DE102023201319A1 - Fuel cell system and operating method for a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Wandeln von Energie. Das vorgestellte Brennstoffzellensystem (100) umfasst:- einen Brennstoffzellenstapel (101),- einen Puffertank (103),- ein Wassereinspritzsystem (105),- eine Recheneinheit (107), wobei der Puffertank (103) dazu konfiguriert ist, Flüssigwasser zu speichern und dem Wassereinspritzsystem (105) bereitzustellen,wobei das Wassereinspritzsystem (105) dazu konfiguriert ist, Flüssigwasser aus dem Puffertank (103) in den Brennstoffzellenstapel (101) einzuspritzen, und wobei die Recheneinheit (107) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (100) in einem Wasserakkumulationsbetrieb derart einzustellen, dass dieses eine Menge an in den Pufferspeicher (103) eingetragenem Flüssigwasser maximiert.The invention presented relates to a fuel cell system (100) for converting energy. The presented fuel cell system (100) comprises: - a fuel cell stack (101), - a buffer tank (103), - a water injection system (105), - a computing unit (107), wherein the buffer tank (103) is configured to store liquid water and provide it to the water injection system (105), wherein the water injection system (105) is configured to inject liquid water from the buffer tank (103) into the fuel cell stack (101), and wherein the computing unit (107) is configured to set the fuel cell system (100) in a water accumulation mode such that it maximizes an amount of liquid water introduced into the buffer tank (103).
Description
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.The presented invention relates to a fuel cell system and an operating method for a fuel cell system according to the appended claims.
Stand der TechnikState of the art
Zum Einstellen eines Wasserhaushalts, d. h., einem Maß an Flüssigwasser bzw. Wasserdampf in einem Brennstoffzellensystem sind verschiedene Verfahren und Systeme, wie bspw. externe Befeuchter oder Wassereinspritzsysteme bekannt.Various methods and systems, such as external humidifiers or water injection systems, are known for adjusting a water balance, i.e. a level of liquid water or water vapor in a fuel cell system.
Bei Brennstoffzellensystemen mit Wassereinspritzung wird Flüssigwasser stromaufwärts einer Kathode bzw. eines Kathodensubsystems eingespritzt und verdampft. Dabei wird eine Temperaturerhöhung von durch einen Verdichter des Brennstoffzellensystems verdichteter Luft genutzt, um eine entsprechende Verdampfungsenthalpie aufzubringen. Im Umkehrschluss sinkt durch die Wassereinspritzung eine Wärmeleistung, die durch ein Kühlsystem abgeführt werden muss.In fuel cell systems with water injection, liquid water is injected upstream of a cathode or a cathode subsystem and evaporated. An increase in the temperature of air compressed by a compressor in the fuel cell system is used to generate a corresponding evaporation enthalpy. Conversely, the water injection reduces the heat output, which must be dissipated by a cooling system.
Für eine Wasserseinspritzung muss daher Wasser in flüssigem Zustand vorliegen und wird bspw. am Kathoden- und/oder Anodenaustritt in einen Pufferspeicher abgeführt.For water injection, water must therefore be present in a liquid state and is discharged into a buffer tank, for example at the cathode and/or anode outlet.
Die Wasserbilanz eines Brennstoffzellensystems ist im Betrieb häufig nicht ausgeglichen, weil zeitweise kein flüssiges Wasser aus dem Kathoden- und Anodenpfad abgeschieden wird oder weil die abgeschiedene Wassermenge kleiner ist als die eingespritzte Wassermenge. Entsprechend kann es zu Situationen kommen, in denen für einen vorgegebenen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems nicht ausreichend Flüssigwasser vorhanden ist, sodass das Brennstoffzellensystem ggf. Schaden nimmt oder der vorgegebene Betriebspunkt nicht eingestellt werden kann.The water balance of a fuel cell system is often not balanced during operation because no liquid water is separated from the cathode and anode path at times or because the amount of water separated is smaller than the amount of water injected. Accordingly, situations can arise in which there is not enough liquid water for a given operating point of the fuel cell system, so that the fuel cell system may be damaged or the given operating point cannot be set.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.Within the scope of the invention presented, a fuel cell system and an operating method for operating the fuel cell system are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the operating method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always made to each other.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das ohne Limitierungen durch einen Mangel an Flüssigwasser eingestellt werden kann.The invention presented serves in particular to provide a robust fuel cell system that can be adjusted without limitations due to a lack of liquid water.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt.Thus, according to a first aspect of the invention presented, a fuel cell system for converting energy is presented.
