WO2023011960A1 - Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2023011960A1
WO2023011960A1 PCT/EP2022/070818 EP2022070818W WO2023011960A1 WO 2023011960 A1 WO2023011960 A1 WO 2023011960A1 EP 2022070818 W EP2022070818 W EP 2022070818W WO 2023011960 A1 WO2023011960 A1 WO 2023011960A1
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WO
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valves
fuel cell
cell system
valve
activated
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PCT/EP2022/070818
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Inventor
Benjamin Henke
Tobias FALKENAU
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell systems convert hydrogen into electrical energy and water using oxygen.
  • Water produced during the operation of a fuel cell system is partially drained from the fuel cell system by means of drainage valves.
  • a drainage valve When a drainage valve is activated, a quantity of hydrogen is generally released from the fuel cell system into an area surrounding the fuel cell system in addition to a quantity of water to be discharged.
  • a fuel cell stack of a fuel cell system is regularly flushed with fresh hydrogen in order to ensure optimal operating conditions in the fuel cell stack.
  • hydrogen is released into an environment of the fuel cell system.
  • Anode waste gas ie gas discharged from an anode subsystem of a fuel cell system, and/or separated product water is discharged from the anode subsystem through drainage valves and purge valves and fed to a cathode waste air system via connecting lines at an inlet point.
  • the introduced anode exhaust gas is diluted by the air flow of an exhaust air of a cathode subsystem and discharged into the environment.
  • a hydrogen concentration sets in that is dependent on a quantity of an introduced Hydrogen from the anode exhaust gas and a diluting air flow of the cathode exhaust air depends.
  • the invention presented is used for the safe operation of a fuel cell system.
  • the invention presented is used to set a maximum hydrogen concentration in an exhaust air from a fuel cell system.
  • a fuel cell system for providing electrical energy.
  • the fuel cell system comprises a plurality of valves and a control device, wherein respective valves of the plurality of valves can be activated in order to direct a fluid flow out of the fuel cell system via an exhaust air system, and wherein the control device is configured to activate respective valves of the plurality at different times, so that a respective point in time exclusively a single valve of the plurality of valves is activatable to divert fluid flow from the fuel cell system.
  • a time-staggered activation of respective valves is to be understood as a process in which the respective valves are activated exclusively, so that when a respective valve is activated, only the respectively activated valve is used to discharge anode exhaust gas from a fuel cell system and no other Anode waste gas is discharged through additional valves. Accordingly, a hydrogen concentration in the exhaust air can be monitored or controlled by monitoring or controlling the respectively activated valve.
  • a control device is a processor, a control unit, an ASIC or any other programmable circuit for controlling a valve, i. H. for transmitting control commands to a valve.
  • the invention presented is based on the principle that parallel or simultaneous activation of a plurality of valves for discharging hydrogen from the presented fuel cell system into an environment is prevented by only activating or being able to activate a single valve for discharging hydrogen into the environment.
  • the presented fuel cell system includes a control device.
  • the control device is configured to activate respective valves of the plurality of valves of the fuel cell system with a time offset, so that at a particular point in time only a single valve of the plurality of valves can be activated in order to discharge a fluid flow from the fuel cell system. Accordingly, an amount of hydrogen discharged into an environment can be controlled directly by controlling a respectively activated valve.
  • the control device of the presented fuel cell system is communicative with connected to all valves of the plurality of valves of the fuel cell system presented.
  • the control device can use the communicative connection to the valves to determine a status of a respective valve and transmit control commands to the respective valves.
  • the communicative connection between the control device and the respective valves of the fuel cell system presented can run directly, for example via a cable or a wireless interface, or indirectly, via an intermediate element such as a valve control device.
  • control unit of the fuel cell system presented is the only element of the fuel cell system that can or may activate and deactivate the valves of the fuel cell system.
  • control device can be the only element of the fuel cell system that can or may transmit control commands to the valves, so that parallel activation of a number of valves by other elements is ruled out.
  • the control device can act as an intermediate device that receives all control commands for checking the valves, compares them with a catalog of criteria stored in the control device, and controls the valves accordingly.
