WO2023193976A1 - Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem im intermittierenden betrieb - Google Patents

Brennstoffzellensystem und betriebsverfahren für ein brennstoffzellensystem im intermittierenden betrieb Download PDF

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WO2023193976A1
WO2023193976A1 PCT/EP2023/052837 EP2023052837W WO2023193976A1 WO 2023193976 A1 WO2023193976 A1 WO 2023193976A1 EP 2023052837 W EP2023052837 W EP 2023052837W WO 2023193976 A1 WO2023193976 A1 WO 2023193976A1
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WO
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fuel cell
cell system
cell stack
computing unit
stoichiometry
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PCT/EP2023/052837
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Inventor
Mark Hellmann
Fabian Straub
Jonas BREITINGER
Matthias Rink
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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
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    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the presented invention relates to a fuel cell system, an operating method for a fuel cell system and a vehicle.
  • Hydrogen-based polymer electrolyte (PEM) fuel cells are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times.
  • partial load operation is carried out in an energy-optimal manner.
  • subsystems of the fuel cell system such as an air system, a hydrogen system and a thermal system, are controlled in such a way that the overall system efficiency is as high as possible.
  • Component limitations for example a compressor, can mean that a water balance in a respective fuel cell is unfavorable for a sudden increase in performance.
  • partial load is characterized by the fact that there is a significant excess supply of active area for comparatively low material turnover, ie moderate losses of accessible active area due to liquid water blockages are not critical for partial load operation.
  • the application in a fuel cell-dominated hybrid system requires a high performance dynamic of the fuel cell system, as this is the only way to keep the performance requirements for the relatively small traction battery within a sensible range. In this way, the required battery capacity can be reduced and costs can be saved.
  • the current density must be limited to a smaller value, which leads to a reduction in the maximum power.
  • the presented invention serves in particular to provide a robust fuel cell system.
  • a fuel cell system for providing electrical energy includes a fuel cell stack and a computing unit.
  • the computing unit is configured to switch the fuel cell system into intermittent operation, wherein in the intermittent operation the fuel cell system is configured to repeatedly switch between a dry operation of the fuel cell stack and a wet operation of the fuel cell stack, and in the dry operation an increased operation compared to the wet operation Stoichiometry and in the wet operation a reduced stoichiometry compared to the dry operation.
  • the computing unit is further configured to activate intermittent operation only when a current intensity currently provided by the fuel cell system is below a current intensity threshold value specifically predetermined for a temperature in the fuel cell stack.
  • intermittent operation or a so-called “toggle mode” is to be understood as an operating state of a fuel cell system in which between dry operation of the fuel cell stack with increased stoichiometry and wet operation of the fuel cell stack in which a reduced stoichiometry is set , is changed repeatedly.
  • Intermittent operation is usually activated when, in humidity operation, a minimum gas velocity u m in for liquid water discharge must be undershot in order to ensure a specified membrane humidity.
  • a short-term violation of the respective specified stoichiometry limit values is permissible in intermittent operation since a significant amount of water can be stored by the fuel cells. This means that in intermittent operation the specified limit values are alternately violated or adhered to.
  • the fuel cell system according to the invention is based on the principle that intermittent operation is only activated when a current intensity currently provided by the fuel cell system is below a current intensity threshold value specifically predetermined for a temperature in the fuel cell stack, so that a minimum gas velocity for discharging liquid water from the fuel cells is undershot. This means that the activation of intermittent operation depends not only on the current provided, but also on the temperature in the fuel cell stack.
  • the reaction conditions permitted for a respective current intensity to be provided are specified in the fuel cell stack, so that a condition in which, for example, flooding of the cathode can occur is excluded or activation Intermittent operation, which can result in flooding of the cathode, for example, is excluded. Accordingly, the fuel cell system presented can be switched to intermittent operation safely or without the risk of damage to the fuel cell system.
  • intermittent operation a target activity of the fuel cell system can be reduced for a predetermined period of time in order to set the minimum gas velocity for discharging liquid water by increasing the stoichiometry in the fuel cell stack and/or reducing a pressure in the fuel cell stack (dry operation). After the specified period of time has elapsed, the target activity can be increased again to ensure sufficient humidification of the membrane (wet operation).
  • the current intensity threshold value is stored in a map for each operating temperature, with the current intensity threshold value increasing as the operating temperature increases.