Das vorgestellten Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Puffertank, ein Wassereinspritzsystem und eine Recheneinheit.The presented fuel cell system includes a fuel cell stack, a buffer tank, a water injection system and a computing unit.
Der Puffertank ist dazu konfiguriert ist, Flüssigwasser zu speichern und dem Wassereinspritzsystem bereitzustellen.The buffer tank is configured to store liquid water and supply it to the water injection system.
Das Wassereinspritzsystem ist dazu konfiguriert, Flüssigwasser aus dem Puffertank in den Brennstoffzellenstapel einzuspritzen und die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem in einem Wasserakkumulationsbetrieb derart einzustellen, dass dieses eine Menge an in den Pufferspeicher eingetragenes Flüssigwasser maximiert.The water injection system is configured to inject liquid water from the buffer tank into the fuel cell stack, and the computing unit is configured to adjust the fuel cell system in a water accumulation mode to maximize an amount of liquid water introduced into the buffer tank.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass ein Wasserakkumulationsbetrieb in einem Brennstoffzellensystem eingestellt bzw. aktiviert wird, um einen den Pufferspeicher des Brennstoffzellensystems mit Flüssigwasser zu füllen. Entsprechend wird die Toleranz eines Brennstoffzellenstapels hinsichtlich verschiedener Betriebsfeuchten derart ausgenutzt, dass in einem Betriebspunkt, bei dem Flüssigwasser ausgetragen werden kann, ein Puffer an Flüssigwasser bereitgestellt wird, der in Betriebspunkten, an denen mehr Flüssigwasser benötigt wird als ausgetragen werden kann, zum Einspritzen in den Brennstoffzellenstapel verwendet werden kann.The invention presented is based on the principle that a water accumulation operation is set or activated in a fuel cell system in order to fill the buffer storage of the fuel cell system with liquid water. Accordingly, the tolerance of a fuel cell stack with regard to different operating humidities is exploited in such a way that, at an operating point at which liquid water can be discharged, a buffer of liquid water is provided which can be used for injection into the fuel cell stack at operating points at which more liquid water is required than can be discharged.
In dem Wasserakkumulationsbetrieb wird ein Wassermanagement, d. h., ein System zum Steuern bzw. Regeln eines Wasserhaushalts des Brennstoffzellensystems auf feuchtere Zielaustrittsbedingungen eingestellt, wenn bspw. eine Menge an Flüssigwasser in dem Pufferspeicher des Brennstoffzellensystems unter einem vorgegebenen Pufferschwellenwert liegt.In the water accumulation mode, a water management system, i.e. a system for controlling or regulating a water balance of the fuel cell system, is set to wetter target outlet conditions if, for example, an amount of liquid water in the buffer storage of the fuel cell system is below a predetermined buffer threshold value.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Wasserakkumulationsbetrieb eine erhöhte bzw. ständige Verfügbarkeit einer Wassereinspritzung im Betrieb des Brennstoffzellensystems, sodass dessen Wirkungsgrad und Standzeit maximiert werden.The water accumulation operation provided according to the invention provides an increased or constant availability of water injection during operation of the fuel cell system, so that its efficiency and service life are maximized.
Alternativ oder zusätzlich kann der Pufferspeicher des Brennstoffzellensystems kleiner ausgeführt werden als es in einem Brennstoffzellensystem ohne Wasserakkumulationsbetrieb vorgesehen ist, um bspw. Bauraum oder Gewicht zu sparen.Alternatively or additionally, the buffer storage of the fuel cell system can be made smaller than in a fuel cell system without water accumulation operation, for example to save installation space or weight.
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Austrittstemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Betriebsmedien auf einen vorgegebenen Temperaturwert zu senken, einen Druck von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Betriebsmedien auf einen vorgegebenen Druckwert zu erhöhen, eine Durchflussmenge von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Betriebsmedien zu erhöhen, eine Gaszusammensetzung von durch Brennstoffzellenstapels strömenden Betriebsmedien anzupassen, eine Abgasrückführungsrate zu reduzieren, eine Purgerate zu erhöhen und/oder eine durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellte Menge an elektrischem Strom zu erhöhen, um die Menge an in den Pufferspeicher eingetragenem Flüssigwasser zu maximieren.It can be provided that the computing unit is configured to reduce an outlet temperature of operating media flowing through the fuel cell stack to a predetermined temperature value, to increase a pressure of operating media flowing through the fuel cell stack to a predetermined pressure value, to increase a flow rate of operating media flowing through the fuel cell stack, to adjust a gas composition of operating media flowing through the fuel cell stack, to reduce an exhaust gas recirculation rate, to increase a purge rate and/or to increase an amount of electrical current provided by the fuel cell system in order to maximize the amount of liquid water introduced into the buffer storage.
Ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellensystems bzw. ein Eintrag von Flüssigwasser in den Pufferspeicher des Brennstoffzellensystems kann eingestellt werden, indem eine Funktion eines Kühlsystems zum Kühlen des Brennstoffzellensystems eingestellt wird, d. h., insbesondere eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels abgesenkt wird, sodass in dem Brennstoffzellenstapel strömende Betriebsmedien, wie bspw. Luft und/oder Wasserstoff weniger Wasser speichern können und Flüssigwasser aus den Betriebsmedien auskondensiert.A discharge of liquid water from the fuel cell stack of the fuel cell system presented or an entry of liquid water into the buffer storage of the fuel cell system can be adjusted by adjusting a function of a cooling system for cooling the fuel cell system, i.e., in particular, a temperature of the fuel cell stack is lowered so that operating media flowing in the fuel cell stack, such as air and/or hydrogen, can store less water and liquid water condenses out of the operating media.
Ferner kann ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel eingestellt werden, indem eine Funktion eines Luftversorgungssystems bzw. eines Gebläses und/oder eine Funktion eines Wasserstoffdosiersystems eingestellt wird. Durch eine höhere Aktivität des Gebläses wird mehr Luft in den Brennstoffzellenstapel geleitet, sodass mehr Kondensat anfällt.Furthermore, the discharge of liquid water from the fuel cell stack can be adjusted by adjusting a function of an air supply system or a blower and/or a function of a hydrogen dosing system. A higher activity of the blower leads to more air being fed into the fuel cell stack, so that more condensate is produced.
Ferner kann ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel eingestellt werden, indem eine Durchflussrate bzw. eine Stöchiometrie von durch den Brennstoffzellenstapel geleitete Betriebsmedien angepasst wird. Durch eine niedrigere Abgasrückführungsrate mehr weniger trockenes Abgas in den Brennstoffzellenstapel eingetragen, sodass mehr Kondensat entsteht.Furthermore, the discharge of liquid water from the fuel cell stack can be adjusted by adjusting the flow rate or stoichiometry of the operating media passed through the fuel cell stack. A lower exhaust gas recirculation rate means that less dry exhaust gas is introduced into the fuel cell stack, so that more condensate is produced.
Ferner kann ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel eingestellt werden, indem eine Purgerate, d. h., eine Aktivität eines Purgeventils des Brennstoffzellensystems erhöht wird, sodass mehr Kondensat durch eine Gleichgewichtverschiebung ausgetragen wird. Das Einstellen einer Purgerate eignet sich insbesondere für einen Einsatz bei Brennstoffzellensystemen, die lediglich einen durch ein Anodensubsystem versorgten Wasserabscheider umfassen.Furthermore, the discharge of liquid water from the fuel cell stack can be adjusted by increasing a purge rate, i.e. an activity of a purge valve of the fuel cell system, so that more condensate is discharged by a shift in equilibrium. Adjusting a purge rate is particularly suitable for use in fuel cell systems that only include a water separator supplied by an anode subsystem.
Ferner kann ein Austrag von Flüssigwasser aus dem Brennstoffzellenstapel eingestellt werden, indem eine erzeugte Leistung, d. h., eine Menge an bereitgestelltem elektrischem Strom eingestellt wird. Da eine Erhöhung einer Menge an bereitgestelltem elektrischem Strom zu einem erhöhten Durchsatz von Luft und Wasserstoff führt, resultiert aus einer Erhöhung einer Menge an bereitgestelltem elektrischem Strom auch ein erhöhter Austrag von Flüssigwasser. Dabei kann der bereitgestellte elektrische Strom bspw. in einem elektrischen Speicher zwischengespeichert werden, um eine Kraftstoffeffizienz eines entsprechenden Fahrzeugs zu maximieren.Furthermore, a discharge of liquid water from the fuel cell stack can be adjusted by adjusting a generated power, i.e. an amount of electrical current provided. Since an increase in an amount of electrical current provided leads to an increased throughput of air and hydrogen, an increase in an amount of electrical current provided also results in an increased discharge of liquid water. The electrical current provided can, for example, be temporarily stored in an electrical storage device in order to maximize the fuel efficiency of a corresponding vehicle.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenstapel ein Anodensubsystem und ein Kathodensubsystem umfasst, und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, Betriebsparameter des Anodensubsystems und/oder des Kathodensubsystems derart einzustellen, dass die Menge an in den Pufferspeicher eingetragenes Flüssigwasser sich maximiert.It can further be provided that the fuel cell stack comprises an anode subsystem and a cathode subsystem, and the computing unit is configured to adjust operating parameters of the anode subsystem and/or the cathode subsystem such that the amount of liquid water introduced into the buffer storage is maximized.