  • a central control unit of the fuel cell system issues a control command for a flushing process, i. H. for activating a respective flushing valve, to the control device provided according to the invention and not directly to the respective valve.
  • checking drainage valves and flushing valves by the control device according to the invention also prevents hydrogen amounts from adding up in this way, in that only one flushing valve or one drainage valve is activated or can be activated.
  • control device provided according to the invention can communicate directly with the respective valves or query the activation status of an intermediate element, such as a central control device of the fuel cell system.
  • a general deactivation of all valves before an activation of a respective valve ensures, independently of knowledge about a current activation state of respective valves, that only the valve activated after the deactivation is activated. Accordingly, such a blanket deactivation means that a complex determination method for determining an activation state of the respective valves can be dispensed with.
  • the control device provided according to the invention can be configured in particular as a "master” in a “master and slave arrangement", so that other devices of the fuel cell system presented can be used as "Slaves” can or may only control the valves with the consent of the control device.
  • control device configured to control respective valves of the plurality of valves according to a predetermined order of priority and, in the event that a valve with a first priority is to be activated, an activated valve with a priority that is lower than the first priority to deactivate and then to activate the valve with the first priority.
  • a circuit diagram can be generated according to which valves with a high priority are automatically deactivated when a high-priority valve is activated.
  • each valve By means of a cyclic activation order, i. H. a number of activation windows or time ranges in which a valve can be activated, which is repeated over time, each valve is exclusively assigned an activation time window in which only this valve can be activated. Accordingly, a valve can only be activated if its activation time window is currently running.
  • a common introduction point for introducing fluid into an exhaust air system requires a particularly robust fuel cell system, since there is a large number individual discharge points, which must be individually sealed accordingly, is dispensed with.
  • the presented invention relates to an operating method for operating a fuel cell system.
  • the operating method comprises a preparation step, in which a possible configuration of the presented fuel cell system is provided, and a control step, in which activation of the respective valves of a large number of valves of the fuel cell system, by means of which a fluid flow can be discharged from the fuel cell system via an exhaust air system, is controlled, wherein in the control step, respective valves of the plurality of valves are activated with a time offset, so that at a particular point in time only a single valve of the plurality of valves is activated in order to discharge a fluid flow from the fuel cell system.
  • the operating method presented serves in particular to operate the fuel cell system presented.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a possible embodiment of the fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a control of valves according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a control of valves according to the fuel cell system from FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a possible embodiment of the operating method according to the invention.
  • a fuel cell system 100 is shown in FIG.
  • the fuel cell system 100 includes a plurality of valves 101, 103 and 105 as well as a control unit 107.
  • the valve 101 can, for example, be a flushing valve or a so-called “purge valve”, while the valve 103 and the valve 105 are each water drain valves or so-called “ drain valves”.
  • the valves 101, 103 and 105 can each be activated in order to discharge a fluid flow, in particular hydrogen-containing anode exhaust gas, from the fuel cell system 100 via an exhaust air system.
  • the control device 107 is configured to activate the valves 101, 103 and 105 with a time offset, so that at any given time only a single valve, i.e. either valve 101 or valve 103 or valve 105 can be activated or activated in order to Derive fuel cell system 100.
  • FIG. 2 shows a diagram 200 whose ordinate spans a hydrogen concentration in exhaust air from a fuel cell system and its abscissa spans over time.
  • a water drain valve is opened at the same time, so that a first hydrogen concentration from a first fluid flow provided by the flushing valve and a second hydrogen concentration from a second fluid flow provided by the water drain valve add up and a particularly high amount of hydrogen enters an area surrounding the fuel cell system is delivered.
  • FIG. 3 shows a diagram 300 whose ordinate spans a hydrogen concentration in an exhaust air from a fuel cell system and its abscissa spans over time. It can be seen that activation of a valve, such as a scavenging valve, at times t1 and t2 leads to a constant hydrogen concentration in the exhaust air of the fuel cell system.
