DE102017222008A1 - Optimiertes Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), mit einem Kathodenpfad (10) zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft (L1) und/oder einer Abluft (L2), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zum Brennstoffzellensystem (100), eine Abluftleitung (12) zum Abtransportieren der Abluft (L2) vom Brennstoffzellensystem (100) und eine Bypassleitung (13) zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) aufweist, und wobei in der Zuluftleitung (11) ein Verdichter (14) zum Ansaugen einer Frischluft (F) aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems (100) vorgesehen ist, um die Zuluft (L1) zu erhalten. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erster Luftmassenstromsensor (15) in der Zuluftleitung (11) vor dem Verdichter (14) angeordnet ist, um einen Luftmassenstrom der Frischluft (F) zu messen, und dass ein zweiter Luftmassenstromsensor (16) in der Bypassleitung (13) angeordnet ist, um einen Luftmassenstrom einer Bypassluft (L3) zu messen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches sowie ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellensysteme mit einer regelbaren Luftversorgung sind aus dem Stand der Technik, bspw. aus der WO 2013/110311 A1 , grundsätzlich bekannt. Hierzu wird zumeist ein Verdichter mit einer einstellbaren Drehzahl verwendet, der die benötigte Menge an Zuluft dem Brennstoffzellensystem bereitstellen kann. Außerdem ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Luftmassenstromsensor bzw. Luftmassenmesser zu einer Massenmessung der Zuluft einzusetzen. Die durch den Verdichter bereitgestellte Zuluft wird durch das Verdichten erwärmt und muss zumeist befeuchtet werden, bevor es dem Brennstoffzellensystem zugefügt wird. Deswegen herrschen am Ort der Messung anspruchsvolle Bedingungen für einen Luftmassenstromsensor, der empfindlich gegenüber Feuchtigkeit ist und ggf. dadurch geschädigt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem bereit, welches mit einem Kathodenpfad zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft und/oder einer Abluft ausgeführt ist, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zum Brennstoffzellensystem, eine Abluftleitung zum Abtransportieren der Abluft vom Brennstoffzellensystem und eine Bypassleitung zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung aufweist, und wobei in der Zuluftleitung ein Verdichter zum Ansaugen einer Frischluft aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, um die Zuluft zu erhalten. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erster Luftmassenstromsensor in der Zuluftleitung vor dem Verdichter angeordnet ist, um einen Luftmassenstrom der Frischluft zu messen, und dass ein zweiter Luftmassenstromsensor in der Bypassleitung angeordnet ist, um einen Luftmassenstrom einer Bypassluft zu messen.
  • Die Erfindung erkennt, dass die verdichtete und befeuchtete Zuluft, den Luftmassenstromsensor beeinträchtigen kann, sodass eine direkte Messung der Zuluftmasse durch einen Luftmassenstromsensor nach dem Durchgang des Verdichters fehlerbehaftet sein kann. Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass der Luftmassenstromsensor von dem Ort für die direkte Messung, wo anspruchsvolle Bedingungen für den Luftmassenstromsensor herrschen, entfernt wird. Ferner liegt der Erfindungsgedanke darin, dass eine indirekte Messung des Zuluftmassenstroms durchgeführt wird. Erfindungsgemäß werden zwei Luftmassenstromsensoren eingesetzt, und zwar an den Orten im System, wo trockene Verhältnisse herrschen und die Luftmassenstromsensoren zuverlässig arbeiten können. Der erste Luftmassenstromsensor wird noch vor dem Verdichter angeordnet, um den Massenstrom der Frischluft zu messen, die den Verdichter passiert. Der zweite Luftmassenstromsensor wird in der Bypassleitung eingesetzt, vorzugsweise vor einem Bypassventil, um den Massenstrom der Bypassluft zu messen. An der Stelle, wo die Bypassluft in die Abluftleitung übergeht, wurde der Abluft bereits die Feuchtigkeit entzogen. Die Stelle in der Bypassleitung stellt daher einen im Wesentlichen trockenen Ort dar, wo ein Luftmassenstromsensor schonend betrieben werden kann. Beide Luftmassenstromsensoren werden somit schonend betrieben. Außerdem können somit die möglichen Ausfallzeiten der Luftmassenstromsensoren reduziert werden.