Betriebsparameter des Kathodensubsystems, wie bspw. ein durch ein Gebläse des Brennstoffzellensystems bereitgestellter Luftstrom und/oder ein Rezirkulationsluftstrom, können verwendet werden, um eine Menge aus Kondensat in dem Kathodensubsystem zu erhöhen bzw. einzustellen.Operating parameters of the cathode subsystem, such as airflow provided by a fan of the fuel cell system and/or recirculation airflow, may be used to increase or adjust an amount of condensate in the cathode subsystem.
Betriebsparameter des Anodensubsystems, wie bspw. ein durch ein Wasserstoffdosierventil des Brennstoffzellensystems bereitgestellter Wasserstoffstrom und/oder ein Rezirkulationwasserstoffstrom, können verwendet werden, um eine Menge aus Kondensat in dem Anodensubsystem zu erhöhen bzw. einzustellen.Operating parameters of the anode subsystem, such as a hydrogen flow provided by a hydrogen metering valve of the fuel cell system and/or a recirculation hydrogen flow, may be used to increase or adjust an amount of condensate in the anode subsystem.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Wassereinspritzsystem derart anzusteuern, dass dieses Flüssigwasser aus dem Pufferspeicher in das Anodensubsystem und/oder das Kathodensubsystem einspritzt.It can further be provided that the computing unit is configured to control the water injection system in such a way that it injects liquid water from the buffer storage into the anode subsystem and/or the cathode subsystem.
Eine Einspritzung von Flüssigwasser aus dem Pufferspeicher kann in ein Anodensubsystem und/oder in ein Kathodensubsystem erfolgen, um einen Flüssigwassergehalt in einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel einzustellen. Liquid water from the buffer storage can be injected into an anode subsystem and/or into a cathode subsystem to adjust a liquid water content in a respective fuel cell stack.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem lediglich dann in dem Wasserakkumulationsbetrieb zu betreiben, wenn ein Flüssigwassergehalt in dem Pufferspeicher unter einem vorgegebenen Flüssigwasserwert liegt.It can further be provided that the computing unit is configured to operate the fuel cell system in the water accumulation mode only when a liquid water content in the buffer tank is below a specified liquid water value.
Um das Brennstoffzellensystem so lange wie möglich mit energetisch optimalen und/oder leistungstechnisch optimalen Einstellung zu betreiben bzw. ein Fluten des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden, kann der Wasserakkumulationsbetrieb an einen Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel und/oder dem Pufferspeicher gekoppelt werden, sodass der Wasserakkumulationsbetrieb lediglich dann aktiviert wird, wenn Flüssigwasser benötigt wird. Dabei kann der Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel und/oder dem Pufferspeicher mittels eines Sensors erfasst oder mittels eines mathematischen Modells berechnet werden. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem lediglich dann in dem Wasserakkumulationsbetrieb zu betreiben, wenn eine Durchflussmenge eines durch ein Kühlsystem des Brennstoffzellensystem strömenden Kühlmittels unter einem Kühlmittelmaximalwert liegt und/oder eine Drehzahl eines Lüfters des Kühlsystems unter einem Lüftermaximalwert liegt.In order to operate the fuel cell system for as long as possible with the optimal energy and/or performance settings or to avoid flooding of the fuel cell stack, the water accumulation mode can be coupled to a liquid water content in the fuel cell stack and/or the buffer storage, so that the water accumulation mode is only activated when liquid water is required. The liquid water content in the fuel cell stack and/or the buffer storage can be detected by means of a sensor or calculated by means of a mathematical model. It can also be provided that the computing unit is configured to operate the fuel cell system in the water accumulation mode only when a flow rate of a coolant flowing through a cooling system of the fuel cell system is below a maximum coolant value and/or a speed of a fan of the cooling system is below a maximum fan value.