  • a characteristic map which is stored, for example, in a memory of the fuel cell system presented, can assign a temperature value to each current intensity value, so that intermittent operation can only be activated when a currently provided or to be provided current intensity is below the current intensity value that is determined according to the characteristic map for a temperature currently present in the fuel cell stack is specified.
  • the computing unit is configured to determine the current intensity threshold using a mathematical model of the fuel cell system.
  • a mathematical model of the fuel cell system Using a mathematical model of the fuel cell system, the behavior of the fuel cell system can be mathematically depicted and predicted accordingly. Accordingly, a mathematical model enables a dynamic determination of the current intensity threshold as a function of at least the temperature in the fuel cell stack.
  • the mathematical model uses at least one value from the following list of values as input variables: inlet pressure at cathode and/or anode, stoichiometry at cathode and/or anode, relative inlet humidity at cathode and/or anode, gas composition at inlet and /or exit, integral current over a given Operating range, average flow velocity over a given
  • a mathematical model of the fuel cell system In order to represent the behavior of the fuel cell system as reliably as possible using a mathematical model of the fuel cell system and to enable the current intensity threshold value to be determined as reliably as possible, a mathematical model has proven to be advantageous which includes a large number of input parameters, in particular using sensors for detecting reaction conditions in the fuel cell stack .
  • the computing unit is configured to activate the wet operation more frequently and/or longer than the dry operation in the intermittent operation.
  • the operating point of increased stoichiometry or dry operation is kept shorter than the operating point of reduced stoichiometry or wet operation, flooding of the fuel cells is avoided and aging of the fuel cells is minimized. Furthermore, membrane conditions that are too dry are avoided and the efficiency of the fuel cell system is maximized. In particular, this achieves partial load capability of the fuel cell system even at high operating temperatures, so that the operating range of the fuel cell system is expanded.
  • the computing unit is configured to activate the humidity operation in the intermittent operation only for so long and/or so frequently that a liquid water content in the fuel cell stack is permanently below a maximum water content specified for full-load operation of the fuel cell stack.
  • a certain liquid water content ie a certain volume fraction of liquid water, is permitted in the gas paths of a fuel cell system.
  • a maximum water content can, for example, be selected depending on the desired current density, so that at low current densities an effective area for gas transport through liquid water is significantly reduced without causing damage or at high current densities the gas paths are largely, possibly even almost, reduced be kept completely free of liquid water. Accordingly, the maximum water content is higher for low current intensities than for high current intensities.
  • the computing unit is configured to activate the humidity operation in the intermittent operation only for so long and/or so frequently that a liquid water content in the fuel cell stack is permanently below a maximum water content permissible for full-load operation of the fuel cell stack, if this Fuel cell system is switched to dynamic operation.
  • dynamic operation can be activated in which intermittent Operation of the humidity operation is only activated for so long and/or so frequently that a liquid water content in the fuel cell stack is permanently below a maximum water content permissible for full-load operation of the fuel cell stack.
  • the computing unit can be configured to increase the membrane moisture so that the nominal point is reached with the lowest possible ohmic losses and correspondingly high efficiency.
  • the computing unit can be configured to reduce a temperature in the fuel cell stack, increase a pressure in the fuel cell stack, reduce a stoichiometry of the fuel cell system and/or increase an inlet humidity of the fuel cell stack.
  • the water balance of the fuel cell system is adjusted accordingly to ensure maximum ability to jump to high outputs.
  • conditions that are critical for jumping ability such as partial flooding or low membrane moisture, are avoided.
  • the water balance can be influenced by various parameters, such as pressures, mass flows, relative humidities and temperatures of the gases and/or mass flow and inlet temperature of the coolant, in order to adapt the humidity state of the fuel cells in partial load as close as possible to the humidity state in full load, and thus achieving a reference operation at the nominal point in the shortest possible time without the risk of damaging the fuel cell system.
  • the computing unit can be configured to slow down a reduction in the gas mass flow, increase a temperature in the fuel cell stack, quickly reduce a pressure in the fuel cell stack and/or reduce an inlet humidity of the fuel cell stack.
  • the computing unit is configured to automatically switch between stationary operation and dynamic operation depending on a rate of change of load requirements for the fuel cell system.
