WO2022263392A1 - Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2022263392A1
WO2022263392A1 PCT/EP2022/066070 EP2022066070W WO2022263392A1 WO 2022263392 A1 WO2022263392 A1 WO 2022263392A1 EP 2022066070 W EP2022066070 W EP 2022066070W WO 2022263392 A1 WO2022263392 A1 WO 2022263392A1
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cell system
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Helerson Kemmer
Mark Hellmann
Matthias Rink
Jonas BREITINGER
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell

Definitions

  • Fuel cell systems convert hydrogen and oxygen into electrical energy while generating waste heat and water.
  • fuel cell systems include a number of subsystems, such as an anode subsystem or hydrogen system (HyS), which supplies an anode of a fuel cell system with hydrogen.
  • HyS hydrogen system
  • a hydrogen dosing valve and a flushing valve or so-called “purge valve” are used.
  • the purge valve opens a connection to a mixing point downstream of a cathode of the fuel cell system.
  • the anode gas that is discharged during a flushing process and consists of a mixture of hydrogen, nitrogen and water vapor is mixed with depleted air from the cathode.
  • activation of the scavenging valve leads to activation of the hydrogen metering valve, activation of the scavenging valve causes hydrogen to be metered into the anode circuit.
  • AirS An air system
  • conditioned air i.e. air with a specified pressure, temperature and humidity content.
  • the air system has a bypass around the cathode that extends system operation, i.e., systemically extends a boundary in the compressor map.
  • a cooling system dissipates heat loss from a fuel cell stack of the fuel cell system to the environment via a cooler. Through a Limited temperature window within which a fuel cell system can be operated efficiently and a limited cooling capacity of the cooling system can lead to cooling limitations when operating fuel cell systems.
  • a fuel cell system is dried when it is switched off by means of a drying process in which ambient air is blown into the fuel cell system, so that liquid water accumulations between the respective fuel cells and a resulting leaning of hydrogen, which leads to aging of the fuel cell system, is avoided.
  • the air blown into the fuel cell system during an operating process can lead to a rapid drop in temperature and the consequent condensation of water vapor in the catalyst layers of the fuel cell system, as a result of which these can be damaged.
  • the invention presented serves in particular to enable robust operation of a fuel cell system.
  • the invention presented serves to damage a catalyst layer of a To minimize fuel cell system by condensing water during a drying process.
  • a fuel cell system for providing electrical energy includes a fuel cell stack, a purge valve, and a controller, wherein the controller is configured to issue an activation command to activate the purge valve when the fuel cell system is performing a drying process.
  • a drying method is understood to mean an operating state of a fuel cell system in which a fuel cell stack of the fuel cell system is dried and, in particular, very large amounts of air, such as a stoichiometry greater than 5, are passed through it.
  • the fuel cell system presented is based on the principle that the anode system of the fuel cell system is protected during a drying process by supplying hydrogen, i.e. increasing the hydrogen concentration in the anode circuit. Correspondingly, a depletion of hydrogen and an associated accumulation of water on the catalyst layers of the fuel cell system are minimized or avoided.
  • the flushing valve of the fuel cell stack presented is activated in order to enrich the hydrogen in the anode circuit.
  • a control strategy for controlling or regulating the fuel cell system in normal operation which leads to a minimum consumption of hydrogen, can be deactivated or changed, so that the fuel cell stack of the fuel cell system is filled with a predetermined, in particular a maximum permissible, hydrogen concentration.
  • the activation of the flushing valve provided according to the invention increases the hydrogen concentration in the fuel cell stack of the fuel cell stack presented, in particular to a predetermined increased value set.
  • the increase value can be selected in such a way that it lies outside, in particular above, the respective hydrogen concentrations that are specified for normal operation of the fuel cell system.
  • the fuel cell system presented provides that when a drying process is carried out, operating strategies for increasing efficiency and correspondingly lean operation are at least partially replaced by setting the highest possible hydrogen concentration in the fuel cell stack during the drying process.
  • the effect of this is that the hydrogen supplied by means of the flushing valve buffers the fuel cell stack from becoming leaner due to the air supplied during the drying process and protects the components of the fuel cell system from a so-called “hydrogen starvation” state.
  • an activation command for activating the flushing valve is issued.
  • the activation command can be transmitted directly or directly from the control device provided according to the invention to the flushing valve or indirectly or indirectly from the control device to a coordination system that finally activates the flushing valve, i.e. controls or regulates it in such a way that it is intended higher-level regulations is activated.
