasserabscheider, mindestens ein Anodenspülventil, mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden Kathodenzuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen.
Der Anodenversorgungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffquelle und der Anode des Brennstoffzellenstapels her. Der Anodenversorgungspfad kann durch mehrere Anodenzuleitungen bzw. ein System an Zuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Anodenversorgungspfad miteinander verbinden.
Der Anodenversorgungspfad kann einen Druckminderer umfassen, der stromaufwärts mit der Brennstoffquelle verbunden ist, und wobei stromab vom Druckminderer der Anodenabschnitt vorgesehen sein kann. Der Druckminderer ist ausgebildet, den am Eingang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Eingangsdruck auf einen am Ausgang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Ausgangsdruck bzw. Hinterdruck zu reduzieren. In der einfachsten Form kann es sich dabei um eine Drossel handeln. In der Regel umfasst der Druckminderer ein Druckminderungsventil, das trotz unterschiedlicher Eingangsdrücke dafür sorgt, dass auf der Ausgangsseite ein bestimmter Ausgangsdruck nicht überschritten wird. Im Druckminderer expandiert der Brennstoff. Der Schließdruck des Druckminderers, auch Lock Up Pressure genannt, ist der Druck, ab dem der Druckminderer die Fluidverbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Druckminderers unterbricht.
Der hier offenbarte Anodenabschnitt ist insbesondere der Abschnitt stromab vom Druckminderer und stromauf vom Stapel-Absperrventil und wird auch als Mitteldruckbereich des Anodensubsystems bezeichnet.
Das mindestens eine anodenseitige Stapel-Absperrventil ist eine Ventileinrichtung, die den Brennstoffzellenstapel gegenüber den restlichen Komponenten des Anodensubsystems gasdicht (bis auf Leckageströme) abschließen kann. Insbesondere trennt das anodenseitige Stapel- Absperrventil den Brennstoffzellenstapel von anderen Abschnitten des Anodenversorgungspfads ab. Stapel-Absperrventile dienen dazu, in der Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs das Eindringen von Brennstoff in den durch die Stapel-Absperrventile im Wesentlichen abgeschlossenen Anodenraum des Brennstoffzellenstapels bis auf Leckageströme zu unterbinden. Beispielsweise kann ein Proportionalventil oder Injektor das Stapel-Absperrventil ausbilden. Vorteilhaft kann ein solches Ventil gleichzeitig als weiterer Druckminderer und/oder als Dosierventil dienen.
Das Überdruckventil ist im Anodenabschnitt bzw. Mitteldruckbereich angeordnet und entlastet den Anodenabschnitt, falls der Druck im Anodenabschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht oder übersteigt. Bevorzugt ist das Überdruckventil ein mechanisches Ventil, welches geöffnet und wieder geschlossen werden kann. Der Auslösedruck des Überdruckventils ist größer als der Schließdruck des Druckminderers, z.B. ca. 10% bis ca. 20% größer als der Schließdruck. Insbesondere ist das Überdruckventil so ausgelegt, dass das Überdruckventil i.d.R. auslöst, bevor ein zu hoher Druck die Komponenten des Anodenabschnittes beschädigen könnte.
Die Brennstoffquelle kann ein Druckbehälter, insbesondere ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (z.B. mehr als 50 Kelvin oder mehr als 100 Kelvin) unter der minimalen Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Das Herunterfahren des Brennstoffzellensystems wird auch als Shut-Down oder Nachlauf bezeichnet. Das Herunterfahren umfasst alle Schritte, die das Brennstoffzellensystem in einem Zustand überführen, in dem es im geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs verweilen kann. Kurz bevor oder zu Beginn der Phase, in dem sich das Kraftfahrzeug den geparkten Zustand befindet, wird das Brennstoffzellensystem Heruntergefahren. Das Kraftfahrzeug befindet sich gemäß der hier offenbarten Technologie im geparkten Zustand bzw. im Zustand "Parken", falls der Fahrzeugnutzer das Kraftfahrzeug verlassen hat. In der Regel nimmt das Kraftfahrzeug im geparkten Zustand einen Zustand ein, in dem es minimale elektrische Energie verbraucht, um maximale Standzeiten zu realisieren. Daher sind in diesem Zustand zweckmäßig nur Funktionen verfügbar, die dazu dienen, das Kraftfahrzeug wieder in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzen (insbesondere Zentralverriegelung, Auswerten Funkschlüssel) und ein sicheres Abstellen des Kraftfahrzeugs gewährleisten (z.B. Standlicht, Feststellbremse, Diebstahlwarnanlage, etc.). Neben diesen Funktionen können weitere Autarkfunktionen im geparkten Zustand zuschaltbar sein.