  • Fuel cell system is operated with maximum efficiency and that Dynamic operation, in which the fuel cell system is adjusted or conditioned for maximum jump capability, a user can be provided with a dynamically acting and yet efficiently operating fuel cell system.
  • the computing unit is configured to automatically switch between stationary operation and dynamic operation depending on the operating information provided about expected operating parameters of the fuel cell system.
  • the operating information provided includes a route to be traveled by a vehicle comprising the fuel cell system and/or a state of a battery of the vehicle.
  • Information about a route to be traveled and information about the state of a battery of a corresponding vehicle have proven to be particularly suitable for activating dynamic operation, since this information is directly related to a characteristic of a performance requirement for the fuel cell system.
  • the fuel cell system comprises a user interface which, when operated by a user, switches the fuel cell system from stationary operation to dynamic operation or from dynamic operation to stationary operation.
  • a user can switch dynamic operation on or off according to his or her own preferences and accordingly Configure fuel cell system for agile or efficient operation.
  • the presented invention relates to an operating method for a fuel cell system.
  • the operating method includes switching the fuel cell system into an intermittent operation, wherein in the intermittent operation there is a repeated switch between a dry operation of the fuel cell stack and a humid operation of the fuel cell stack, wherein in the dry operation an increased stoichiometry compared to the humid operation and in the humid operation one compared to the dry operation reduced stoichiometry is set, and wherein the intermittent operation is only activated when a current intensity currently provided by the fuel cell system is below a current intensity threshold value specifically predetermined for a temperature in a fuel cell stack of the fuel cell system.
  • the operating method presented is used in particular to operate the fuel cell system presented.
  • the presented invention relates to a vehicle with a possible embodiment of the presented fuel cell system.
  • Figure 2 shows a possible embodiment of the operating method presented
  • Figure 3 shows a possible design of the vehicle presented.
  • a fuel cell system 100 is shown in FIG.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 101 and a computing unit 103.
  • the computing unit 103 is configured to switch the fuel cell system 100 into an intermittent operation, wherein in the intermittent operation between a dry operation of the fuel cell stack 101 and a wet operation of the fuel cell stack 101 is repeatedly switched and wherein in the dry operation an increased stoichiometry compared to the wet operation and in A reduced stoichiometry is set in the humid operation compared to the dry operation.
  • the computing unit 103 is further configured to activate intermittent operation only when a current intensity currently provided by the fuel cell system 100 is below a current intensity threshold value specifically predetermined for a temperature in the fuel cell stack.
  • the current threshold value can be stored in a map or can be determined dynamically using a mathematical model.
  • the computing unit is configured to activate the wet operation more frequently and/or longer than the dry operation in the intermittent operation, so that flooding of fuel cells of the fuel cell stack 101 is avoided and an efficiency, i.e. an energetic efficiency of the fuel cell system, is maximized.
  • the fuel cell system 100 includes a user interface 105 through which the intermittent operation can be activated or deactivated.
  • An operating method 200 is shown in FIG. Starting from a current operating point 201, a test step 203 checks whether a minimum current Itoggie for stationary operation 205 is undershot. If this is the case, a minimum gas speed for discharging liquid water is not reached and a switch to intermittent operation (“toggle mode”) 207 is required.
  • a current operating temperature T is taken into account. If intermittent operation is activated, in an adaptation step 209 a target activity a of the fuel cell system is initially reduced for a period of time in order to fulfill a predetermined umin criterion for discharging liquid water. For this purpose, the stoichiometry can be increased and/or the pressure p can be reduced.
  • Atumin ⁇ Atamin applies to the times in the two operating points.
  • a vehicle 300 is shown in FIG.
  • the vehicle 300 includes the fuel cell system 100 according to Figure 1.
  • the computing unit 103 of the fuel cell system 100 is coupled to a computing unit 301 of the vehicle, so that the fuel cell system 100 can activate or deactivate the intermittent operation of the fuel cell system 100 depending on a state of the vehicle 300.

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischem Strom. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (101) und eine Recheneinheit (103), wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (100) in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem (100) dazu konfiguriert ist, zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels (101) und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels (101) wiederholt umzuschalten, sowie in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie einzustellen, und wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem (100) aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel (101) spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem im intermittierenden Betrieb
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Polymerelektrolyt (PEM) -Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.