  • control device can be configured to determine or recognize execution of the drying method by the fact that a thermodynamic state of the fuel cell stack changes at a rate of change that is above a predefined flushing threshold value, or to allow the drying method to be executed as a result determine or recognize that a status value in a central control unit of the fuel cell system reports an activation of the drying process.
  • thermodynamic state of a fuel cell stack is to be understood as meaning in particular a temperature and/or a pressure in the fuel cell stack.
  • a state value is to be understood as a variable that changes as a function of a state of the fuel cell system and that can be stored in a memory of a central control device, for example, in a retrievable manner.
  • a rate of change of a thermodynamic state is to be understood as a change in state values, such as a temperature and/or a pressure in a fuel cell stack, in a predetermined period of time.
  • the fuel cell system also includes a temperature sensor for detecting a temperature of the fuel cell stack and/or a pressure sensor for detecting a pressure present in the fuel cell stack and the control device is also configured to measure the rate of change of the thermodynamic state of the fuel cell stack using the To determine the temperature sensor and / or the pressure sensor determined measured values.
  • a current thermodynamic state of the fuel cell stack of the fuel cell system presented can be determined and compared with the scavenging threshold value provided according to the invention using measured values which are or were determined using sensors such as a temperature sensor and/or a pressure sensor.
  • thermodynamic state of the fuel cell stack can be indicated by a change in temperature and/or pressure in the fuel cell stack over a predetermined period of time.
  • the flushing threshold value can be specified as a differential temperature and/or differential pressure in the specified period of time, such as 1 Kelvin per second.
  • control device is configured to model the rate of change by means of a mathematical model and a point in time in the future at which the rate of change is above the flushing threshold value lies, to predict, and to issue the activation command such that the purge valve is activated at the predicted time.
  • a mathematical model which includes a trained machine learner, for example, future behavior of the presented fuel cell system can be predicted, so that a preventive reaction can be made to an expected flushing process and the activation command for activating the flushing valve can be issued.
  • the mathematical model receives as input signals measured values of a state parameter of the fuel cell stack, such as temperature and/or pressure, determined by at least one sensor.
  • the mathematical model can include a simulation of the fuel cell system presented.
  • the simulation of the fuel cell system can use, for example, operating states set by a control device of the fuel cell system as input signals.
  • a request value which is transmitted, for example, to a coordination system for setting gas concentrations in the fuel cell stack of the fuel cell system presented, serves the coordination system as an indicator of the urgency of the request or the need for activation. Accordingly, the coordination system is informed by a maximum request value that there is an urgent need to activate the scavenging valve, so that the coordination system will activate the scavenging valve if this is possible in accordance with any activated higher-level regulations of the coordination system.
  • the flushing valve is activated by the control device of the fuel cell system presented without intermediate stations, such as a coordination system. Provision can furthermore be made for the activation command to cause the flushing valve to flush at a maximum throughput rate.
  • the scavenging valve of the fuel cell system presented can be activated with a maximum throughput rate, for example, by a maximum opening and/or a maximum opening rate of the scavenging valve.
  • the fuel cell system comprises a coordination system for coordinating gases flowing through the fuel cell stack and the control device is configured to transmit the activation command to the coordination system, and the coordination system is configured to activate the purge valve in response to receipt of the Activation command to activate directly or, if a hydrogen concentration in the fuel cell stack is above a predetermined hydrogen threshold value, to first increase an air mass flow supplied to the fuel cell stack and only activate the purge valve when the hydrogen concentration in the fuel cell stack is below the predetermined hydrogen threshold value.
  • a coordination system can be provided that controls or regulates a concentration or a volume flow of gases introduced into the fuel cell stack of the fuel cell system, so that a critical concentration of hydrogen is avoided.
  • the coordination system can, if necessary, overwrite or reset an activation command issued by the control device according to the invention. Provision can accordingly be made for control commands from the coordination system to be implemented by the fuel cell system with priority over control commands from the control device.
  • the presented invention relates to an operating method for operating a fuel cell stack.
  • the operating method includes a determination step in which it is determined whether the fuel cell system is running a drying process and an output step in which a Activation command is issued, which activates a purge valve of a fuel cell system comprising the fuel cell stack in the event that the determination step indicates that the fuel cell system is carrying out the drying process.
  • the operating method presented serves in particular to operate the fuel cell system presented.