  • Die Frischluft, die durch den Verdichter verarbeitet wird, wird um die Masse bzw. Menge an Zuluft reduziert, die zum Brennstoffzellensystem geschickt wird. In der Bypassleitung fließt die überschüssige Luft, eine sog. Bypassluft. In der Abluftleitung wird der Bypassluft die Abluft zugefügt und aus dem System abgelassen. Mit anderen Worten stellt der Unterschied zwischen der Masse der Frischluft, die durch den Verdichter verarbeitet wird, und der Masse der Bypassluft, die aus dem System abgelassen wird, die durch das Brennstoffzellensystem verbrauchte Masse des bzw. Menge an Zuluft dar. Die durch das Brennstoffzellensystem verbrauchte Menge an Zuluft stellt eine Regelgröße für den Verdichter dar, um eine bestimmte elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem abzugreifen.
  • Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den ersten Luftmassenstromsensor und/oder den zweiten Luftmassenstromsensor abzufragen und einen Luftmassenstrom der Zuluft zu bestimmen, der zum Brennstoffzellensystem geschickt wird. Hierbei kann es sich um eine spezielle Steuereinheit für das Brennstoffzellensystem oder für eine zentrale Steuereinheit eines Verbrauchers, bspw. eines Fahrzeuges, handeln, der mithilfe des Brennstoffzellensystems mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Steuereinheit ermöglicht vorteilhafterweise eine verbesserte Steuerung und/oder Regelung des Brennstoffzellensystems.
  • Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den Luftverdichter einzuregeln, um das Brennstoffzellensystem entsprechend einer erforderlichen Leistung mit einer ausreichenden Menge an Zuluft zu versorgen. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit den Verdichter derart einregeln, dass die Menge an Zuluft zum Brennstoffzellensystem gelangt, die für eine erforderliche Leistung des Brennstoffzellensystems notwendig ist. Denkbar ist zudem, dass zur berechneten Menge an Zuluft, die zum Brennstoffzellensystem geschickt wurde, ein Puffer zugerechnet wird, um eine Unterversorgung mit Sauerstoff zu vermeiden. Dadurch kann die Leistung zum Betrieb des Verdichters an die erforderliche Leistung des Brennstoffzellensystems angepasst und somit optimiert werden. Die Leistung zum Betrieb des Verdichters wird zumeist ebenfalls durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt und von der Leistung abgezogen, die für den eigentlichen Verbraucher vorgesehen ist. Durch Optimierung der erforderlichen Leistung zum Betrieb des Verdichters kann folglich die parasitäre Leistung im System reduziert werden. Außerdem kann dadurch der Verdichter geschont oder sogar kleiner ausgelegt werden.
  • Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung ein Befeuchter zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung vorgesehen sein, um ein Abwasser aus der Abluft zum Befeuchten der Zuluft zu nutzen, wobei die Bypassleitung mit dem zweiten Luftmassenstromsensor in die Stromrichtung der Zuluftleitung gesehen vor dem Befeuchter angeordnet ist. Der Befeuchter dient vorteilhafterweise zum Befeuchten einer verdichteten und dadurch erwärmten Zuluft, damit eine zu warme Zuluft die Membran im Brennstoffzellensystem nicht austrocknet. Da im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Abwasser als Reaktionsprodukt entsteht, kann zumindest ein Teil des Abwassers vorteilhafterweise durch den Befeuchter dazu benutzt werden, um die erwärmte Zuluft zu befeuchten.
  • Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems bereit, welches mit einem Kathodenpfad zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft und/oder einer Abluft ausgeführt ist, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zum Brennstoffzellensystem, eine Abluftleitung zum Abtransportieren der Abluft vom Brennstoffzellensystem und eine Bypassleitung zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung aufweist, und wobei in der Zuluftleitung ein Verdichter zum Ansaugen einer Frischluft aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, um die Zuluft zu erhalten. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Luftmassenstrom der Frischluft vor dem Verdichter in der Zuluftleitung und ein Luftmassenstrom einer Bypassluft in der Bypassleitung gemessen werden, um eine Menge an Sauerstoff zu bestimmen, die zum Brennstoffzellensystem geschickt wird, und dass der Verdichter eingeregelt wird, um das Brennstoffzellensystem entsprechend einer erforderlichen Leistung mit einer ausreichenden Menge an Zuluft zu versorgen. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben wurden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird vorliegend vollumfänglich darauf Bezug genommen.