In bekannten Brennstoffzellensystemen wird der Teillastbetrieb energieoptimal ausgeführt. Das heißt, dass für eine jeweilige Leistung Subsysteme des Brennstoffzellensystems, wie bspw. ein Luftsystem, ein Wasserstoffsystem und ein Thermalsystem so angesteuert werden, dass sich in Summe eine möglichst hohe Systemeffizienz einstellt. Dabei kann es durch Komponentenlimitierungen, bspw. eines Verdichters, dazu kommen, dass ein Wasserhaushalt in einer jeweiligen Brennstoffzelle für eine plötzliche Leistungserhöhung unvorteilhaft ist.
Bspw. kann eine teilweise Flutung oder eine im Vergleich zum Nennpunkt geringere Membranwasserbeladung vorliegen. Bei niedriger Teillast sind beide Fälle akzeptabel und können sogar, trotz geringerer Brennstoffzelleneffizienz, zu einer maximalen Systemeffizienz führen. Weiterhin ist die Teillast dadurch gekennzeichnet, dass ein deutliches Überangebot an aktiver Fläche für vergleichsweise geringen Stoffumsatz besteht, d.h. moderate Verluste an zugänglicher aktiver Fläche durch Flüssigwasserblockaden sind für den Teillastbetrieb unkritisch. Die Anwendung in einem Brennstoffzellen-dominierten Hybridsystem erfordert eine hohe Leistungsdynamik des Brennstoffzellensystems, da nur so die Leistungsanforderung an die verhältnismäßig kleine Traktionsbatterie in einem sinnvollen Rahmen bleibt. So kann auch die benötigte Batteriekapazität reduziert und Kosten eingespart werden.
Im Falle von sehr dynamischen Änderungen der Leistungsanforderung, d.h. Lastwechseln die schneller erfolgen als eine Befeuchtungsdynamik, sind die voranstehend genannten Fälle jedoch mit erheblichen Risiken belastet, da zum einen eine Teilflutung erfolgt, wenn in einer teilweise gefluteten Brennstoffzelle schnell die Stromdichte erhöht wird, und die lokale Grenzstromdichte überschritten wird. Dadurch kann es zur Gasverarmung sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite kommen. Insbesondere eine Wasserstoffverarmung führt direkt zu einer irreversiblen Schädigung und damit zu einer beschleunigten Alterung der Katalysatorschicht der Brennstoffzelle. Gleichzeitig sinkt der Brennstoffzellenstapelwirkungsgrad und damit auch der Brennstoffzellensystemwirkungsgrad stark.
Sollen diese Nachteile vermieden werden, muss die Stromdichte auf einen kleineren Wert limitiert werden, wodurch es zu einer Verringerung der Maximalleistung kommt.
Zum anderen besteht das Risiko einer trockenen Membran, da eine niedrige Protonenleitfähigkeit zu steigenden ohmschen Verlusten im Vergleich zum Referenzbetrieb am Nennpunkt führt. Wird dabei die Stromdichte stark erhöht, kann es zu sehr niedrigen Zellspannungen und damit sehr geringer Brennstoffzellenstapelleistung und reduziertem Brennstoffzellensystemwirkungsgrad kommen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bzw. dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, und eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem dazu konfiguriert ist, zwischen einem Trocken betrieb des Brennstoffzellenstapels und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels wiederholt umzuschalten, sowie in dem Trocken betrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie einzustellen.
Die Recheneinheit ist weiterhin dazu konfiguriert, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.
Unter einem intermittierenden Betrieb bzw. einem sogenannten „toggle-mode“ ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems zu verstehen, bei dem zwischen einem Trocken betrieb des Brennstoffzellenstapels mit erhöhter Stöchiometrie und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels, bei dem eine verringerte Stöchiometrie eingestellt wird, wiederholt gewechselt wird. Der intermittierende Betrieb wird in der Regel dann aktiviert, wenn im Feuchtebetrieb eine Mindestgasgeschwindigkeit umin zum Flüssigwasseraustrag unterschritten werden muss, um eine vorgegebene Membranfeuchte sicherzustellen. Eine kurzzeitige Verletzung jeweiliger vorgegebener Grenzwerte der Stöchiometrie ist im intermittierenden Betrieb zulässig, da von den Brennstoffzellen eine signifikante Wassermenge gespeichert werden kann. Dies bedeutet, dass im intermittierenden Betrieb die vorgegebenen Grenzwerte abwechselnd verletzt bzw. eingehalten werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem basiert auf dem Prinzip, dass der intermittierende Betrieb lediglich aktiviert wird, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt, sodass eine Mindestgasgeschwindigkeit zum Austrag von Flüssigwasser aus den Brennstoffzellen unterschritten wird. Dies bedeutet, dass die Aktivierung des intermittierenden Betriebs nicht ausschließlich von der bereitgestellten Stromstärke, sondern auch von der Temperatur im Brennstoffzellenstapel abhängt.