Das Steuergerät des Brennstoffzellensystems ist im Zustand „Parken“ abgeschaltet und wird i.d.R. lediglich dann eingeschaltet, falls das Kraftfahrzeug wieder in den fahrbereiten Zustand überführt werden soll oder aber mindestens eine Autarkfunktion durchzuführen ist. Der Zustand „Parken“ kann insbesondere dann vorliegen, wenn über die Zentralverriegelung gesichert wurde und wenn im Fahrzeug für eine gewisse Zeit keine Aktivität eines Fahrzeugnutzers wahrnehmbar ist, der Fahrzeugnutzer also vermutlich nicht im Fahrzeug ist.
Im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems steigt i.d.R. der Druck im Anodenabschnitt aufgrund der Brennstofferwärmung an. Zu dem Zeitpunkt, in dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat, entspricht der Druck im Anodenabschnitt im Wesentlichen dem Schließdruck des Druckminderers.
Kommt als Brennstoffspeicher mindestens ein Druckbehälter zum Einsatz, so kühlt sich der Brennstoff während der Entnahme aufgrund seiner Expansion im Anodenversorgungspfad stark ab. Gleichzeitig kann das Kraftfahrzeug insbesondere im Sommer in vielen Ländern hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein, so dass sich insbesondere stromab vom Druckminderer eine große Temperaturdifferenz zwischen dem im Anodenabschnitt befindlichen Brennstoff und der unmittelbaren Umgebung des Anodenabschnittes einstellt. Die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des sich erwärmenden Anodenabschnitts kann auch als Bauraumtemperatur bezeichnet werden. Die Bauraumtemperatur wird beeinflusst von der Außentemperatur in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und der Abwärme von anderen Komponenten wie beispielsweise dem Brennstoffzellenstapel, der Leistungselektronik, etc. Diese Temperaturdifferenz bewirkt, dass sich der Brennstoff in dem Anodenabschnitt stark erwärmt. Da der Brennstoff im Anodenabschnitt eingeschlossen ist, steigt der Druck im Anodenabschnitt allmählich an.
Die hier offenbarte Technologie umfasst den Schritt, wonach insbesondere während des Druckanstiegs im Anodenversorgungspfad das anodenseitige Stapel-Absperrventil zur Druckentlastung des Anodenabschnitts geöffnet wird, noch bevor der ansteigende Druck im Abschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht. Stromab des anodenseitigen Stapel-Absperrventils ist der Druck geringer als in dem Anodenabschnitt. Folglich strömt der erwärmte Brennstoff nach dem Öffnen des anodenseitigen Stapel- Absperrventils in den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels, wodurch sich der Druck im Anodenabschnitt merklich verringert. Vorteilhaft wird somit vermieden, dass zum Bauteilschutz Brennstoff über das dann auslösende Überdruckventil in die Umgebung abgelassen wird. Auch können Überdruckventile mit einem geringeren Auslösedruck eingesetzt werden. Insgesamt können die Bauteile des Anodenabschnitts auf geringere Maximaldrücke hin ausgelegt werden. Dies wirkt sich i.d.R. positiv auf die Herstellungskosten, das Gewicht und den Bauraumbedarf aus. Das anodenseitige Stapel-Absperrventil kann zur Druckentlastung lediglich kurzzeitig geöffnet werden, beispielsweise weniger als 1 Minute, 10 Sekunden oder weniger als 1 Sekunde oder weniger als 100 Millisekunden. Dies hat den Vorteil, dass die Ventile nur so lange auf sind, wie es zur Druckentlastung erforderlich ist und ansonsten die einzelnen brennstoffführenden Bereiche des Anodensubsystems voneinander getrennt sind. Sofern mehrere Absperrventile vorgesehen sind, kann auch lediglich ein Stapel-Absperrventil geöffnet werden. Die Öffnungszeit kann insbesondere in Abhängigkeit von der verwendeten Technologie (z.B. Proportionalventil, Injektor, etc.) variieren.