  • Weiterhin stellt die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bereit, das wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, wobei das Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen einer Antriebsleitung des Fahrzeuges dient. Dadurch kann ein Fahrzeug bereitgestellt werden, welches über eine verbesserte Steuerung und/oder Regelung verfügt. Auch mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug können die Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben wurden, auf die vorliegend vollumfänglich Bezug genommen wird.
  • Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Fahrzeug vorsehen, dass eine, bspw. zentrale, Steuereinheit zum Steuern und/oder Regeln einer Antriebsleistung des Fahrzeuges vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den ersten Luftmassenstromsensor und/oder den zweiten Luftmassenstromsensor abzufragen und einen Luftmassenstrom der Zuluft zu bestimmen, der zum Brennstoffzellensystem geschickt wird, und wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Luftverdichter einzuregeln, um das Brennstoffzellensystem entsprechend einer erforderlichen Leistung mit einer ausreichenden Menge an Zuluft zu versorgen. Somit kann eine zentrale Steuereinheit bereitgestellt werden, die nicht nur zum Betrieb des Fahrzeuges, sondern auch zum Regeln des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt:
    • 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem an Beispiel einer Anwendung in einem erfindungsgemäßen Fahrzeug.
  • Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100, welches bspw. für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in einem Fahrzeug 101, eingesetzt werden kann. Gleichwohl ist es jedoch ebenfalls denkbar, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 für stationäre Anwendungen, bspw. als Generator, eingesetzt werden kann.
  • Im Brennstoffzellensystem 100 findet eine kalte Verbrennung von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, durch Verbinden mit Sauerstoff, insbesondere der normalen Frischluft F aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems 100, statt. Zum Bereitstellen der Reaktanten zum Brennstoffzellensystem 100 sind auf einer Anodenseite ein Anodenpfad 20 und auf einer Kathodenseite ein Kathodenpfad 10 ausgebildet. Zum Abtransportieren der Abwärme im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ist ein Thermalsystem 30 vorgesehen. Die elektrische Leistung wird über elektrische Leitungen abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetz 40 des Fahrzeuges 101 bereitgestellt.
  • Der Kathodenpfad 10 umfasst am Eingang eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen einer Zuluft L1 zum Brennstoffzellensystem 100, die aus der Frischluft F der Umgebung durch Verdichten und ggf. Befeuchten gewonnen wird. Am Ausgang weist der Kathodenpfad 10 eine Abluftleitung 12 zum Abtransportieren der Abluft L2 ggf. mit einer überschüssigen Bypassluft L3 aus einer Bypassleitung 13 auf. Die Bypassleitung 13 verbindet die Zuluftleitung 11 mit der Abluftleitung 12 und umfasst ein Bypassventil V1 zum Einstellen eines bestimmten Druckes im Kathodenpfad 10.
  • Der Kathodenpfad 10 weist am Eingang der Zuluftleitung 11 einen Luftfilter 17 auf, um die Frischluft F aus der Umgebung entsprechend den Erfordernissen des Brennstoffzellensystems 1 zu filtern. Ein Verdichter 14 bzw. ein Lader sorgt dafür, dass ausreichend Zuluft L1 zur Kathode des Brennstoffzellensystems 100 gelangt. Ein Wärmetauscher 18 sorgt dafür, dass die verdichtete Luft nach dem Durchgang des Verdichters 14 auf eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 100 abgekühlt wird. Ein Befeuchter 19, bspw. mit einer Membran, die das Wasser durchlässt aber für die Luft undurchdringlich ist, sorgt dafür, dass das Abwasser als Reaktionsprodukt aus dem Brennstoffzellensystem 100 zum Befeuchten der Zuluft L1 verwendet wird. Mithilfe von Ventilen V1, V2, die bspw. in Form von Drosselklappen ausgebildet sein können, kann ein geeigneter Druck im Kathodenpfad 10 eingestellt werden. Mithilfe eines weiteren Ventils V3 kann der Befeuchter 19 zumindest zum Teil überbrückt werden, um eine geeignete Feuchte der Zuluft L1 einzustellen. In der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 kann außerdem ein Drucksensor P1 vorgesehen sein, um die Druckverhältnisse der Zuluft L1 zu überwachen. In der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 kann weiterhin ein Temperatursensor T1 vorgesehen sein, um die Temperatur der Abluft 2 zu überwachen.