Durch die Aktivierung des intermittierenden Betriebs in Abhängigkeit der Temperatur im Brennstoffzellenstapel werden aktuelle Reaktionsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel bei der Aktivierung des intermittierenden Betriebs berücksichtigt, sodass bspw. Flutungen der Kathode des Brennstoffzellensystems vermieden werden können.
Durch die Vorgabe eines für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwerts werden die für eine jeweilige bereitzustellende Stromstärke erlaubten Reaktionsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel vorgegeben, sodass ein Zustand, bei dem es bspw. zu einer Flutung der Kathode kommen kann, ausgeschlossen werden bzw. eine Aktivierung des intermittierenden Betriebs, bei dem es bspw. zu einer Flutung der Kathode kommen kann, ausgeschlossen wird. Entsprechend kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem sicher bzw. ohne das Risiko eines Schadens an dem Brennstoffzellensystem in den intermittierenden Betrieb geschaltet werden. Im intermittierenden Betrieb kann eine Zielaktivität des Brennstoffzellensystems für einen vorgegebenen Zeitraum reduziert werden, um die Mindestgasgeschwindigkeit zum Austrag von Flüssigwasser einzustellen, indem die Stöchiometrie in dem Brennstoffzellenstapel erhöht wird und/oder ein Druck in dem Brennstoffzellenstapel reduziert wird (Trockenbetrieb). Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums kann die Zielaktivität wieder erhöht werden, um eine ausreichende Befeuchtung der Membran sicherzustellen (Feuchtbetrieb).
Es kann vorgesehen sein, dass der Stromstärkeschwellenwert zu jeder Betriebstemperatur in einem Kennfeld hinterlegt ist, wobei der Stromstärkeschwellenwert mit zunehmender Betriebstemperatur ansteigt.
Ein Kennfeld, das bspw. in einem Speicher des vorgestellten Brennstoffzellensystems hinterlegt ist, kann jedem Stromstärkewert einen Temperaturwert zuordnen, sodass der intermittierende Betrieb nur dann aktiviert werden kann, wenn eine aktuell bereitgestellte bzw. bereitzustellende Stromstärke unter dem Stromstärkewert liegt, der gemäß dem Kennfeld für eine aktuell in dem Brennstoffzellenstapel anliegende Temperatur vorgegeben ist.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Stromstärkeschwellenwert mittels eines mathematischen Modells des Brennstoffzellensystems zu ermitteln.
Durch ein mathematisches Modell des Brennstoffzellensystems kann ein Verhalten des Brennstoffzellensystems mathematisch abgebildet und entsprechend prognostiziert werden. Entsprechend ermöglicht ein mathematisches Modell eine dynamische Bestimmung des Stromstärkeschwellenwerts in Abhängigkeit zumindest der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel.
Es kann vorgesehen sein, dass das mathematische Modell als Eingangsgrößen mindestens einen Wert der folgenden Liste an Werten verwendet: Eintrittsdruck an Kathode und/oder Anode, Stöchiometrie an Kathode und/oder Anode, relative Eintrittsfeuchte an Kathode und/oder Anode, Gaszusammensetzung am Eintritt und/oder Austritt, integrale Stromstärke über einen vorgegebenen Betriebsbereich, mittlere Strömungsgeschwindigkeit über einen vorgegebenen
Betriebsbereich
Um ein Verhalten des Brennstoffzellensystems mittels eines mathematischen Modells des Brennstoffzellensystems möglichst verlässlich abzubilden und eine möglichst verlässliche Bestimmung des Stromstärkeschwellenwerts zu ermöglichen, hat sich ein mathematisches Modell als vorteilhaft erwiesen, das eine Vielzahl Eingangsparameter, insbesondere mittels Sensoren zum Erfassen von Reaktionsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel, einbezieht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb.