  • thermodynamic state of a fuel cell stack of the fuel cell system changes at a rate of change that is above a specified flushing threshold value, the change in the thermodynamic state being determined by comparing at least one of a temperature sensor for measuring a Temperature of the fuel cell stack and / or a pressure sensor for measuring a pressure in the fuel cell stack determined measured value is determined with a predetermined flushing threshold value, or in the determination step, a status value is queried or received by a central control unit of the fuel cell system, which reports an activation of the drying process.
  • a forecast value determined by means of a mathematical model
  • the presented fuel cell system can be adjusted preventively to the thermodynamic state to be expected.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of the presented fuel cell system
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the drying process presented.
  • a fuel cell system 100 is shown in FIG.
  • the fuel cell system 100 comprises a fuel cell stack 101, a purge valve 103 and a control unit 105.
  • the fuel cell system 100 includes a temperature sensor 107 and/or a pressure sensor 109 and a coordination system 111.
  • the controller 105 is configured to issue an activation command to activate the purge valve 103 when the fuel cell system 100 is in a drying process, i.e., the fuel cell system 100 is in a drying state.
  • the controller 105 may be configured to compare a rate of change of a thermodynamic state of the fuel cell stack 101 to a predetermined purge threshold and, if the rate of change is above the purge threshold, to a "drying process" state ” and issue an activation command for activating the purge valve 103 .
  • the control device 105 can communicate directly with the scavenging valve and transmit control commands to it or communicate with the coordination system 111, which activates or controls or regulates the scavenging valve in response to receiving the activation command.
  • the control device 105 can compare measured values determined by the temperature sensor 107 and/or the pressure sensor 109 directly with the scavenging threshold value or preprocess the measured values mathematically and then compare it to the purge threshold.
  • the measured values For pre-processing the measured values, they can be converted into a single parameter, for example by means of a mathematical method, which is then compared with the scavenging threshold value.
  • control device 105 can be configured to forecast the thermodynamic state of the fuel cell stack 101 for a point in time in the future.
  • the control device 105 can use, for example, a mathematical model of the fuel cell stack 101, which is executed, for example, with measured values from the temperature sensor 107 and/or the pressure sensor 109 as input signals.
  • control device 105 can be communicatively connected to a central control device of the fuel cell system 100 via an interface in order to query or receive a status value that indicates the execution of a drying method.
  • Operating method 200 runs continuously or at regular intervals during normal operation of a fuel cell system, for example, and includes a determination step 201, in which it is determined whether the fuel cell system is carrying out a drying method.
  • current temperature values are determined by means of a temperature sensor in the fuel cell stack at a first point in time and at least one further point in time. Based on the determined temperature values, a rate of change of the temperature in the Fuel cell stack determined and compared with a predetermined flushing threshold.
  • the flushing threshold value can be, for example, 1 Kelvin per second, so that in the event that the rate of change of the temperature in the fuel cell stack is greater than 1 Kelvin per second, it is assumed that the fuel cell system is in a drying state or a drying process is being carried out and accordingly an output step 203 is activated.
  • a state value of a central control device of the fuel cell system can be queried or received, which indicates that a drying method is being carried out.
  • the activation of the output step 203 causes an activation command to be output, ie for example a transmission of corresponding control signals by a control device to a flushing valve or a coordination system of the fuel cell system, for example. Accordingly, the activation command causes the flushing valve to be activated and the hydrogen concentration in the anode circuit of the fuel cell system to be increased as a result.
  • the hydrogen concentration in the anode circuit of the fuel cell system By increasing the hydrogen concentration, components of the fuel cell system, such as catalytic converter layers, are protected against a lean state and the accumulation of water caused thereby, and a service life of the fuel cell system is maximized.
  • the activation command causes a change in the configuration of the fuel cell system such that an operating strategy for minimizing hydrogen consumption, such as is set, for example, in normal operation of the fuel cell system, is deactivated or changed, so that the fuel cell stack is filled with a predetermined, in particular a maximum, hydrogen concentration .

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (101), ein Spülventil (103) und ein Kontrollgerät (105), wobei das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils (103) auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt. Ferner umfasst die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren (200) zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems (100).

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrischer Energie unter Erzeugung von Abwärme und Wasser um. Dazu umfassen Brennstoffzellensysteme mehrere Subsysteme, wie bspw. ein Anodensubsystem bzw. Hydrogen System (HyS), das eine Anode eines Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff versorgt.
