Titel

Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Stand der Technik

Brennstoffzellensysteme mit mehreren Teilsystemen, d.h. zumindest teilweise autarken Systemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, werden in der Regel durch ein zentrales Brennstoffversorgungssystem mit Brennstoff versorgt.

Ein solches Brennstoffversorgungssystem umfasst einen Tank, in dem unter hohem Druck Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, gespeichert ist und Versorgungsleitungen, die zu jeweiligen Dosierventilen der jeweiligen Teilsysteme führen. Um einen Druck in den Versorgungsleitungen einzustellen, ist ein zentraler Tankdruckregler vorgesehen, der einen Hochdruckbereich in dem Tank von einem Mitteldruckbereich in den Versorgungsleitungen trennt und Brennstoff in die Versorgungsleitungen leitet, wenn dort der Druck abfällt

Da die Betriebsbedingungen in einem Brennstoffzellenstapel genau eingestellt werden müssen, ist es regelmäßig erforderlich, Fluide aus dem Brennstoffzellenstapel abzulassen, um bspw. Flüssigwasser abzuführen oder ein Anodensubsystem mit Wasserstoff zu spülen. Dazu umfasst jeder Brennstoffzellenstapel ein Auslasssystem, das ein Spülventil und ein Auslassventil umfasst, wobei das Auslassventil und das Spülventil auch kombiniert als Auslass-/Spülventil vorliegen können.

Durch eine Aktivierung eines Auslasssystems wird Brennstoff aus einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel abgeführt, sodass neuer Brennstoff durch dessen Dosierventil eindosiert werden muss. Dies hat zur Folge, dass der Druck in einer den Brennstoffzellenstapel bzw. ein entsprechendes Teilsystem versorgenden Versorgungsleitung sinkt und der Tankdruckregler neuen Brennstoff in die Versorgungsleitung einleiten und einen in den Versorgungsleitungen anliegenden Druck ausregeln muss. Jedes Ausregeln bedeutet ein Schaltspiel für den Tankdruckregler. Mit der Anzahl an Teilsystemen eines Brennstoffzellensystems multipliziert sich die Anforderung an Schaltspielen an den Wasserstofftankdruckregler.

Um Komponenten stromabwärts im Versorgungssystem zu schützen wird der Brennstoff in Extrembereichen zwischen minimal -40 °C und maximal 120 °C eingeschränkt, idealerweise ist die Eintrittstemperatur zwischen min -20 °C und max 95 °C.

Brennstoffzellensysteme bevorzugen einen Druck der niedriger als der Tankdruck liegt, in der Regel zwischen 1 und 50 bar_a. Diese Randbedingungen stellen für die Komponente Tankdruckregler große technische Lasten über die Lebensdauer dar.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren zum Betreiben 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 Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 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 mit einer Vielzahl Teilsysteme bereitzustellen.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt. Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst ein erstes Teilsystem, wobei das erste Teilsystem ein erstes Auslasssystem umfasst, mindestens ein zweites Teilsystem, wobei das zweite Teilsystem ein zweites Auslasssystem umfasst, ein Versorgungssystem zum Versorgen des ersten Teilsystems und des zweiten Teilsystems mit Brennstoff und eine Recheneinheit.

Das Versorgungssystem umfasst einen zentralen Tankdruckregler, der dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem und das zweite Teilsystem gemeinsam mit Brennstoff aus einem Tank zu versorgen.

Das erste Teilsystem und das zweite Teilsystem sind über das Versorgungssystem hydraulisch gekoppelt, und die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, das erste Auslasssystem und das zweite Auslasssystem derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers zu minimieren.

Unter einem Auslasssystem ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein System zum Auslass von Fluiden aus einem Teilsystem zu verstehen. Insbesondere umfasst ein Auslasssystem ein Spülventil, d.h. ein sogenanntes Purge-Ventil und ein Auslassventil, d.h. ein sogenanntes Drain-Ventil. Optional kann ein Auslasssystem eine Recheneinheit zum Ansteuern bzw. Regeln des Spülventils und/oder Auslassventils umfassen. Dabei kann die Recheneinheit bspw. dazu konfiguriert sein, das Auslassventil in Abhängigkeit von durch einen Drucksensor in einer Versorgungsleitung des jeweiligen Teilsystems ermittelten Messwerten zu aktivieren.

Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät sowie jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen. Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass der Tankdruckregler des vorgestellten Brennstoffzellensystems dadurch entlastet wird, dass dieser bei mehreren Auslassvorgängen durch mehrere Teilsysteme lediglich einmal einen Druck in dem Versorgungssystem bzw. den Versorgungsleitungen zu den Teilsystemen nachregeln muss. Dazu werden die verschiedenen Auslasssysteme der Teilsysteme derart angesteuert, dass jeweilige durch die Aktivierung der Auslasssysteme erfolgte Druckabfälle in dem Versorgungssystem zeitlich synchron an dem Tankdruckregler ankommen. Dies bedeutet, dass der Tankdruckregler lediglich einen einzelnen Druckverlust erkennt und ein einzelnes Schaltspiel bzw. eine einzelne Einregelung zum Nachführen des Drucks durchführt.

Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, einen ersten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und einen zweiten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist, zu ermitteln und das erste Auslasssystem zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt und das zweite Auslasssystem zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt zu aktivieren.

Um zu erreichen, dass jeweilige durch die Aktivierung der Auslasssysteme erfolgte Druckabfälle in dem Versorgungssystem zeitlich synchron an dem Tankdruckregler ankommen, werden die verschiedenen Auslasssysteme der jeweiligen Teilsysteme durch die Recheneinheit aufeinander abgestimmt aktiviert.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, beim Ermitteln des ersten Aktivierungszeitpunkts eine erste Gaslaufzeit von dem Tankdruckregler bis zu dem ersten Auslasssystem zu berücksichtigen und beim Ermitteln des zweiten Aktivierungszeitpunkts eine zweite Gaslaufzeit von dem Tankdruckregler bis zu dem zweiten Auslasssystem zu berücksichtigen.

Je nach Konfiguration des Versorgungssystems können die verschiedenen Auslasssysteme der jeweiligen Teilsysteme zeitlich synchron aktiviert werden oder, um eine Gaslaufzeit zu berücksichtigen, zeitlich versetzt aktiviert werden. Entsprechend bestimmt die erfindungsgemäß vorgesehene Recheneinheit einen ersten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und einen zweiten Aktivierungszeitpunkt, zu dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist, in Abhängigkeit einer Konfiguration des Versorgungssystems, die bspw. als Gaslaufzeiten der jeweiligen Teilsysteme in einem Speicher der Recheneinheit hinterlegt sein kann. Dabei entspricht eine Gaslaufzeit eines jeweiligen Auslasssystems bspw. der Zeit, die vergeht, bis eine durch eine Aktivierung des Auslasssystems bedingte Druckänderung in dem Versorgungssystem an dem Tankdruckregler ankommt, d.h. durch den Tankdruckregler zu erfassen ist bzw. den Tankdruckregler zum Einleiten von Brennstoff in das Versorgungssystem zwingt. Da die Gaslaufzeiten jeweiliger Auslasssysteme bzw. jeweiliger Teilsysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems bekannt sind bzw. experimentell bestimmbar sind, können diese in einem Speicher der Recheneinheit hinterlegt sein.

Bspw. kann eine längere Gaslaufzeit bedingt durch eine längere Versorgungsleitung des zweiten Teilsystems verglichen mit dem ersten Teilsystem dadurch ausgeglichen werden, dass das zweite Auslasssystem früher aktiviert wird als das erste Teilsystem, sodass ein durch das zweite Auslasssystem bewirkter Druckverlust zeitgleich mit einem durch das erste Auslasssystem bewirkten Druckverlust an dem Tankdruckregler zur Wirkung kommt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit als erste Recheneinheit Teil des ersten Teilsystems und als Master konfiguriert ist und eine zweite Recheneinheit des zweiten Teilsystems als Slave konfiguriert ist, und die erste Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt zu aktivieren und einen Befehl zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt an die zweite Recheneinheit zu übermitteln.