  • a valve such as a scavenging valve
  • a water drain valve is opened. Accordingly, due to the temporal separation of the activation processes of the flushing valve and the water drain valve, there is no accumulation of hydrogen quantities, so that the hydrogen concentration in the exhaust air of the fuel cell system remains unchanged compared to t1 or t2. Rather, at time t3′ or t6′, at which, analogously to time t3′, the water drain valve is activated at a different time from the flushing valve, a Ambient amount of hydrogen released compared to a time tl released amount of hydrogen.
  • FIG. 4 shows an operating method 400 for operating a fuel cell system.
  • the operating method 400 includes a
  • Provision step 401 in which a possible configuration of the presented fuel cell system is provided, and a control step 403, in which activation of respective valves of a large number of valves of the fuel cell system, by means of which a fluid flow can be discharged from the fuel cell system via an exhaust air system, is checked, wherein in the
  • Control step 403 respective valves of the plurality of valves are activated with a time offset, so that at a particular point in time only a single valve of the plurality of valves is activated in order to discharge a fluid flow from the fuel cell system.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst eine Vielzahl Ventile (101, 103, 105) und ein Kontrollgerät (107), wobei jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) aktivierbar sind, um einen Fluidstrom über ein Abluftsystem aus dem Brennstoffzellensystem (100) auszuleiten, und wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) zeitlich versetzt zu aktivieren, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) aktivierbar ist, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem (100) auszuleiten.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
Stand der Technik
Brennstoffzellensystem wandeln Wasserstoff unter Verwendung von Sauerstoff zu elektrischer Energie und Wasser um.
Beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems entstehendes Wasser wird mittels Entwässerungsventilen tlw. aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt. Beim Aktivieren eines Entwässerungsventils wird in der Regel zusätzlich zu einer abzuführenden Menge Wasser auch eine Menge Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben.
Weiterhin wird ein Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems regelmäßig mit frischem Wasserstoff gespült, um optimale Betriebsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel sicherzustellen. Bei einem solchen Spülvorgang wird Wasserstoff in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben.
Durch Entwässerungsventile und Spülventile wird Anodenabgas, d. h. aus einem Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems abgeführtes Gas, und/oder separiertes Produktwasser aus dem Anodensubsystem abgeführt und über Verbindungsleitungen an einer Einleitstelle einem Kathodenabluftsystem zugeführt. Im Kathodenabluftsystem wird das eingeleitete Anodenabgas vom Luftstrom einer Abluft eines Kathodensubsystems verdünnt und in die Umgebung abgegeben. In der in die Umgebung abgegebenen Abluft stellt sich eine Wasserstoffkonzentration ein, die von einer Menge eines eingeleiteten Wasserstoffs aus dem Anodenabgas sowie von einem verdünnenden Luftstrom der Kathodenabluft abhängt.
Da Entwässerungsventile und Spülventile in der Regel unabhängig voneinander aktiviert werden, kann es zu Situationen kommen, in denen mehrere Ventile gleichzeitig aktiviert sind, sodass jeweilig durch die verschiedenen Ventile in eine Umgebung abgegebene Mengen an Wasserstoff sich addieren und eine besonders große Menge Wasserstoff in die Umgebung gelangt.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 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. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient zum sicheren Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine maximale Wasserstoffkonzentration in einer Abluft eines Brennstoffzellensystems einzustellen.
Es wird somit gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl Ventile und ein Kontrollgerät, wobei jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile aktivierbar sind, um einen Fluidstrom über ein Abluftsystem aus dem Brennstoffzellensystem auszuleiten, und wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, jeweilige Ventile der Vielzahl zeitlich versetzt zu aktivieren, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil der Vielzahl Ventile aktivierbar ist, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem auszuleiten.
Unter einer zeitlich versetzten Aktivierung jeweiliger Ventile ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem jeweilige Ventile exklusiv aktiviert werden, sodass bei einer Aktivierung eines jeweiligen Ventils ausschließlich das jeweilig aktivierte Ventil zum Abführen von Anodenabgas aus einem Brennstoffzellensystem verwendet wird und kein weiterer Austrag von Anodenabgas durch weitere Ventile erfolgt. Entsprechend kann durch eine Kontrolle bzw. Steuerung des jeweilig aktivierten Ventils eine Wasserstoffkonzentration in der Abluft kontrolliert bzw. gesteuert werden.