  • Der Anodenpfad 20 weist einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 21 als Speicher für den Brennstoff auf. Nach dem Brennstofftank 21 ist im Anodenpfad ein Absperrventil 22 und mindestens ein Druckminderer 23 vorgesehen, um einen geeigneten Druck im Anodenpfad 20 einzustellen. Nach dem Durchgang des Absperrventils 22 und des Druckminderers 23 kann jeweils ein Drucksensor P2, P3 angeordnet sein, um den Druck im Anodenpfad 20 zu überwachen. Ferner ist im Anodenpfad 20 eine Rezirkulationspumpe 24 vorgesehen, um unverbrauchten Brennstoff zurück zum Brennstoffzellensystem 100 zu schicken. Nach dem Durchgang der Brennstoffzellensystems 100 ist im Anodenpfad 20 ein Wasserabscheider 25 vorgesehen, der ein in den Anodenpfad 20 diffundiertes Wasser entfernen kann. Zudem kann im Anodenpfad 20 nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 ein Brennstoffsensor H1 vorgesehen sein, um den unverbrauchten Brennstoff zu sensieren. Ein weiterer Brennstoffsensor H2 kann in der Nähe des Brennstoffzellensystems 100, außerhalb des Anodenpfades 20 vorgesehen sein, um einen Austritt des Brennstoffs aus dem System 100 zu überwachen. Weiterhin ist im Anodenpfad 20 nach dem Durchgang der Brennstoffzellensystems 100 ein Purge-Ventil 26 vorgesehen, um zum Start des Betriebes des Brennstoffzellensystems 100 die Anode von Luft zu befreien und mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu füllen. Außerdem kann das Brennstoffzellensystem 100 im Normalbetrieb gepurgt werden, um die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 zu erhöhen.
  • Im Thermalsystem 30 ist ein Ventilator 31 zum Bereitstellen einer Kühlluft an einen Kühler 32, bspw. in Form eines Wärmetauschers, vorgesehen. Der Kühler 32 sorgt für einen Wärmeaustausch zwischen der durch den Ventilator 31 bereitgestellten Kühlluft und einer Kühlflüssigkeit zum Temperieren des Brennstoffzellensystems 100. Zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit ist eine Pumpe 33 vorgesehen. Zur Temperaturüberwachung beim Temperieren des Brennstoffzellensystems 100 sind im Thermalsystem 30 vor und nach dem Brennstoffzellensystem 100 jeweils ein Temperatursensor T2, T3 vorgesehen. Die Kühlflüssigkeit kann durch hohe Ströme durch das Brennstoffzellensystem 100 ionisiert werden und somit einen Teil des durch das Brennstoffzellensystem 100 bereitgestellten Stroms entziehen. Um dies zu vermeiden, kann im Thermalsystem 30 ein Elektrolyseur 34 vorgesehen sein.
  • Am Übergang zwischen dem Brennstoffzellensystem 100 und dem elektrischen Bordnetzsystem 40 kann ein Zwischenkreis 50 mit entsprechenden Zuschalt- oder Abschaltelementen, bspw. in Form von Relais, und/oder mindestens einem Stromsensor vorgesehen sein, um im Überlastfall das Brennstoffzellensystem 100 vom elektrischen Bordnetzsystem 40 des Fahrzeugs 101 zu trennen und/oder nach einem Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 die Restenergie aus dem System 100 zu verbrauchen. Nach dem Zwischenkreis 50 ist ein erster DC/DC-Stromrichter 41 vorgesehen, der zu einem zweiten DC/DC-Stromrichter 42 zu einer HV-Batterie 104 und zu einem weiteren DC/DC-Stromrichter 43 zu einer LV-Batterie 105 führt. Kurz vor einem Elektromotor 103 des Fahrzeuges 101 ist ein AC/DC-Stromrichter 42 vorgesehen. Der Elektromotor 103 setzt ein Antriebsgetriebe 102 des Fahrzeuges 101 in Gang.