Zweckmäßig wird das anodenseitige Stapel-Absperrventil zur Druckentlastung erst geöffnet, nachdem eine festgelegte erste Zeitdauer ab dem Zeitpunkt verstrichen ist, ab dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat. Dies kann vorgesehen sein, damit der Druck im Anodenabschnitt zunächst aufgrund des sich erwärmenden Brennstoffs auch merklich ansteigen kann. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass während der Brennstofferwärmung mehrere Druckentlastungen vorgenommen werden. Die Zeitdauer zwischen der ersten Druckentlastung und der zweiten Druckentlastung ist die zweite Zeitdauer. Die zweite Zeitdauer ist länger als die erste Zeitdauer. Dies ist vorteilhaft, weil nach der ersten Druckentlastung der Druck im Anodenabschnitt langsamer ansteigen wird und generell das Stapel-Absperrventil möglichst selten geöffnet werden sollte. Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können zwischen 3 Minuten und 20 Minuten oder zwischen 5 Minuten und 10 Minuten betragen. Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können basierend auf einem Umgebungstemperaturwert festgelegt werden, der direkt oder indirekt indikativ ist für die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des sich erwärmenden Anodenabschnitts. Mithin ist der Umgebungstemperaturwert indikativ für die Bauraumtemperatur. Beispielsweise kann im Kraftfahrzeug die Außentemperatur beim Kraftfahrzeug bestimmt werden (durch Messung oder Erfassung einer entsprechenden Information von einem Server) und dieser Außentemperatur kann eine korrespondierende Bauraumtemperatur zugeordnet sein. Die Korrelation zwischen Bauraumtemperatur und Umgebungstemperatur kann beispielsweise durch Simulationen und/oder Versuchsreichen bestimmt werden.
Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können basierend auf einem Brennstofftemperaturwert festgelegt werden, der direkt oder indirekt indikativ ist für die Brennstofftemperatur im Anodenabschnitt. Der Brennstofftemperaturwert kann in einer Ausgestaltung durch einen Temperatursensor im Anodenabschnitt erfasst werden. In einer anderen Ausgestaltung wird die Brennstofftemperatur im Druckbehälter erfasst und anhand der erfassten Brennstofftemperatur im Druckbehälter die Temperatur im Anodenabschnitt approximiert. Die Korrelation zwischen den Temperaturen im Druckbehälter und den Temperaturne im Anodenabschnitt können durch Versuche und/oder Simulationen bestimmt werden.
Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können durch einem im Brennstoffzellensystem hinterlegten Kennfeld festgelegt werden. Das Kennfeld kann beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes hinterlegt sein. Im Kennfeld können verschiedene Werte für die Zeitdauer hinterlegt sein, die jeweils abhängen von dem Umgebungstemperaturwert, dem Brennstofftemperaturwert und einem Anfangsdruckwert, der direkt oder indirekt indikativ ist für einen Anfangsdruck im Anodenabschnitt an dem Zeitpunkt, an dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat. In einer Ausgestaltung kann der Druck im Anodenabschnitt gemessen werden. In einer anderen Ausgestaltung kann an einer anderen Stelle des Anodenversorgungspfads der Druck erfasst werden und aus diesem Wert der Anfangsdruck im Anodenabschnitt approximiert werden. Anstatt einer Druckerfassung könnte auch die Dichte bestimmt werden, die aufgrund des unveränderlichen Volumens im Anodenabschnitt ebenfalls indikativ für den Anfangsdruck wäre. Mithin können anhand des Kennfeldes also für unterschiedliche Anfangsdrücke, Umgebungstemperaturen und Brennstofftemperaturen unterschiedliche Zeitdauern festgelegt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass nur wenige Druckentlastungen durchgeführt werden. Somit ist das anodenseitige Stapel-Absperrventil möglichst oft bzw. möglichst lange geschlossen und das Steuergerät des Brennstoffzellensystems muss möglichst selten während des Parkens aktiviert werde, was sich positiv auf den Energieverbrauch während des Parkens auswirkt.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die erste Zeitdauer, die zweite Zeitdauer, der Brennstofftemperaturwert, der Umgebungstemperaturwert und/oder der Anfangsdruckwert während des Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems bestimmt wird/werden, dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems während der ersten Zeitdauer und/oder der zweiten Zeitdauer inaktiv ist, und dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems zur Druckentlastung aktiviert wird. Hierzu kann ein Timer in einer übergeordneten Steuerung eingesetzt werden, dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems wieder aktiviert.