Unter einem Kontrollgerät ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Prozessor, ein Steuergerät, ein ASIC oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zum Ansteuern eines Ventils, d. h. zum Übermitteln von Kontrollbefehlen an ein Ventil, zu verstehen.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass eine parallele bzw. zeitgleiche Aktivierung mehrerer Ventile zum Abführen von Wasserstoff aus dem vorgestellten Brennstoffzellensystem in eine Umgebung verhindert wird, indem ausschließlich ein einzelnes Ventil zum Abführen von Wasserstoff in die Umgebung aktiviert wird bzw. aktivierbar ist.
Zum Vermeiden einer parallelen Aktivierung mehrerer Ventile zum Abführen von Wasserstoff in eine Umgebung umfasst das vorgestellte Brennstoffzellensystem ein Kontrollgerät. Das Kontrollgerät ist dazu konfiguriert, jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile des Brennstoffzellensystem zeitlich versetzt zu aktivieren, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil der Vielzahl Ventile aktivierbar ist, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem auszuleiten. Entsprechend kann durch eine Kontrolle eines jeweilig aktivierten Ventils eine Menge an in eine Umgebung abgeführtem Wasserstoff direkt kontrolliert werden.
Zum ausschließlichen Aktivieren eines jeweiligen bzw. ausgewählten Ventils ist das Kontrollgerät des vorgestellten Brennstoffzellensystems kommunikativ mit sämtlichen Ventilen der Vielzahl Ventile des vorgestellten Brennstoffzellensystems verbunden. Insbesondere kann das Kontrollgerät über die kommunikative Verbindung zu den Ventilen einen Zustand eines jeweiligen Ventils ermitteln und Kontrollbefehle zu jeweiligen Ventilen übermitteln.
Die kommunikative Verbindung zwischen Kontrollgerät und jeweiligen Ventilen des vorgestellten Brennstoffzellensystems kann direkt, bspw. über ein Kabel oder eine Drahtlosschnittstelle, oder indirekt, über ein Zwischenelement, wie bspw. ein Ventilsteuergerät, laufen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät des vorgestellten Brennstoffzellensystems das einzige Element des Brennstoffzellensystems ist, dass die Ventile des Brennstoffzellensystems aktiveren und deaktivieren kann bzw. darf. Dazu kann das Kontrollgerät das einzige Element des Brennstoffzellensystems sein, dass Kontrollbefehle an die Ventile übermitteln kann bzw. darf, sodass eine parallele Aktivierung mehrerer Ventile durch weitere Elemente ausgeschlossen wird. Bspw. kann das Kontrollgerät als Zwischengerät wirken, das sämtliche Kontrollbefehle zum Kontrollieren der Ventile entgegennimmt, mit einem in dem Kontrollgerät hinterlegten Kriterien katalog abgleicht und die Ventile entsprechend steuert. Dies bedeutet, dass bspw. ein Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems einen Kontrollbefehl für einen Spülvorgang, d. h. zum Aktivieren eines jeweiligen Spülventils, an das erfindungsgemäß vorgesehene Kontrollgerät und nicht direkt an das jeweilige Ventil übermittelt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vielzahl Ventile ein Spülventil und ein Entwässerungsventil umfasst.
Da insbesondere eine parallele Aktivierung von Spülventilen und Entwässerungsventilen zu einer unkontrollierten Addierung von abgeführten Wasserstoffmengen führt, bewirkt eine Kontrolle von Entwässerungsventilen und Spülventilen durch das erfindungsgemäße Kontrollgerät auch eine Vermeidung derart addierender Wasserstoffmengen, indem ausschließlich ein Spülventil oder ein Entwässerungsventil aktiviert wird bzw. aktivierbar ist. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungszustand jeweiliger Ventile der Vielzahl Ventile zu ermitteln. Durch ein Ermitteln eines aktuellen Aktivierungszustandes jeweiliger Ventile des vorgestellten Brennstoffzellensystems kann das erfindungsgemäß vorgesehene Kontrollgerät feststellen, ob ein jeweiliges Ventil aktiviert werden kann oder ob aktuell ein anderes Ventil aktiviert ist, das zunächst deaktiviert werden muss.