  • Erfindungsgemäß ist ein erster Luftmassenstromsensor 15 in der Zuluftleitung 11 vor dem Verdichter 14 angeordnet, um einen Luftmassenstrom der Frischluft F zu messen, und dass ein zweiter Luftmassenstromsensor 16 in der Bypassleitung 13 vor Einleitung in den Ablaufttrakt bzw. die Abluftleitung 12 angeordnet ist.
  • Die Erfindung erkennt, dass die verdichtete und befeuchtete Zuluft L1, einen Luftmassenstromsensor beeinträchtigen kann, wenn eine direkte Messung der Zuluftmasse auf der Druckseite X des Verdichters 14 durchgeführt wird. Deswegen schlägt die Erfindung vor, eine indirekte Messung des Massenstroms der Zuluft L1 durchzuführen. Erfindungsgemäß wird der Massenstrom der Zuluft L1 indirekt aus einer Differenz zwischen zwei Messwerten an ungefährlichen Orten für die Luftmassenstromsensoren 15, 16 im System 100 bestimmt. Der erste Luftmassenstromsensor 15 wird dabei noch vor dem Verdichter 14 angeordnet, um den Massenstrom der Frischluft F zu messen, die durch den Verdichter 14 angesaugt wird. Der zweite Luftmassenstromsensor 16 wird in der Bypassleitung 13 eingesetzt. An der Stelle, wo die Bypassleitung 13 in die Abluftleitung 12 übergeht, wurde das Reaktionswasser aus der Abluft L2 bereits abgezogen. Die Bypassluft L3 in der Bypassleitung 13 ist daher ausreichend trocken, um einen zuverlässigen Betrieb des zweiten Luftmassenstromsensors 16 zu ermöglichen.
  • Die Frischluft F, die durch den Verdichter 14 verarbeitet wird, wird ungefähr um die Menge an Zuluft L1 reduziert, die zum Brennstoffzellensystem 100 geschickt wird. Die Überschüssige Luft strömt als Bypassluft L3 durch die Bypassleitung 13. In der Abluftleitung 12 wird die Bypassluft L3 der Abluft L2 beigemischt und aus dem System 100 abgelassen. Der Unterschied zwischen der Masse der Frischluft F, die durch den Verdichter 14 verarbeitet wird, und der Masse der Bypassluft L3, die aus dem System 100 abgelassen wird, stellt die zum Brennstoffzellensystem 100 geschickt Menge an Zuluft L1 dar, die als eine Regelgröße für den Verdichter 14 dienen kann.
  • Hierzu kann eine Steuereinheit S vorgesehen sein, die bspw. durch eine zentrale Steuereinheit S des Fahrzeuges 101 dargestellt werden kann. Die Steuereinheit S kann dazu ausgelegt sein, den ersten Luftmassenstromsensor 15 und/oder den zweiten Luftmassenstromsensor 16 abzufragen und eine Menge an Zuluft L1 zu bestimmen, die zum Brennstoffzellensystem 100 geschickt wird. Die Steuereinheit S ermöglicht somit eine verbesserte Steuerung und/oder Regelung des Brennstoffzellensystems 100.
  • Die Steuereinheit S kann zudem dazu ausgelegt sein, den Luftverdichter 14 einzuregeln, um das Brennstoffzellensystem 100 entsprechend einer erforderlichen Leistung mit einer ausreichenden Menge an Zuluft L1 zu versorgen. Mit anderen Worten kann die Steuereinheit S die Menge an Zuluft L1, die zum Brennstoffzellensystem 100 geschickt wird, als eine Stellgröße für den Verdichter 14 nutzen. Dadurch kann die Leistung zum Betrieb des Verdichters 14 optimiert werden. Da die Leistung zum Betrieb des Verdichters 14 zumeist ebenfalls durch das Brennstoffzellensystem 100 bereitgestellt wird, kann eine optimale Regelung des Verdichters 14 die parasitären Verluste im System 100 reduzieren. Außerdem kann dadurch der Verdichter 14 geschont oder sogar kleiner ausgelegt werden.