In einerweiteren Ausgestaltung kann das Verfahren die Schritte umfassen: - Erfassen eines Druckwerts, der indikativ ist für den aktuellen Druck im Anodenabschnitt (MD) während der Erwärmung des Brennstoffs im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems; und
- Öffnen des anodenseitigen Stapel-Absperrventils, falls der erfasste Druckwert im Anodenabschnitt einen Grenzwert übersteigt.
In einerweiteren Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems aktiv bleibt, bis sich der Brennstoff im Anodenabschnitt soweit erwärmt hat, dass mit ausreichender Wahrscheinlichkeit keine Druckentlastung mehr erforderlich ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät den Druck im Anodenabschnitt direkt oder indirekt erfasst. Hierzu kann beispielsweise ein Drucksensor im Anodenabschnitt vorgesehen sein. Das anodenseitige Stapel-Absperrventil kann geöffnet werden, falls der erfasste Druck im Anodenabschnitt einen Grenzwert übersteigt. Der Grenzwert ist dabei so gewählt, dass der Anodenabschnitt druckentlastet wird, bevor der Druck im Anodenabschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt vorsehen, dass das zur Druckentlastung geöffnete anodenseitige Stapel-Absperrventil wieder geschlossen wird, bevor ein Schließdruck des Druckminderers erreicht wird. Vorteilhaft ist das hier offenbarte Verfahren so gestaltet, (i) dass die Druckentlastung bei einem Druck im Anodenabschnitt beginnt, der (bevorzugt knapp) unterhalb des Auslösedrucks vom Überdruckventil liegt,
(ii) und dass die Druckentlastung bei einem Druck im Anodenabschnitt endet, der (bevorzugt knapp) oberhalb des Schließdrucks vom Druckminderer liegt. Somit kann sichergestellt werden, dass einerseits kein Brennstoff unnötig aus dem Anodensubsystem entweicht und andererseits nicht zu einem zu frühen Zeitpunkt Brennstoff dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, der evtl zu einem späteren Zeitpunkt, i.d.R. nach mehreren Stunden, für eine Autarkfunktion des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Vorteilhaft kann somit der Brennstoffvorrat im Anodenversorgungspfad für die Autarkfunktion verwendet werden, ohne dass ein Tankabsperrventil im geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs geöffnet werden muss.
Das Steuergerät kann u.a. eingerichtet sein, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen oder mit durchzuführen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl closed loop control) oder steuern (engl open loop control). Das Steuergerät kann zumindest das Brennstoffzellensystem beeinflussen, insbesondere das Kathodensubsystem, Anodensubsystem und/oder das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Steuergeräten des Kraftfahrzeuges interagieren.
Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem Programminstruktionen gespeichert sind, die bei Ausführung durch einen Mikroprozessor diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Druckentlastung des Mitteldruckbereiches. Die Idee ist es nun, nach dem Entnahmestopp (d.h. Brennstoffzellenstapel ist aus) das anodenseitige Stapel-Absperrventil (i.d.R. ein Hydrogen shut of valve) oder die Injektoren nach einer gewissen Zeit noch mal kurz zu öffnen, um den Druck abzusenken, der sich in der Mitteldruckleitung aufgebaut hat, da das eingeschlossenes Gas in einem Volumen sich erwärmt hat, und dabei den Anodendruck leicht zu erhöhen. In der Anode ist ausreichend Volumen vorhanden, um lediglich ein paar mbar Druckerhöhung zu verursachen und gleichzeitig den Druck im Mitteldruckbereich zu reduzieren, z.B. auf den Schließwert (lock up pressure) des Druckminderers. Eine noch weitere Reduzierung des Mitteldruckes ist nicht erforderlich, wäre aber auch nicht nachteilig. Würde der Druck auf einen Wert unterhalb des Schließwertes absinken, so würde aus dem Hochdruckbereich der Leitungen, d.h. stromaufwärts des Druckreglers, Wasserstoff nachströmen. Das Ansteuern des Mitteldruckentnahmesystems (i.d.R. ein Proportionalventil oder ein Injektor) kann zeitbasiert erfolgen, z.B. nach 5 bis 7 Minuten und sich bei Bedarf noch mal wiederholen z.B. nach weiteren 10 bis 15 Minuten (das Intervall wird länger, da die Dichte abgenommen hat und die Temperaturdifferenz zwischen dem Brennstoff in den Leitungen und Bauraumtemperatur geringer geworden ist.
Alternativ kann eine Kennlinie oder ein Kennfeld ermittelt werden, das sich abhängig von der Dichte des Brennstoffs und der Temperaturdifferenz berechnen lässt, um den Zeitpunkt für die Entnahme aus der Mitteldruckleitung und die zu entnehmende Menge zu bestimmen.
Mit der hier offenbarten Technologie kann ein Druckentlastungsventil mit einem geringeren Auslösedruck vorgesehen werden, ohne dass es zu einer temperaturbedingten Brennstoffabfuhr aus dem Anodensubsystem kommt. Es kann somit ein günstigeres und leichteres Sicherheitsventil eingesetzt werden. Vorteilhaft können auch die weiteren Komponenten des Mitteldruckbereichs auf einen geringen Berstdruck hin ausgelegt werden, was sich positiv auf die Herstellkosten, den Raumbedarf und das Gewicht auswirken kann. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs das Brennstoffzellensystem für eine vorbestimmte Zeit bei geschlossenen Tankabsperrventilen weiter betrieben wird, damit der Druck im Anodenzuströmpfad weiter verringert wird. Eine solche Abschaltprozedur ist jedoch nicht immer möglich, insbesondere falls eine andere Schutzfunktion einen unvorhergesehenen Stopp des Brennstoffzellensystems (z.B. Notaus) herbeigeführt hat.
Mit der hier offenbarten Technologie ist es möglich für den Autarkbetrieb vermehrt Brennstoff bereitzustellen (z.B. Brennstoff im Parken zum Bedrücken der Anode), ohne die Tankventile (auch On-Tank-Valve genannt) der Druckbehälter zu öffnen, da die Leitungen beim Abstellen nicht druckentlastet werden müssen.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Figur 1 erläutert, die eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems zeigt.
In dem Druckbehälter H2 ist Brennstoff gespeichert, z.B. Wasserstoff bei bis zu 700 bar. Der Druckbehälter H2 stellt Wasserstoff bereit für den Brennstoffzellenstapel 300, der eine Vielzahl an Brennstoffzellen aufweist, die auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben werden, z.B. 0,5 bis 1 barü. An einem Ende des Druckbehälters H2 ist ein Tankabsperrventil 211 vorgesehen. Anstatt lediglich einem Druckbehälter H2 mit einem Tankabsperrventil 211 könnten ebenso mehrere Druckbehälter H2 mit einem oder mehreren Tankabsperrventilen 211 vorgesehen sein. Die brennstoffführende Fluidverbindung zwischen dem Druckbehälter H2 und dem Brennstoffzellenstapel 300 versorgt die Anode A des Brennstoffzellenstapels 300 mit Brennstoff und wird als Anodenversorgungspfad 210 bezeichnet. In dem hier dargestellten System ist ferner ein Druckminderer 244 vorgesehen. Der Druckminderer 244 senkt den Speicherdruck von bis zu 700 bar auf ein Mitteldruckniveau von beispielsweise 2 bar bis 40 bar oder 12 bar bis 18 bar. Im Anodenversorgungspfad 210 ist ferner ein anodenseitiges Stapel- Absperrventil 234 vorgesehen, das hier als weiter Druckminderer fungiert und den Druck vom Mitteldruckniveau auf den Niederdruck der Brennstoffzellen absenkt. Der Anodenabschnitt MD ist hier der Abschnitt des Anodenversorgungspfads 210, der stromab vom Druckminderer 244 und stromauf vom anodenseitigem Stapel-Absperrventil 234 vorgesehen ist. Dieser Anodenabschnitt MD kann auch als Mitteldruckbereich bezeichnet werden.