Dadurch, dass der Betriebspunkt erhöhter Stöchiometrie bzw. des Trocken betriebs kürzer gehalten wird als der Betriebspunkt verringerter Stöchiometrie bzw. des Feuchtebetriebs, wird eine Flutung der Brennstoffzellen vermieden und eine Alterung der Brennstoffzellen minimiert. Weiterhin werden dadurch zu trockene Membranzustände vermieden und eine Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert. Insbesondere wird dadurch eine Teillastfähigkeit des Brennstoffzellensystems auch bei hohen Betriebstemperaturen erreicht, sodass der Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems erweitert wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels vorgegebenen Maximalwassergehalt liegt.
Eine gewisser Flüssigwassergehalt, d.h. ein gewisser Volumenanteil an Flüssigwasser ist in den Gaspfaden eines Brennstoffzellensystems zulässig. Wird jedoch ein Maximalwassergehalt überschritten, wird die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Reaktanten so stark eingeschränkt, dass es zu Leistungsverlusten bis hin zu irreversibler Schädigung des Brennstoffzellensystems kommen kann. Der Maximalwassergehalt kann bspw. abhängig von der gewünschten Stromdichte gewählt werden, sodass bei niedrigen Stromdichten eine effektive Fläche zum Gastransport durch Flüssigwasser deutlich reduziert werden, ohne dass es zu einer Schädigung kommt oder bei hohen Stromdichten die Gaspfade zu einem großen Teil, evtl, sogar nahezu vollständig von Flüssigwasser freigehalten werden. Entsprechend ist der Maximalwassergehalt für niedrige Stromstärken höher als für hohe Stromstärken.
In der niedrigen Teillast ist ein intermittierender Betrieb energieoptimal. Für eine gewisse Zeit wird die Kathodenstöchiometrie niedrig gehalten, um die Verdichterleistung zu verringern und den Systemwirkungsgrad zu maximieren. In diesem Zustand kommt es jedoch zu einer langsamen Ansammlung von Flüssigwasser. Kurz bevor der Maximalwassergehalt erreicht wird, kann durch eine kurzzeitige Anhebung der Stöchiometrie der Flüssigwassergehalt deutlich reduziert werden. Eine rein stationäre Betriebsführung benötigt eine höhere Stöchiometrie und führt entsprechend zu einer schlechteren Systemeffizienz.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels zulässigen Maximalwassergehalt liegt, wenn das Brennstoffzellensystem in einen Dynamikbetrieb geschaltet ist.
Um eine maximale Sprungfähigkeit des Brennstoffzellensystems dann zu ermöglichen, wenn diese von einem Nutzer gewünscht wird und dann eine maximale Effizienz des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, wenn dies möglich ist bzw. durch Nutzervorgaben nicht unterbunden wird, kann ein Dynamikbetrieb aktiviert werden, bei dem in dem intermittierenden Betrieb der Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig aktiviert wird, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels zulässigen Maximalwassergehalt liegt. Insbesondere kann die Recheneinheit dazu konfiguriert sein, die Membranfeuchte so zu erhöhen, dass der Nennpunkt mit möglichst geringen ohmschen Verlusten und entsprechend hoher Effizienz erreicht wird. Dazu kann die Recheneinheit dazu konfiguriert sein, eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel zu senken, einen Druck in dem Brennstoffzellenstapel zu erhöhen, eine Stöchiometrie des Brennstoffzellensystems zu senken und/oder eine Eintrittsfeuchte des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen.
Im Dynamikbetrieb wird der Wasserhaushalt des Brennstoffzellensystem entsprechend so eingestellt, dass eine maximale Sprungfähigkeit zu hohen Leistungen sichergestellt wird. Insbesondere werden die für die Sprungfähigkeit kritischen Zustände wie Teilflutung oder geringe Membranfeuchte vermieden. Der Wasserhaushalt kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, wie bspw. Drücke, Massenströme, relative Feuchten und Temperaturen der Gase und/oder Massenstrom und Eintrittstemperatur des Kühlmittels, um den Feuchtezustand der Brennstoffzellen in der Teillast möglichst nahe an den Feuchtezustand in der Volllast anzupassen, und so einen Referenzbetrieb im Nennpunkt in möglichst kurzer Zeit ohne das Risiko einer Beschädigung des Brennstoffzellensystems zu erreichen.