Um die Wasserstoffkonzentration im HyS einzustellen werden ein Wasserstoffdosierventil und ein Spülventil bzw. sog. „Purge-Ventil“ verwendet. Das Spülventil öffnet eine Verbindung zu einer Mischstelle stromabwärts einer Kathode des Brennstoffzellensystems. Dort wird das bei einem Spülvorgang ausgetragene Anodengas, das aus einer Mischung von Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf besteht, mit abgereicherter Luft der Kathode vermischt.
Da eine Aktivierung des Spülventils zu einer Aktivierung des Wasserstoffdosierventils führt, bewirkt eine Aktivierung des Spülventils eine Eindosierung von Wasserstoff in den Anodenkreislauf.
Ein Luftsystem (AirS) versorgt die Kathode mit konditionierter Luft, d.h. Luft mit vorgegebenem Druck, Temperatur und Feuchtegehalt. Häufig weist das Luftsystem eine Umleitung um die Kathode auf, durch die der Systembetrieb erweitert, also eine Grenze im Verdichterkennfeld systemisch erweitert wird.
Ein Kühlsystem führt Verlustwärme eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems über einen Kühler an die Umgebung ab. Durch ein begrenztes Temperaturfenster, innerhalb dessen ein Brennstoffzellensystem effizient betreiben werden kann, und ein begrenztes Kühlvermögen des Kühlsystems kann es beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen zu Kühlungslimitierungen kommen.
Ferner wird ein Brennstoffzellensystem beim Abschalten mittels eines Trocknungsverfahrens, bei dem Umgebungsluft in das Brennstoffzellensystem geblasen wird, getrocknet, sodass flüssige Wasseransammlungen zwischen jeweiligen Brennstoffzellen und ein dadurch bedingtes Abmagern von Wasserstoff, was zu einer Alterung des Brennstoffzellensystem führt, vermieden wird.
Durch die in das Brennstoffzellensystem bei einem Betriebsverfahren geblasene Luft kann es zu einem schnellen Temperaturabfall und eine dadurch bedingte Kondensation von Wasserdampf in Katalysatorschichten des Brennstoffzellensystems kommen, wodurch diese Schaden nehmen können.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche 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 Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen robusten Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, Schäden an einer Katalysatorschicht eines Brennstoffzellensystems durch während eines Trocknungsvorgangs kondensierendes Wasser zu minimieren.
Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, ein Spülventil und ein Kontrollgerät, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt.
Unter einem Trocknungsverfahren ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems zu verstehen, bei dem ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems getrocknet wird und insbesondere mit sehr hohen Luftmengen, wie bspw. mit einer Stöchiometrie größer 5 beströmt wird.
Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf dem Prinzip, dass das Anodensystem des Brennstoffzellensystems bei einem Trocknungsvorgang dadurch geschützt wird, dass diesem Wasserstoff zugeführt, d.h. eine Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf erhöht wird. Entsprechend wird eine Abreicherung von Wasserstoff und eine damit einhergehende Anreicherung von Wasser an den Katalysatorschichten des Brennstoffzellensystems minimiert bzw. vermieden.
Zur Anreichung von Wasserstoff im Anodenkreislauf wird erfindungsgemäß das Spülventil des vorgestellten Brennstoffzellenstapels aktiviert. Dazu kann insbesondere eine Kontrollstrategie zum Steuern bzw. Regeln des Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb, die zu einem Minimalverbrauch an Wasserstoff führt, deaktiviert bzw. geändert werden, sodass der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystem mit einer vorgegebenen, insbesondere einer maximal zulässigen Wasserstoffkonzentration befüllt wird.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Aktivierung des Spülventils wird die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellenstapels insbesondere auf einen vorgegebenen Erhöhungswert eingestellt. Dabei kann der Erhöhungswert derart gewählt sein, dass dieser außerhalb, insbesondere über jeweiligen Wasserstoffkonzentrationen liegt, die für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems vorgegebenen sind. Mit anderen Worten ist bei dem vorgestellten Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass beim Ausführen eines Trocknungsverfahrens Betriebsstrategien zur Effizienzsteigerung und einem entsprechend mageren Betrieb zumindest tlw. dadurch ersetzt werden, dass eine möglichst hohe Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel während des Trocknungsverfahrens eingestellt wird. Dies bewirkt, dass der mittels des Spülventils zugeführte Wasserstoff eine Abmagerung des Brennstoffzellenstapels durch während des Trocknungsverfahrens zugeführte Luft abpuffert und die Komponenten des Brennstoffzellensystems vor einem sog. „hydrogen starvation“ Zustand schützt.