Um ein Bersten der Rohrleitungen oder eine Beschädigung von Komponenten (Verschraubungen, Sensoren, Anodenabsperrventil, etc.) des Anodenversorgungspfads 210 bei Fehlfunktion des Druckminderes 244 zu verhindern, ist hier stromab vom Druckminderer 244 ein Überdruckventil 242 vorgesehen. Im Rezirkulationsströmungspfad 216 vom Anodensubsystem sind hier stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 ein Wasserabscheider 232, ein Anodenspülventil 238 und eine Rezirkulationspumpe 236 vorgesehen. Die Anodenspülleitung 239 verbindet hier das Anodenspülventil 238 mit der Kathodenabgasleitung 416, die stromab von der Kathode K des Brennstoffzellenstapels beginnt und in der Umgebung endet. In dieser Abgasleitung 416 kann eine Katalysatorfläche vorgesehen sein (nicht gezeigt). In einerweiteren Ausgestaltung mündet die Anodenspülleitung 239 stromauf von der Kathode K in die Kathodenzuleitung 415, insbesondere stromab vom kathodenseitigen Stapel-Absperrventil 430. Die Strömungsrichtung des Brennstoffs und der Umgebungsluft sind hier durch Pfeile dargestellt. Das Brennstoffzellensystem ist in ein Kraftfahrzeug verbaut (nicht gezeigt). Der Oxidationsmittelförderer 410 verdichtet das Oxidationsmittel 02, das anschließend im Wärmetauscher 420 gekühlt wird. Ferner ist eine Bypassleitung 460 vorgesehen, die von der Kathodenzuleitung 415 abzweigt und in die Abgasleitung 416 mündet. Wird nun Brennstoff entnommen, so expandiert dieser und kühlt dabei ab. Wird nun das Brennstoffzellensystem heruntergefahren, so verweilt relativ zur Bauraumtemperatur kalter Brennstoff im Anodenabschnitt MD. Aufgrund der großen Differenz zwischen der Brennstofftemperatur und der Umgebungstemperatur wird Wärme in den Brennstoff eingetragen, wodurch sich der Brennstoff im Anodenabschnitt MD erwärmt und der Druck im Anodenabschnitt MD ansteigt. Sofern keine Abhilfemaßnahmen getroffen werden, könnte der Druck den Auslösedruck des Überdruckventils 242 übersteigen. Folglich würde dann über das Überdruckventil 242 Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird dies dadurch verhindert, dass das inaktive Steuergerät wieder aktiviert wird, um nach Ablauf der ersten Zeitdauer eine Druckentlastung in den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 300 hinein zu initiieren. Die Druckentlastung wird durch ein kurzzeitiges Öffnen des Stapel-Absperrventils 234 erreicht. Nach der Druckentlastung ist der Druck im Anodenabschnitt MD merklich gesunken. Insbesondere wird hier das anodenseitige Stapel- Absperrventil 234 solange geöffnet, bis der im Wesentlichen dem Schließdruck des Druckminderers entspricht. Sofern der Druck im Anodenabschnitt MD temperaturbedingt weiter ansteigt, kann nach Ablauf einer zweiten Zeitdauer eine zweite Druckentlastung und ggfls. weitere Druckentlastungen initiiert werden. Bevorzugt ist das Steuergerät zwischen den Druckentlastungen inaktiv und das Stapel-Absperrventil 234 geschlossen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum zumindest teilweisen Kompensieren eines temperaturbedingten Druckanstiegs in einem Brennstoffzellensystem;
- wobei ein Anodenversorgungspfad (210) eine Fluidverbindung zwischen einem Brennstoffzellenstapel (300) und mindestens einer Brennstoffquelle (H2) herstellt;
- wobei im Anodenversorgungspfad (210) ein anodenseitiges Stapel-Absperrventil (234) vorgesehen ist;
- wobei das anodenseitige Stapel-Absperrventil (234) eingerichtet ist, die Brennstoffzufuhr zum Brennstoffzellenstapel (300) aus einem Anodenabschnitt (MD) des Anodenversorgungspfads (210) zu unterbinden;
- wobei im Anodenabschnitt (MD) ein Überdruckventil (242) vorgesehen ist;
- wobei das Überdruckventil (242) eingerichtet ist, Brennstoff aus dem Anodenabschnitt (MD) abzuführen, wenn der Druck im Anodenabschnitt (MD) einen Auslösedruck übersteigt; und