Soll die Leistung des Brennstoffzellensystem schnell reduziert werden bzw. ein negativer Lastsprung eingeleitet werden, kann es zu einer Flutung der Brennstoffzellen kommen. Um diese Problematik zu umgehen kann die Recheneinheit dazu konfiguriert sein, eine Reduktion des Gasmassenstroms zu verlangsamen, eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel zu erhöhen, einen Druck in dem Brennstoffzellenstapel zügig zu senken und/oder eine Eintrittsfeuchte des Brennstoffzellenstapels zu senken.
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit einer Änderungsrate von Lastanforderungen für das Brennstoffzellensystem, automatisch zwischen einem Stationärbetrieb und einem Dynamikbetrieb umzuschalten.
Durch ein automatisches Umschalten zwischen dem Stationärbetrieb, indem das
Brennstoffzellensystem mit maximaler Effizienz betrieben wird und dem Dynamikbetrieb, in dem das Brennstoffzellensystem für eine maximale Sprungfähigkeit eingestellt bzw. konditioniert wird, kann einem Nutzer ein dynamisch agierendes und dennoch effizient arbeitendes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit von bereitgestellten Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten.
Ein Umschalten zwischen dem Dynamikbetrieb und dem Stationärbetrieb in Abhängigkeit von bereitgestellten Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems ermöglicht ein präventives Aktivieren des Dynamikbetriebs, sodass der Nutzer den Eindruck eines kontinuierlich dynamisch agierenden Brennstoffzellensystems erhält.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die bereitgestellten Betriebsinformationen eine von einem das Brennstoffzellensystem umfassenden Fahrzeugs zu befahrende Route und/oder einen Zustand einer Batterie des Fahrzeugs umfassen.
Zum Aktivieren des Dynamikbetriebs haben sich Informationen über eine zu befahrende Route und Informationen über einen Zustand einer Batterie eines entsprechenden Fahrzeugs als besonders geeignet erwiesen, da diese Informationen im direkten Zusammenhang mit einer Charakteristik einer Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem stehen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Benutzerschnittstelle umfasst, die bei Bedienung durch einen Nutzer das Brennstoffzellensystem von dem Stationärbetrieb in den Dynamikbetrieb oder von dem Dynamikbetrieb in den Stationärbetrieb umschaltet.
Mittels einer Benutzerschnittstelle, wie bspw. einem Taster oder einem Menüpunkt in einem Benutzerinterface, kann ein Nutzer den Dynamikbetrieb nach seinen Vorstellungen ein- bzw. ausschalten und entsprechend das Brennstoffzellensystem für einen agilen oder einen effizienten Betrieb konfigurieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Das Betriebsverfahren umfasst das Schalten des Brennstoffzellensystems in einen intermittierenden Betrieb, wobei in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels wiederholt umgeschaltet wird, wobei in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trocken betrieb verringerte Stöchiometrie eingestellt wird, und wobei der intermittierende Betrieb lediglich dann aktiviert wird, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.
Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung 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 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens, Figur 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.
In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101 und eine Recheneinheit 103.
Die Recheneinheit 103 ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem 100 in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels 101 und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels 101 wiederholt umgeschaltet wird und wobei in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trocken betrieb verringerte Stöchiometrie eingestellt wird.
Die Recheneinheit 103 ist ferner dazu konfiguriert, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem 100 aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.
Der Stromstärkeschwellenwert kann in einem Kennfeld hinterlegt sein oder dynamisch mittels eines mathematischen Modells ermittelt werden.
Bspw. ist die Recheneinheit dazu konfiguriert, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb, sodass eine Flutung von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 101 vermieden und eine Effizienz, d.h. eine energetische Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert wird.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Benutzerschnittstelle 105, durch die der intermittierende Betrieb aktivierbar oder deaktivierbar ist.
In Figur 2 ist ein Betriebsverfahren 200 dargestellt. Ausgehend von einem aktuellen Betriebspunkt 201 wird in einem Prüfschritt 203 geprüft, ob eine Mindeststromstärke Itoggie für einen stationären Betrieb 205 unterschritten wird. Ist das der Fall, wird eine Mindestgasgeschwindigkeit zum Austrag von Flüssigwasser unterschritten und eine Umschaltung in einen intermittierenden Betrieb („Toggle-Mode“) 207 ist erforderlich.