Sobald von dem Kontrollgerät des vorgestellten Brennstoffzellensystems erkannt wird, dass das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt, wird ein Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils ausgegeben. Der Aktivierungsbefehl kann direkt bzw. unmittelbar von dem erfindungsgemäß vorgesehenen Kontrollgerät an das Spülventil übermittelt werden oder indirekt bzw. mittelbar von dem Kontrollgerät an ein Koordinationssystem übermittelt werden, dass schließlich das Spülventil aktiviert, d.h. derart steuert bzw. regelt, dass dieses unter Einhaltung ggf. vorgesehener übergeordneter Regelungen aktiviert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine Ausführung des Trocknungsverfahrens dadurch zu bestimmen bzw. zu erkennen, dass sich ein thermodynamischer Zustand des Brennstoffzellenstapels mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, oder eine Ausführung des Trocknungsverfahrens dadurch zu bestimmen bzw. zu erkennen, dass ein Zustandswert in einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
Unter einem thermodynamischen Zustand eines Brennstoffzellenstapels ist im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere eine Temperatur und/oder ein Druck in dem Brennstoffzellenstapel zu verstehen. Unter einem Zustandswert ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Variable zu verstehen, die sich in Abhängigkeit eines Zustands des Brennstoffzellensystems ändert und die abrufbar in bspw. einem Speicher eines Zentralsteuergeräts hinterlegbar ist.
Unter einer Änderungsrate eines thermodynamischen Zustands ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Änderung von Zustandswerten, wie bspw. einer Temperatur und/oder einem Druck in einem Brennstoffzellenstapel in einem vorgegebenen Zeitraum zu verstehen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem weiterhin einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder einen Drucksensor zum Erfassen eines in dem Brennstoffzellenstapel vorliegenden Drucks umfasst und das Kontrollgerät weiterhin dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate des thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels anhand von mittels des Temperatursensors und/oder des Drucksensors ermittelten Messwerten zu bestimmen.
Anhand von Messwerten die mit Sensoren, wie bspw. einem Temperatursensor und/oder einem Drucksensor ermittelt werden bzw. wurden, kann ein aktueller thermodynamischer Zustand des Brennstoffzellenstapels des vorgestellten Brennstoffzellensystems bestimmt und mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Spülschwellenwert abgeglichen werden.
Bspw. kann der thermodynamische Zustand des Brennstoffzellenstapels in einer Änderung einer Temperatur und/oder eines Drucks in dem Brennstoffzellenstapel über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg angegeben werden. Entsprechend kann der Spülschwellenwert als Differenztemperatur und/oder Differenzdruck in dem vorgegebenen Zeitraum, wie bspw. 1 Kelvin pro Sekunde, angegeben werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate mittels eines mathematischen Modells zu modellieren und einen Zeitpunkt in der Zukunft, zu dem die Änderungsrate über dem Spülschwellenwert liegt, vorherzusagen, und den Aktivierungsbefehl derart auszugeben, dass das Spülventil zu dem vorhergesagten Zeitpunkt aktiviert wird.
Mittels eines mathematischen Modells, das bspw. einen trainierten maschinellen Lerner umfasst, kann ein Verhalten des vorgestellten Brennstoffzellensystems in der Zukunft prognostiziert werden, sodass präventiv auf einen erwarteten Spülvorgang reagiert und der Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils ausgegeben werden kann. Bspw. erhält das mathematische Modell mittels durch mindestens einen Sensor ermittelte Messwerte eines Zustandsparameters des Brennstoffzellenstapels, wie bspw. Temperatur und/oder Druck, als Eingangssignale.
Alternativ oder zusätzlich zu einem maschinellen Lerner kann das mathematische Modell eine Simulation des vorgestellten Brennstoffzellensystems umfassen. Dabei kann die Simulation des Brennstoffzellensystems bspw. durch ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems eingestellte Betriebszustände als Eingangssignale verwenden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aktivierungsbefehl einen Anfragewert zum Aktivieren des Spülventils auf einen maximalen Wert setzt, oder dass der Aktivierungsbefehl das Spülventil direkt aktiviert.
Ein Anfragewert, der bspw. einem Koordinationssystem zum Einstellen von Gaskonzentrationen in dem Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellensystems übermittelt wird, dient dem Koordinationssystem als Indikator für eine Dringlichkeit der Anfrage bzw. des Aktivierungsbedarfs. Entsprechend wird dem Koordinationssystem durch einen maximalen Anfragewert mitgeteilt, dass dringender Bedarf zur Aktivierung des Spülventils besteht, sodass das Koordinationssystem das Spülventil, wenn dies in Übereinstimmung mit ggf. aktivierten übergeordnete Regelungen des Koordinationssystems möglich ist, aktivieren wird.