Um eine Überlastung des Kühlsystems zu vermeiden, kann die Aktivierung des Wasserakkumulationsbetriebs in Abhängigkeit eines Zustands des Kühlsystems erfolgen, der bspw. anhand einer Durchflussmenge eines durch das Kühlsystem strömenden Kühlmittels und/oder einer Prozentualen Auslastung des Kühlsystems, insbesondere ermittelt anhand einer Drehzahl eines Lüfters des Kühlsystems ermittelt wird.In order to avoid overloading the cooling system, the activation of the water accumulation mode can take place depending on a state of the cooling system, which is determined, for example, based on a flow rate of a coolant flowing through the cooling system and/or a percentage utilization of the cooling system, in particular determined based on a speed of a fan of the cooling system.
Dazu kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Kühlmittelmaximalwert und/oder den Lüftermaximalwert mittels eines vorgegebenen Zuordnungsschemas zu bestimmen, das einem jeweiligen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems einen jeweiligen Kühlmittelmaximalwert und/oder den Lüftermaximalwert zuordnet.For this purpose, it can be provided that the computing unit is configured to determine the maximum coolant value and/or the maximum fan value by means of a predetermined assignment scheme that assigns a respective maximum coolant value and/or the maximum fan value to a respective operating point of the fuel cell system.
Ein Zuordnungsschema ermöglicht eine dynamische, betriebspunktabhängige Bestimmung des Kühlmittelmaximalwerts bzw. des Lüftermaximalwerts.An allocation scheme enables a dynamic, operating point-dependent determination of the maximum coolant value or the maximum fan value.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Vielzahl Brennstoffzellenstapel umfasst und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, lediglich einen Teil der Vielzahl Brennstoffzellenstapel in dem Wasserakkumulationsbetrieb zu betreiben, um einen gemeinsamen Pufferspeicher mit Flüssigwasser zu versorgen.It can further be provided that the fuel cell system comprises a plurality of fuel cell stacks and the computing unit is configured to operate only a portion of the plurality of fuel cell stacks in the water accumulation mode in order to supply a common buffer storage with liquid water.
Durch eine Auswahl einer Anzahl Brennstoffzellenstapels aus einer Vielzahl Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des Wasserakkumulationsbetriebs können die weiteren nicht ausgewählten Brennstoffzellenstapel in einem energetisch oder leistungstechnisch optimalen Betriebszustand betrieben und dennoch mit auch die ausgewählten Brennstoffzellenstapel bereitgestelltem Flüssigwasser mit Flüssigwasser versorgt werden.By selecting a number of fuel cell stacks from a plurality of fuel cell stacks of a fuel cell system to carry out the water accumulation operation, the other non-selected fuel cell stacks can be operated in an energetically or performance-wise optimal operating state and still be supplied with liquid water using liquid water also provided for the selected fuel cell stacks.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems nach dem ersten Aspekt der Erfindung.According to a second aspect, the presented invention relates to an operating method for operating a fuel cell system, in particular a fuel cell system according to the first aspect of the invention.
Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Aktivieren eines Wasserakkumulationsbetriebs, in dem eine Menge an in einen Pufferspeicher des Brennstoffzellensystems eingetragenes Flüssigwasser maximiert wird und das Aktivieren eines Wassereinspritzsystems des Brennstoffzellensystems, um Flüssigwasser aus dem Pufferspeicher in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems einzuspritzen.The presented operating method includes activating a water accumulation operation in which an amount of liquid water introduced into a buffer storage of the fuel cell system is maximized and activating a water injection system of the fuel cell system to inject liquid water from the buffer storage into a fuel cell stack of the fuel cell system.
Es kann vorgesehen sein, dass in dem Wasserakkumulationsbetrieb eine Austrittstemperatur von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Betriebsmedien auf einen vorgegebenen Temperaturwert gesenkt wird, ein Druck von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Betriebsmedien auf einen vorgegebenen Druckwert erhöht wird, eine Durchflussmenge von durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Betriebsmedien erhöht wird, eine Gaszusammensetzung von durch Brennstoffzellenstapels strömenden Betriebsmedien abgepasst wird, eine Abgasrückführungsrate reduziert wird, eine Purgerate erhöht wird und/oder eine durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellte Menge an elektrischem Strom erhöht wird, um die Menge an in den Pufferspeicher eingetragenem Flüssigwasser zu maximieren.It can be provided that in the water accumulation mode, an outlet temperature of operating media flowing through the fuel cell stack is reduced to a predetermined temperature value, a pressure of operating media flowing through the fuel cell stack is increased to a predetermined pressure value, a flow rate of operating media flowing through the fuel cell stack is increased, a gas composition of operating media flowing through the fuel cell stack is adjusted, an exhaust gas recirculation rate is reduced, a purge rate is increased and/or an amount of electrical current provided by the fuel cell system is increased in order to maximize the amount of liquid water introduced into the buffer storage.