Zur Bestimmung der Mindeststromstärke Itoggie wird eine aktuelle Betriebstemperatur T berücksichtigt. Ist der intermittierende Betrieb aktiviert, wird in einem Anpassungsschritt 209 eine Zielaktivität a des Brennstoffzellensystems zunächst für einen Zeitraum Atumin gesenkt, um ein vorgegebenes umin-Kriterium zum Austrag von Flüssigwasser zu erfüllen. Dazu kann die Stöchiometrie erhöht werden und/oder der Druck p reduziert werden.
Nach Ablauf von Atumin in einem Warteschritt 211 wird die Zielaktivität a in einem Anhebungsschritt 213 für einen vorgegebenen Zeitraum Atamin 215 auf bzw. über eine vorgegebene Grenze amin angehoben. Der Tropfenaustrag erfolgt deutlich schneller als die Austrocknung und Wiederbefeuchtung der Membran. Deshalb gilt für die Zeiten in den beiden Betriebspunkten Atumin < Atamin.
In Figur 3 ist ein Fahrzeug 300 dargestellt. Das Fahrzeug 300 umfasst das Brennstoffzellensystem 100 gemäß Figur 1. Die Recheneinheit 103 des Brennstoffzellensystems 100 ist mit einer Recheneinheit 301 des Fahrzeugs gekoppelt, sodass das Brennstoffzellensystem 100 in Abhängigkeit eines Zustands des Fahrzeugs 300 der intermittierende Betrieb des Brennstoffzellensystem 100 aktiviert oder deaktiviert werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischem Strom, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:
- einen Brennstoffzellenstapel (101), und
- eine Recheneinheit (103), wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (100) in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem (100) dazu konfiguriert ist, zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels (101) und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels (101) wiederholt umzuschalten, sowie in dem Trocken betrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie einzustellen, und wobei die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem (100) aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel (101) spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromstärkeschwellenwert zu jeder Betriebstemperatur in einem Kennfeld hinterlegt ist, wobei der Stromstärkeschwellenwert mit zunehmender Betriebstemperatur ansteigt.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, den Stromstärkeschwellenwert mittels eines mathematischen Modells des Brennstoffzellensystems (100) zu ermitteln. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Modell als Eingangsgrößen mindestens einen Wert der folgenden Liste an Werten verwendet: Eintrittsdruck an Kathode und/oder Anode, Stöchiometrie an Kathode und/oder Anode, relative Eintrittsfeuchte an Kathode und/oder Anode, Gaszusammensetzung am Eintritt und/oder Austritt, integrale Stromstärke über einen vorgegebenen Betriebsbereich, mittlere Strömungsgeschwindigkeit über einen vorgegebenen Betriebsbereich. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel (101) dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels (101) vorgegebenen Maximalwassergehalt liegt. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel (101) dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels (101) zulässigen Maximalwassergehalt liegt, wenn das Brennstoffzellensystem (100) in einen Dynamikbetrieb geschaltet ist. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit einer Änderungsrate von Lastanforderungen für das Brennstoffzellensystem (100), automatisch zwischen einem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (103) dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit von bereitgestellten Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (100), automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellten Betriebsinformationen eine von einem das Brennstoffzellensystem (100) umfassenden Fahrzeugs (300) zu befahrende Route und/oder einen Zustand einer Batterie des Fahrzeugs (300) umfassen. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine Benutzerschnittstelle (105) umfasst, die bei Bedienung durch einen Nutzer das Brennstoffzellensystem (100) von dem Stationärbetrieb in den Dynamikbetrieb oder von dem Dynamikbetrieb in den Stationärbetrieb umschaltet. Betriebsverfahren (200) für ein Brennstoffzellensystem, wobei das Betriebsverfahren (200) umfasst:
- Schalten (207) des Brennstoffzellensystems (100) in einen intermittierenden Betrieb, wobei in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trocken betrieb des Brennstoffzellenstapels und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels wiederholt umgeschaltet wird, wobei in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trocken betrieb verringerte Stöchiometrie eingestellt wird, wobei der intermittierende Betrieb lediglich dann aktiviert wird, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem (100) aktuell bereitgestellte
Stromstärke unter einem für eine Temperatur in einem Brennstoffzellenstapel (101) des Brennstoffzellensystems (100) spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt. 13. Fahrzeug (300) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der
Ansprüche 1 bis 11.
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