Bei einer direkten Aktivierung wird das Spülventil durch das Kontrollgerät des vorgestellten Brennstoffzellensystems ohne Zwischenstationen, wie bspw. ein Koordinationssystem, aktiviert. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aktivierungsbefehl bewirkt, dass das Spülventil mit einer maximalen Durchsatzrate spült.
Eine Aktivierung des Spülventils des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit einer maximalen Durchsatzrate kann bspw. durch eine maximale Öffnung und/oder eine maximale Öffnungsrate des Spülventils erfolgen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Koordinationssystem zum Koordinieren von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Gasen umfasst und das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, den Aktivierungsbefehl an das Koordinationssystem zu übermitteln, und das Koordinationssystem dazu konfiguriert ist, das Spülventil in Reaktion auf einen Empfang des Aktivierungsbefehls direkt zu aktivieren oder, wenn eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel über einem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt, einen dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftmassenstrom zunächst zu erhöhen und das Spülventil erst dann zu aktivieren, wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel unter dem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt.
Um ein Erzeugen eines zündfähigen Gases in dem vorgestellten Brennstoffzellensystem zu vermeiden, kann ein Koordinationssystem vorgesehen sein, dass eine Konzentration bzw. einen Volumenstrom von in den Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems eingeleiteten Gasen steuert bzw. regelt, sodass eine kritische Konzentration von Wasserstoff vermieden wird. Dazu kann das Koordinationssystem einen durch das erfindungsgemäße Kontrollgerät ausgegebenen Aktivierungsbefehl ggf. überschreiben oder zurückstellen. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass Kontrollbefehle des Koordinationssystems gegenüber Kontrollbefehlen des Kontrollgeräts von dem Brennstoffzellensystem priorisiert umgesetzt werden.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels. Das Betriebsverfahren umfasst einen Ermittlungsschritt bei dem ermittelt wird, ob das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt und einen Ausgabeschritt, bei dem ein Aktivierungsbefehl ausgegeben wird, der ein Spülventil eines den Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems für den Fall aktiviert, dass der Ermittlungsschritt ergibt, dass das Brennstoffzellensystem das Trocknungsverfahren ausführt.
Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
Es kann vorgesehen sein, dass in dem Ermittlungsschritt ermittelt wird, ob ein thermodynamischer Zustand eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems sich mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, wobei die Änderung des thermodynamischen Zustands durch einen Abgleich mindestens eines von einem Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder einem Drucksensor zum Messen eines Drucks in dem Brennstoffzellenstapel ermittelten Messwerts mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert bestimmt wird, oder in dem Ermittlungsschritt ein Zustandswert von einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems abgefragt bzw. empfangen wird, der eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Ermittlungsschritt einen Abgleich eines mittels eines mathematischen Modells ermittelten Prognosewerts eines in der Zukunft zu erwartenden thermodynamischen Zustands mit dem vorgegebenen Spülschwellenwert umfasst. Anhand eines zu erwartenden Prognosewerts eines in der Zukunft zu erwartenden thermodynamischen Zustands kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem präventiv auf den zu erwartenden thermodynamischen Zustand eingestellt werden.
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 mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Trocknungsverfahrens.
In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101, ein Spülventil 103 und ein Kontrollgerät 105.
Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Temperatursensor 107 und/oder einen Drucksensor 109 sowie ein Koordinationssystem 111.
Das Kontrollgerät 105 ist dazu konfiguriert, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils 103 auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem 100 ein Trocknungsverfahren ausführt, d.h. das Brennstoffzellensystem 100 sich in einem Trocknungszustand befindet.
Zum Ermitteln, ob sich das Brennstoffzellensystem in einem Trocknungszustand befindet kann das Kontrollgerät 105 dazu konfiguriert sein, eine Änderungsrate eines thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels 101 mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert abzugleichen und für den Fall, dass die Änderungsrate über dem Spülschwellenwert liegt, in einen Zustand „Trocknungsverfahren“ zu schalten und einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils 103 auszugeben.