Zum Ermitteln eines aktuellen Aktivierungszustands jeweiliger Ventile des vorgestellten Brennstoffzellensystems kann das erfindungsgemäß vorgesehene Kontrollgerät mit den jeweiligen Ventilen direkt kommunizieren oder den Aktivierungszustand von einem Zwischenelemente, wie bspw. einem Zentralsteuergerät des Brennstoffzellensystems, abfragen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, vor einer Aktivierung eines jeweiligen Ventils sämtliche Ventile der Vielzahl Ventile zu deaktivieren.
Eine pauschale Deaktivierung sämtlicher Ventile vor einer Aktivierung eines jeweiligen Ventils stellt unabhängig von einer Kenntnis über einen aktuellen Aktivierungszustand jeweiliger Ventile sicher, dass ausschließlich das nach der Deaktivierung aktivierte Ventil aktiviert wird. Entsprechend kann durch eine solche pauschale Deaktivierung auf ein aufwendiges Bestimmungsverfahren zum Bestimmen eines Aktivierungszustands jeweiliger Ventile verzichtet werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, wenn ein jeweiliges Ventil der Vielzahl Ventile aktiviert ist, eine Aktivierung weiterer Ventile zu sperren.
Durch eine Sperre für eine Aktivierung jeweiliger zusätzlicher Ventile, die bspw. durch einen entsprechend in einem Speicher des erfindungsgemäß vorgesehenen Kontrollgeräts hinterlegten Kontrollbefehl ausgelöst werden kann, kann eine zufällige Aktivierung der jeweiligen zusätzlichen Ventile vermieden werden. Dazu kann das erfindungsgemäß vorgesehene Kontrollgerät insbesondere als „Master“ in einer „Master and Slave Anordnung“ konfiguriert sein, sodass weitere Geräte des vorgestellten Brennstoffzellensystems als „Slaves“ die Ventile nur nach Zustimmung des Kontrollgeräts kontrollierend können bzw. dürfen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile gemäß einer vorgegebenen Priorisierungsreihenfolge anzusteuern und für den Fall, dass ein Ventil mit einer ersten Priorisierung zu aktivieren ist, ein aktiviertes Ventil mit einer gegenüber der ersten Priorisierung niedrigeren Priorisierung zu deaktivieren und anschließend das Ventil mit der ersten Priorisierung zu aktivieren.
Mittels einer Priorisierung, die bspw. von einem Hersteller des vorgestellten Brennstoffzellensystem festgelegt und in einem Speicher des Kontrollgeräts hinterlegt wird, kann ein Schaltungsschema erzeugt werden, gemäß dessen bei Aktivierung eines hoch priorisierten Ventils automatisch nieder priorisierte Ventile deaktiviert werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile gemäß einer vorgegebenen zyklischen Aktivierungsreihenfolge zu aktivieren, wobei die Aktivierungsreihenfolge jedem einzelnen Ventil der Vielzahl Ventile exklusiv einen Zeitbereich zuordnet, innerhalb dessen ein entsprechendes Ventil aktivierbar ist.
Mittels einer zyklischen Aktivierungsreihenfolge, d. h. einer Anzahl Aktivierungsfenster bzw. Zeitbereiche, in denen ein Ventil aktivierbar ist, die sich über die Zeit hinweg wiederholt wird, wird jedem Ventil exklusiv ein Aktivierungszeitfenster zugeordnet, in dem nur dieses Ventil aktivierbar ist. Entsprechend kann ein Ventil erst dann aktiviert werden, wenn dessen Aktivierungszeitfenster aktuell läuft.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass sämtliche Ventile der Vielzahl Ventile mit einer gemeinsamen Einleitstelle zum Einleiten von Fluid in das Abluftsystem verbunden sind.
Eine gemeinsame Einleitstelle zum Einleiten von Fluid in ein Abluftsystem bedingt ein besonders robustes Brennstoffzellensystem, da auf eine Vielzahl einzelner Einleitstellen, die entsprechend einzeln abgedichtet sein müssen, verzichtet wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile mit einer jeweiligen Einleitstelle zum Einleiten von Fluid in das Abluftsystem verbunden sind.