Durch eine Master/Slave Anordnung kann eine Vielzahl Teilsysteme mit einer entsprechenden Vielzahl von Recheneinheiten untereinander koordiniert werden. Dabei kann die als Master konfigurierte Recheneinheit bspw. Informationen darüber, dass sich ein Teilsystem mit einer als Slave konfigurierten Recheneinheit in einem Betriebszustand befindet, in dem dessen Auslasssystem zu aktivieren ist, von der als Slave konfigurierten Recheneinheit übermittelt bekommen, sodass die als Master konfigurierte Recheneinheit sämtliche Auslasssysteme koordiniert aktivieren kann, wenn ein Auslasssystem eines jeweiligen Teilsystems betriebsbedingt aktiviert werden muss.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Recheneinheit dazu konfiguriert ist, der zweiten Recheneinheit einen Druckverlauf in einem Mitteldruckbereich des ersten Teilsystems zu übermitteln, und/oder die zweite Recheneinheit dazu konfiguriert ist der ersten Recheneinheit einen Druckverlauf in einem Mitteldruckbereich des zweiten Teilsystems zu übermitteln. Durch einen Austausch über einen Mitteldruckverlauf, d.h. durch einen Drucksensor in dem Versorgungssystem ermittelte Messwerte, zwischen jeweiligen Recheneinheiten der Teilsysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems können die Recheneinheiten die jeweiligen Auslasssysteme der Teilsysteme koordiniert aktivieren, wenn ein jeweiliger Mitteldruckverlauf sämtlicher Mitteldruckverläufe einen für eine Aktivierung eines Auslasssystems charakteristischen bzw. vorgegebenen Verlauf zeigt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das erste Auslasssystem ein erstes Spülventil und/oder ein erstes Auslassventil umfasst, und das zweite Auslasssystem ein zweites Spülventil und/oder ein zweites Auslassventil umfasst.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem und das zweite Auslasssystem dann zu aktivieren, wenn das erste Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, indem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und/oder das zweite Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, in dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist.

Durch ein Aktivieren sämtlicher Auslasssysteme des vorgestellten Brennstoffzellensystems immer dann, wenn ein jeweiliges Auslasssystem zu aktivieren ist, werden die Betriebszustände der jeweiligen Auslasssysteme einander angenähert, sodass ein mehrmaliges Aktivieren der Auslasssysteme kurz hintereinander vermieden wird. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren. Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Ansteuern des ersten Auslasssystems und des zweiten Auslasssystems derart, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler zu bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers zu minimieren.

Es kann vorgesehen sein, dass das Ansteuern des ersten Auslasssystems und des zweiten Auslasssystems dann erfolgt, wenn das erste Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, indem das erste Auslasssystem zu aktivieren ist und/oder das zweite Teilsystem sich in einem Betriebszustand befindet, in dem das zweite Auslasssystem zu aktivieren ist.

Durch ein gemeinsames Aktivieren sämtlicher Auslasssysteme des Brennstoffzellensystems, wenn eines der Teilsysteme sich in einem Betriebszustand befindet, in dem dessen Auslasssystem zu aktivieren ist, wird ein mehrmaliges Aktivieren der verschiedenen Auslasssysteme kurz hintereinander vermieden und eine Anzahl an Aktivitätszyklen des Tankdruckreglers minimiert.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Betriebsverfahren das Bestimmen eines ersten Aktivierungszeitpunkts zum Aktivieren des ersten Auslasssystems und eines zweiten Aktivierungszeitpunkts zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems umfasst.

Sobald ein erster Aktivierungszeitpunkt und ein zweiter Aktivierungszeitpunkt bestimmt sind, können diese an jeweilige Recheneinheiten des ersten Auslasssystems bzw. des zweiten Auslasssystems übermittelt werden, um die entsprechenden Ventile derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler zu bewirken.