Ein Betriebsverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie die bereits zuvor zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind.An operating method according to the second aspect of the invention brings with it the same advantages as those already described in detail above for the fuel cell system according to the first aspect of the invention.
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.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems, -
2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebserfahrens.
-
1 a schematic representation of a possible design of the presented fuel cell system, -
2 a possible design of the presented operating experience.
In
Der Brennstoffzellenstapel 101 umfasst ein Anodensubsystem 109 und ein Kathodensubsystem 111.The
Der Puffertank 103 ist dazu konfiguriert, Flüssigwasser zu speichern und dem Wassereinspritzsystem 105 bereitzustellen. Dazu ist der Puffertank 103 über eine Anodensammelleitung 115 mit dem Anodensubsystem 109 verbunden, sodass in dem Anodensubsystem 109 erzeugtes bzw. abgeschiedenes Flüssigwasser in den Puffertank 103 strömt. Über ein Anodenwassersammelventil 117 kann ein durch die Leitung 115 strömender Wasserstrom eingestellt werden.The
Zum Einspritzen von Wasser in das Anodensubsystem 109 umfasst das Wassereinspritzsystem 105 eine Anodenleitung 119, eine Anodenwassereinspritzpumpe 121 und ein Anodenwassereinspritzventil 123, das mit dem Anodensubsystem 109 bzw. einer Zuleitung zu dem Anodensubsystem 109 verbunden ist.For injecting water into the
Alternativ oder zusätzlich ist der Puffertank 103 über eine Kathodensammelleitung 125 mit dem Brennstoffzellenstapel 109 verbunden, sodass in dem Kathodensubsystem 111 erzeugtes bzw. abgeschiedenes Flüssigwasser in den Puffertank 103 strömt. Über ein Kathodenwassersammelventil 127 kann ein durch die Kathodensammelleitung 125 strömender Wasserstrom eingestellt werden.Alternatively or additionally, the
Zum Einspritzen von Wasser in das Kathodensubsystem 111 umfasst das Wassereinspritzsystem 105 eine Kathodenleitung 129, eine Kathodenwassereinspritzpumpe 131 und ein Kathodenwassereinspritzventil 133, das mit dem Kathodensubsystem 111 bzw. einer Zuleitung zu dem Kathodensubsystem 111 verbunden ist.For injecting water into the
Die Recheneinheit 107 ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem in einem Wasserakkumulationsbetrieb derart einzustellen, dass dieses eine Menge an in den Pufferspeicher 103 eingetragenes Flüssigwasser maximiert. Dazu kann die Recheneinheit 107 bspw. ein Kühlsystem 113 zum Kühlen des Brennstoffzellensystems einstellen, sodass der Brennstoffzellenstapel 101 besonders stark, d. h., stärker als in einem Normalbetrieb vorgesehen, gekühlt wird und besonders viel Kondensat abgeschieden wird.The
In
Ferner umfasst das Betriebsverfahren 200 einen zweiten Aktivierungsschritt 203, bei dem ein Wassereinspritzsystems des Brennstoffzellensystems aktiviert wird, um Flüssigwasser aus dem Pufferspeicher in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems einzuspritzen.Furthermore, the
Optional umfasst das Betriebsverfahren 200 einem Freigabeschritt 205, bei dem überprüft wird, ob das Brennstoffzellensystem in einem Betriebsbereich arbeitet, in dem der Wasserakkumulationsbetrieb aktiviert werden soll. Dazu wird eine Anzahl Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, wie bspw. eine Feuchte in dessen Brennstoffzellenstapel und/oder ein Füllstand des Pufferspeichers mit einem vorgegebenen Freigabeschema abgeglichen. Für den Fall, dass die ermittelten Betriebsparameter in einem durch das Freigabeschema vorgegebenen Wertebereich liegen, kann eine Aktivierung des Wasserakkumulationsbetriebs in dem ersten Aktivierungsschritt 201 erfolgen.Optionally, the
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