Mehrere Einleitstellen zum Einleiten von Fluiden aus jeweiligen Ventilen ermöglicht eine kontrollierte und separate Abführung der Fluide aus dem vorgestellten Brennstoffzellensystem.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Betriebsverfahren umfasst einen Bereitstellungsschritt, bei dem eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird und einen Kontrollschritt, bei dem eine Aktivierung jeweiliger Ventile einer Vielzahl Ventile des Brennstoffzellensystems, mittels derer ein Fluidstrom über ein Abluftsystem aus dem Brennstoffzellensystem ausleitbar ist, kontrolliert wird, wobei in dem Kontrollschritt jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile zeitlich versetzt aktiviert werden, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil der Vielzahl Ventile aktiviert wird, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem auszuleiten.
Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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 einen schematischen Aufbau einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung von Ventilen gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung von Ventilen gemäß dem Brennstoffzellensystem aus Figur 1,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Vielzahl Ventile 101, 103 und 105 sowie ein Kontrollgerät 107. Das Ventil 101 kann bspw. ein Spülventil bzw. ein sogenanntes „Purge-Ventil“ sein, während des Ventil 103 und das Ventil 105 jeweils Wasserablassventile bzw. sogenannte „Drain-Ventile“ sein können.
Die Ventile 101, 103 und 105 sind jeweils aktivierbar um einen Fluidstrom, insbesondere Wasserstoff haltiges Anodenabgas, über ein Abluftsystem aus dem Brennstoffzellensystem 100 auszuleiten.
Das Kontrollgerät 107 ist dazu konfiguriert, die Ventile 101, 103 und 105 zeitlich versetzt zu aktivieren, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil, also entweder Ventil 101 oder Ventil 103 oder Ventil 105 aktivierbar bzw. aktiviert ist, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem 100 auszuleiten.
Durch die zeitlich versetzte Aktivierung der Ventile 101, 103 und 105 wird sichergestellt, dass niemals zwei Ventile der Ventile 101, 103 und 105 zeitgleich aktiv sind. Entsprechend wird durch die zeitlich versetzte Aktivierung der Ventile 101, 103 und 105 ein Aufaddieren von Wasserstoffkonzentration in jeweiligen aus den Ventilen 101, 103 und 105 ausströmenden Fluidströmen vermieden. In Figur 2 ist ein Diagramm 200, das sich auf seiner Ordinate über eine Wasserstoffkonzentration in einer Abluft eines Brennstoffzellensystems und auf seiner Abszisse über die Zeit aufspannt.
In Figur 2 ist zu erkennen, dass eine wiederholte Aktivierung eines einzelnen Ventils, wie bspw. eines Spülventils, zu Zeitpunkten tl und t2 zu einer gleichbleibenden Wasserstoffkonzentration in der Abluft eines Brennstoffzellensystems führt.
Zu einem Zeitpunkt t3 wird zusätzlich zu dem Spülventil gleichzeitig ein Wasserablassventil geöffnet, sodass sich eine erste Wasserstoffkonzentration aus einem durch das Spülventil bereitgestellten ersten Fluidstrom und eine zweite Wasserstoffkonzentration aus einem durch das Wasserablassventil bereitgestellten zweiten Fluidstrom aufaddieren und eine besonders hohe Wasserstoffmenge in eine Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben wird.
Zu Zeitpunkten t4 und t5 ist das Wasserablassventil wieder geschlossen und zu Zeitpunkt t6 wieder gleichzeitig zu dem Spülventil geöffnet.
In Figur 3 ist ein Diagramm 300, das sich auf seiner Ordinate über eine Wasserstoffkonzentration in einer Abluft eines Brennstoffzellensystems und auf seiner Abszisse über die Zeit aufspannt. Es ist zu erkennen, dass eine Aktivierung eines Ventils, wie bspw. eines Spülventils, zu Zeitpunkten tl und t2 zu einer gleichbleibenden Wasserstoffkonzentration in der Abluft des Brennstoffzellensystems führt.