Zum Aktivieren des Spülventils 103 kann das Kontrollgerät 105 direkt mit dem Spülventil kommunizieren und diesem Kontrollbefehle übermitteln oder mit dem Koordinationssystem 111 kommunizieren, das in Reaktion auf einen Empfang des Aktivierungsbefehls eine Aktivierung bzw. eine Steuerung bzw. Regelung des Spülventils ausführt. Zum Ermitteln, ob ein thermodynamischer Zustand, bspw. zu einem aktuellen Zeitpunkt oder in der Zukunft über dem Spülschwellenwert liegt, kann das Kontrollgerät 105 durch den Temperatursensor 107 und/oder den Drucksensor 109 ermittelte Messwerte direkt mit dem Spülschwellenwert abgleichen oder die Messwerte mathematisch vorverarbeiten und anschließend mit dem Spülschwellenwert abgleichen.
Zur Vorverarbeitung der Messwerte können diese bspw. mittels eines mathematischen Verfahrens in eine einzelne Kenngröße überführt werden, die dann mit dem Spülschwellenwert abgeglichen wird.
Alternativ oder zusätzlich zu einem direkten Messwertabgleich kann das Kontrollgerät 105 dazu konfiguriert sein, den thermodynamischen Zustand des Brennstoffzellenstapels 101 für einen in der Zukunft liegenden Zeitpunkt zu prognostizieren. Dazu kann das Kontrollgerät 105 bspw. ein mathematisches Modell des Brennstoffzellenstapels 101 nutzen, das bspw. mit Messwerten des Temperatursensors 107 und/oder den Drucksensors 109 als Eingangssignale ausgeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kontrollgerät 105 über eine Schnittstelle mit einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems 100 kommunikativ verbunden sein, um einen Zustandswert, der eine Ausführung eines Trocknungsverfahrens anzeigt, abzufragen bzw. zu empfangen.
In Figur 2 ist ein Betriebsverfahren 200 dargestellt. Das Betriebsverfahren 200 läuft bspw. während einem Normalbetrieb eines Brennstoffzellensystems dauerhaft bzw. in regelmäßigen Abständen ab und umfasst einen Ermittlungsschritt 201, bei dem ermittelt wird, ob das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt.
Bspw. werden in dem Ermittlungsschritt aktuelle Temperaturwerte mittels eines Temperatursensors in dem Brennstoffzellenstapel zu einem ersten Zeitpunkt und zu mindestens einem weiteren Zeitpunkt ermittelt. Anhand der ermittelten Temperaturwerte wird eine Änderungsrate der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt und mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert abgeglichen.
Der Spülschwellenwert kann bspw. 1 Kelvin pro Sekunde sein, sodass für den Fall, dass die Änderungsrate der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel größer ist als 1 Kelvin pro Sekunde, davon ausgegangen wird, dass sich das Brennstoffzellensystem in einem Trocknungszustand befindet bzw. ein Trocknungsverfahren ausgeführt wird und entsprechend ein Ausgabeschritt 203 aktiviert wird.
Alternativ oder zusätzlich kann in dem Ermittlungsschritt 201 ein Zustandswert eines Zentralsteuergeräts des Brennstoffzellensystems abgefragt bzw. empfangen werden, der eine Ausführung eines Trocknungsverfahrens anzeigt.
Die Aktivierung des Ausgabeschritts 203 bewirkt ein Ausgeben eines Aktivierungsbefehls, also bspw. ein Übermitteln von entsprechenden Kontrollsignalen durch ein Kontrollgerät an ein bspw. ein Spülventil oder ein Koordinationssystem des Brennstoffzellensystems. Entsprechend bewirkt der Aktivierungsbefehl ein Aktivieren des Spülventils und eine dadurch bedingte Erhöhung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems. Durch die Erhöhung der Wasserstoffkonzentration werden Bauteile des Brennstoffzellensystems, wie bspw. Katalysatorschichten vor einem abgemagerten Zustand und dadurch bedingten Wasseransammlungen geschützt und eine Standzeit des Brennstoffzellensystems maximiert.