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.

In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein erstes Teilsystem 101 und ein zweites Teilsystem 103.

Das erste Teilsystem 101 umfasst ein erstes Auslasssystem 105 mit einem ersten kombinierten Auslass-/Spülventil 107 und einer ersten Recheneinheit 109, die zum Steuern bzw. Regeln des ersten Auslasssystems 105 konfiguriert ist.

Das zweite Teilsystem 103 umfasst ein zweites Auslasssystem 111 mit einem zweiten kombinierten Auslass-/Spülventil 113 und einer zweiten Recheneinheit 115, die zum Steuern bzw. Regeln des zweiten Auslasssystems 111 konfiguriert ist.

Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein Versorgungssystem 117 zum Versorgen des ersten Teilsystems 101 und des zweiten Teilsystems 103 mit Brennstoff. Das Versorgungssystem 117 umfasst einen zentralen Tankdruckregler 119, der dazu konfiguriert ist, das erste Teilsystem 101 und das zweite Teilsystem 103 gemeinsam mit Brennstoff aus einem Tank 121 zu versorgen.

Das erste Teilsystem 101 und das zweite Teilsystem 103 sind über das Versorgungssystem hydraulisch gekoppelt.

Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Recheneinheit 123, die dazu konfiguriert ist, das erste Auslasssystem 105 und das zweite Auslasssystem 111 derart anzusteuern, dass diese zeitlich synchron eine Druckabsenkung an dem Tankdruckregler 119 bewirken, um eine Anzahl an Aktivierungszyklen des Tankdruckreglers 119 zu minimieren. Dazu ist die Recheneinheit 123 als übergeordnete Kontrolleinheit mit der ersten Recheneinheit 109 und der zweiten Recheneinheit 115 kommunikativ verbunden, sodass die Recheneinheit 123, die erste Recheneinheit 109 und die zweite Recheneinheit 115 Signale, wie bspw. Sensorwerte von einem ersten Drucksensor 125 des ersten Teilsystems 101 und/oder Sensorwerte von einem zweiten Drucksensor 127 des zweiten Teilsystems 103 und/oder Steuerungsbefehle zum Aktivieren des ersten Auslasssystems 105 bzw. des zweiten Auslasssystems 111, d.h. zum Öffnen des Auslass-/Spülventils 107 und/oder des Auslass-/Spülventils 113 austauschen.

In Figur 2 ist ein Betriebsverfahren 200 zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 gemäß Figur 1 dargestellt. Das Betriebsverfahren 200 umfasst einen Bestimmungsschritt 201, bei dem ein erster Aktivierungszeitpunkt zum Aktivieren des ersten Auslasssystems 105 und ein zweiter Aktivierungszeitpunkt zum Aktivieren des zweiten Auslasssystems 111 bestimmt wird.

Dabei wird der erste Aktivierungszeitpunkt in Abhängigkeit einer Gaslaufzeit zwischen dem Tankdruckregler 119 und dem ersten Auslass-/Spülventil 107 ermittelt. Weiterhin wird der zweite Aktivierungszeitpunkt in Abhängigkeit einer Gaslaufzeit wischen dem Tankdruckregler 119 und dem zweiten Auslass- /Spülventil 113 ermittelt.

Ferner umfasst das Betriebsverfahren 200 einen Aktivierungsschritt 203, bei dem das erste Auslasssystem 105 zu dem ersten Aktivierungszeitpunkt aktiviert wird und das zweite Auslasssystem 111 zu dem zweiten Aktivierungszeitpunkt aktiviert wird. Vorliegend sind der erste Aktivierungszeitpunkt und der zweite Aktivierungszeitpunkt aufgrund identischer Versorgungsleitungsgeometrien identisch, sodass das erste Auslasssystem 105 und das zweite Auslasssystem 111 zeitlich synchron aktiviert werden.