- wobei im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems der Druck im Anodenabschnitt (MD) aufgrund einer Erwärmung des Brennstoffs ansteigt; umfassend den Schritt, wonach das anodenseitige Stapel-
Absperrventil (234) zur Druckentlastung geöffnet wird, noch bevor der ansteigende Druck im Anodenabschnitt (MD) den Auslösedruck des
Überdruckventils (242) erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Stapel-Absperrventil (234) zur Druckentlastung weniger als 10 Sekunden oder weniger als
1 Sekunde oder weniger als 100 Millisekunden geöffnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stapel-Absperrventil (234) zur Druckentlastung geöffnet wird, nachdem eine festgelegte erste Zeitdauer ab dem Zeitpunkt verstrichen ist, ab dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während der Brennstofferwärmung mehrere Druckentlastungen vorgenommen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Zeitdauer zwischen einer ersten Druckentlastung und einer zweiten Druckentlastung eine zweite Zeitdauer ist; und wobei die zweite Zeitdauer länger ist als die erste Zeitdauer.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer zwischen 3 Minuten und 20 Minuten oder zwischen 5 Minuten und 10 Minuten beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer festgelegt wird basierend auf einem Umgebungstemperaturwert, der indikativ ist für die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des sich erwärmenden Anodenabschnitts (MD).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer festgelegt wird basierend auf einem Brennstofftemperaturwert, der indikativ ist für die Brennstofftemperatur im Anodenabschnitt (MD).
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 8, wobei die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer festgelegt werden durch einem im Brennstoffzellensystem hinterlegten Kennfeld; und wobei im Kennfeld verschiedene Werte für die Zeitdauer hinterlegt sind, die jeweils abhängen von
- dem Umgebungstemperaturwert,
- dem Brennstofftemperaturwert, und/oder
- einem Anfangsdruckwert, der indikativ ist für einen Anfangsdruck im Anodenabschnitt (MD) an dem Zeitpunkt, an dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 9, wobei die erste Zeitdauer, die zweite Zeitdauer, der Brennstofftemperaturwert, der Umgebungstemperaturwert und/oder der Anfangsdruckwert während des Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems bestimmt werden.
11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 10, wobei ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems während der ersten Zeitdauer und/oder der zweiten Zeitdauer inaktiv ist; und wobei das Steuergerät zur Druckentlastung aktiviert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend die Schritte:
- Erfassen eines Druckwerts, der indikativ ist für den aktuellen Druck im Anodenabschnitt (MD) während der Erwärmung des Brennstoffs im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems; und
- Öffnen des anodenseitigen Stapel-Absperrventils (234), falls der erfasste Druckwert im Anodenabschnitt (MD) einen Grenzwert übersteigt.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Anodenversorgungspfad (210) einen Druckminderer (244) umfasst, der mit der Brennstoffquelle (H2) verbunden ist; und wobei stromab vom Druckminderer (244) der Anodenabschnitt (MD) vorgesehen ist.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das anodenseitige Stapel-Absperrventil (234) zum Abschluss des Druckentlastens wieder geschlossen wird, bevor ein Schließdruck des Druckminderers erreicht wird oder wenn der Schließdruck erreicht wird.
15. Computerlesbares Speichermedium, auf welchem Programminstruktionen gespeichert sind, die bei Ausführung durch einen Mikroprozessor diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
PCT/EP2021/056142 2020-03-25 2021-03-11 Verfahren zum kompensieren eines temperaturbedingten druckanstiegs in einem anodenabschnitt eines brennstoffzellensystems WO2021190942A1 (de)

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