  • Die voranstehende Beschreibung der 1 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/110311 A1 [0002]

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem (100), mit einem Kathodenpfad (10) zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft (L1) und/oder einer Abluft (L2), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zum Brennstoffzellensystem (100) eine Abluftleitung (12) zum Abtransportieren der Abluft (L2) vom Brennstoffzellensystem (100) und eine Bypassleitung (13) zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12), aufweist, und wobei in der Zuluftleitung (11) ein Verdichter (14) zum Ansaugen einer Frischluft (F) aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems (100) vorgesehen ist, um die Zuluft (L1) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Luftmassenstromsensor (15) in der Zuluftleitung (11) vor dem Verdichter (14) angeordnet ist, um einen Luftmassenstrom der Frischluft (F) zu messen, und dass ein zweiter Luftmassenstromsensor (16) in der Bypassleitung (13) angeordnet ist, um einen Luftmassenstrom einer Bypassluft (L3) zu messen.
  2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (S) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den ersten Luftmassenstromsensor (15) und/oder den zweiten Luftmassenstromsensor (16) abzufragen und einen Luftmassenstrom der Zuluft (L1) zu bestimmen, der zum Brennstoffzellensystem (100) geschickt wird.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (S) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den Luftverdichter (14) einzuregeln, um das Brennstoffzellensystem (100) entsprechend einer erforderlichen Leistung mit einer ausreichenden Menge an Zuluft (L1) zu versorgen.
  4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Befeuchter (19) zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) vorgesehen ist, um ein Abwasser aus der Abluft (L2) zum Befeuchten der Zuluft (L1) zu verwenden, wobei die Bypassleitung (13) mit dem zweiten Luftmassenstromsensor (16) in die Stromrichtung der Zuluftleitung (11) gesehen vor dem Befeuchter (19) angeordnet ist.
  5. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100), mit einem Kathodenpfad (10) zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft (L1) und/oder einer Abluft (L2), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zum Brennstoffzellensystem (100) eine Abluftleitung (12) zum Abtransportieren der Abluft (L2) vom Brennstoffzellensystem (100) und eine Bypassleitung (13) zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12), aufweist, und wobei in der Zuluftleitung (11) ein Verdichter (14) zum Ansaugen einer Frischluft (F) aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems (100) vorgesehen ist, um die Zuluft (L1) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftmassenstrom der Frischluft (F) vor dem Verdichter (14) in der Zuluftleitung (11) und ein Luftmassenstrom einer Bypassluft (L3) in der Bypassleitung (13) gemessen werden, um einen Luftmassenstrom der Zuluft (L1) zu bestimmen, der zum Brennstoffzellensystem (100) geschickt wird, und dass der Verdichter (14) eingeregelt wird, um das Brennstoffzellensystem (100) entsprechend einer erforderlichen Leistung mit einer ausreichenden Menge an Zuluft (L1) zu versorgen.
  6. Fahrzeug (101) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen einer Antriebsleitung des Fahrzeuges (101) dient.
  7. Fahrzeug (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (S) zum Steuern und/oder Regeln einer Antriebsleistung des Fahrzeuges (101) vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (S) dazu ausgelegt ist, den ersten Luftmassenstromsensor (15) und/oder den zweiten Luftmassenstromsensor (16) abzufragen und einen Luftmassenstrom der Zuluft (L1) zu bestimmen, der zum Brennstoffzellensystem (100) geschickt wird, und wobei die Steuereinheit (S) dazu ausgelegt ist, den Luftverdichter (14) einzuregeln, um das Brennstoffzellensystem (100) entsprechend einer erforderlichen Leistung mit einer ausreichenden Menge an Zuluft (L1) zu versorgen.
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DE102021202884A1 (de) 2021-03-24 2022-09-29 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

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