Zu einem Zeitpunkt t3‘ wird kurz nachdem zu einem Zeitpunkt t3 das Spülventil aktiviert und wieder deaktiviert wurde, ein Wasserablassventil geöffnet. Entsprechend findet aufgrund der zeitlichen Trennung der Aktivierungsvorgänge des Spülventils und des Wasserablassventils keine Aufaddierung von Wasserstoffmengen statt, sodass die Wasserstoffkonzentration in der Abluft des Brennstoffzellensystems verglichen mit tl oder t2 unverändert bleibt. Vielmehr reduziert sich zum Zeitpunkt t3‘ bzw. t6‘, bei dem analog zum Zeitpunkt t3‘ das Wasserablassventil zeitlich getrennt von dem Spülventil aktiviert wird, eine in die Umgebung abgegebene Wasserstoffmenge gegenüber einer zum Zeitpunkt tl abgegebenen Wasserstoffmenge.
In Figur 4 ist ein Betriebsverfahren 400 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Das Betriebsverfahren 400 umfasst einen
Bereitstellungsschritt 401, bei dem eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird und einen Kontrollschritt 403, bei dem eine Aktivierung jeweiliger Ventile einer Vielzahl Ventile des Brennstoffzellensystems, mittels derer ein Fluidstrom über ein Abluftsystem aus dem Brennstoffzellensystem ausleitbar ist, kontrolliert wird, wobei in dem
Kontrollschritt 403 jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile zeitlich versetzt aktiviert werden, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil der Vielzahl Ventile aktiviert wird, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem auszuleiten.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:
- eine Vielzahl Ventile (101, 103, 105),
- ein Kontrollgerät (107), wobei jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) aktivierbar sind, um einen Fluidstrom über ein Abluftsystem aus dem Brennstoffzellensystem (100) auszuleiten, und wobei das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) zeitlich versetzt zu aktivieren, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) aktivierbar ist, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem (100) auszuleiten.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl Ventile (101, 103, 105) ein Spülventil und ein Entwässerungsventil umfasst.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, einen Aktivierungszustand jeweiliger Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) zu ermitteln.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, vor einer Aktivierung eines jeweiligen Ventils sämtliche Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) zu deaktivieren. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, wenn ein jeweiliges Ventil der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) aktiviert ist, eine Aktivierung weiterer Ventile zu sperren. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) gemäß einer vorgegebenen Priorisierungsreihenfolge anzusteuern und für den Fall, dass ein Ventil mit einer ersten Priorisierung zu aktivieren ist, ein aktiviertes Ventil mit einer gegenüber der ersten Priorisierung niedrigeren Priorisierung zu deaktivieren und anschließend das Ventil mit der ersten Priorisierung zu aktivieren. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollgerät (107) dazu konfiguriert ist, jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) gemäß einer vorgegebenen zyklischen Aktivierungsreihenfolge zu aktivieren, wobei die Aktivierungsreihenfolge jedem einzelnen Ventil der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) exklusiv einen Zeitbereich zuordnet, innerhalb dessen ein entsprechendes Ventil aktivierbar ist. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) mit einer gemeinsamen Einleitstelle zum Einleiten von Fluid in das Abluftsystem verbunden sind. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) mit einer jeweiligen Einleitstelle zum Einleiten von Fluid in das Abluftsystem verbunden sind. Betriebsverfahren (400) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Betriebsverfahren (400) umfasst:
- einen Bereitstellungsschritt (401), bei dem ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bereitgestellt wird,
- einen Kontrollschritt (403), bei dem eine Aktivierung jeweiliger Ventile einer Vielzahl Ventile (101, 103, 105) des Brennstoffzellensystems (100), mittels derer ein Fluidstrom über ein Abluftsystem aus dem Brennstoffzellensystem (100) ausleitbar ist, kontrolliert wird, wobei in dem Kontrollschritt (403) jeweilige Ventile der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) zeitlich versetzt aktiviert werden, sodass zu einem jeweiligen Zeitpunkt ausschließlich ein einzelnes Ventil der Vielzahl Ventile (101, 103, 105) aktiviert wird, um einen Fluidstrom aus dem Brennstoffzellensystem (100) auszuleiten.
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