Insbesondere bewirkt der Aktivierungsbefehl eine Änderung der Konfiguration des Brennstoffzellensystems dahingehend, dass eine Betriebsstrategie zur Minimierung eines Wasserstoffverbrauchs, wie sie bspw. im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems eingestellt ist, deaktiviert bzw. geändert wird, sodass der Brennstoffzellenstapel mit einer vorgegebenen, insbesondere einer maximalen Wasserstoffkonzentration befüllt wird.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:
- einen Brennstoffzellenstapel (101),
- ein Spülventil (103),
- ein Kontrollgerät (105), wobei das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungsbefehl zum Aktivieren des Spülventils (103) auszugeben, wenn das Brennstoffzellensystem ein Trocknungsverfahren ausführt.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, eine Ausführung des Trocknungsverfahrens dadurch zu bestimmen, dass:
- sich ein thermodynamischer Zustand des Brennstoffzellenstapels (101) mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, oder
- ein Zustandswert in einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems (100) eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) weiterhin umfasst:
- einen Temperatursensor (107) zum Erfassen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (101) und/oder
- einen Drucksensor (109) zum Erfassen eines in dem Brennstoffzellenstapel (101) vorliegenden Drucks, wobei das Kontrollgerät (105) weiterhin dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate des thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels (101) anhand der vom Temperatursensor (107) und/oder vom Drucksensor (109) ermittelten Messwerten zu bestimmen.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, die Änderungsrate mittels eines mathematischen Modells zu modellieren und einen Zeitpunkt in der Zukunft, zu dem die Änderungsrate über dem Spülschwellenwert liegt, vorherzusagen, und wobei das Kontrollgerät (105) weiterhin dazu konfiguriert ist, den Aktivierungsbefehl derart auszugeben, dass das Spülventil (103) zu dem vorhergesagten Zeitpunkt aktiviert wird.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülschwellenwert eine vorgegebene Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels (101) pro Zeiteinheit und/oder eine vorgegebene Druckänderung des Brennstoffzellenstapels (101) pro Zeiteinheit umfasst.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsbefehl dazu konfiguriert ist, einen Anfragewert zum Aktivieren des Spülventils (103) auf einen maximalen Wert zu setzen, oder dass der Aktivierungsbefehl dazu konfiguriert ist, das Spülventil (103) direkt zu aktivieren. 7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsbefehl bewirkt, dass das Spülventil (103) mit einer maximalen Durchsatzrate spült.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) weiterhin umfasst:
- ein Koordinationssystem (111) zum Koordinieren von durch den Brennstoffzellenstapel (101) strömenden Gasen, wobei das Kontrollgerät (105) dazu konfiguriert ist, den Aktivierungsbefehl an das Koordinationssystem zu übermitteln, und das Koordinationssystem (111) dazu konfiguriert ist, das Spülventil (103) in Reaktion auf einen Empfang des Aktivierungsbefehls direkt zu aktivieren oder, wenn eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel (101) über einem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt, einen dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Luftmassenstrom zunächst zu erhöhen und das Spülventil (103) erst dann zu aktivieren, wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel (101) unter dem vorgegebenen Wasserstoffschwellenwert liegt.
9. Betriebsverfahren (200) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
(100), wobei das Betriebsverfahren (200) umfasst,
- einen Ermittlungsschritt (201) bei dem ermittelt wird, ob das Brennstoffzellensystem (100) ein Trocknungsverfahren ausführt,
- einen Ausgabeschritt (203) bei dem ein Aktivierungsbefehl ausgegeben wird, der ein Spülventil (103) eines den Brennstoffzellenstapel (101) umfassenden Brennstoffzellensystems (100) für den Fall aktiviert, dass der Ermittlungsschritt (201) ergibt, dass das Brennstoffzellensystem das Trocknungsverfahren ausführt. 10. Betriebsverfahren (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ermittlungsschritt (201) ermittelt wird, ob ein thermodynamischer Zustand eines Brennstoffzellenstapels (101) des Brennstoffzellensystems (100) sich mit einer Änderungsrate ändert, die über einem vorgegebenen Spülschwellenwert liegt, wobei die Änderung des thermodynamischen Zustands durch einen Abgleich mindestens eines von einem Temperatursensor (107) zum Messen einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (101) und/oder einem Drucksensor (109) zum Messen eines Drucks in dem Brennstoffzellenstapel (101) ermittelten Messwerts mit einem vorgegebenen Spülschwellenwert bestimmt wird, oder in dem Ermittlungsschritt (201) ein Zustandswert von einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems abgefragt bzw. empfangen wird, der eine Aktivierung des Trocknungsverfahrens meldet.
11. Betriebsverfahren (200) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ermittlungsschritt (201) einen Abgleich eines mittels eines mathematischen Modells ermittelten Prognosewerts eines in der Zukunft zu erwartenden thermodynamischen Zustands des Brennstoffzellenstapels (101) mit dem vorgegebenen Spülschwellenwert umfasst.
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