DE10013477A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zu dessen Betriebsdynamikverbesserung - Google Patents

Abstract

Die Brennstoffzellenvorrichtung (10) weist eine eingangsseitig mit einem Reformer (16) wirkverbundene Brennstoffzelle (11) auf. Hierbei ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle (11) mit einer Betriebsstoffspeichereinheit (23), insbesondere Wasserstoffspeichereinheit, wirkverbunden ist. DOLLAR A Ferner ist ein Verfahren zur Betriebsdynamikverbesserung beim Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung (10) vorgesehen, mittels welchem bei einer Dynamikanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einer erhöhten Betriebsleistung der Brennstoffzelle (11) eine wenigstens zeitweise Reduzierung des Wasserstoffüberschusswerts in einer Anodeneinheit (13) der Brennstoffzelle (11) eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit einer eingangsseitig mit einem Reformer wirkverbundenen Brennstoffzelle, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Betriebsdynamikverbesserung beim Betreiben einer eine Brennstoffzelle und einen Reformer aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.

Beim Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung werden dynamische Änderungen des Betriebszustands insbesondere hinsichtlich der durch die Brennstoffzelle aufzubringenden Betriebsleistung angefordert. Zum Betreiben der Brennstoffzelle wird in selbige unter anderem Wasserstoff in Form eines wasserstoffreichen Gases zugeführt, welches durch einen mit der Brennstoffzelle wirkverbundenen Reformer hergestellt und bereitgestellt wird. Es wird zum Betreiben der Brennstoffzelle Wasserstoff mit "Überschuss" in selbige zugeführt. Dabei werden Wasserstoffüberschusswerte von beispielsweise Lambda (λ) gleich 1,2 zur Gewährleistung einer hinreichenden Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle eingestellt, welche unter diesem Betriebsparameter eine bestimmte Anforderung hinsichtlich der aufzubringenden Betriebsleistung zu erfüllen hat. Nachteilhafterweise ergibt sich bei einer dynamischen Anforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich einer erwünschten Steigerung der Betriebsleistung ein Engpass in Bezug auf eine hinreichende Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle wenigstens während einer Übergangszeit, beispielsweise von einigen Sekunden, unmittelbar im Anschluss an eine derartige Anforderung. Dieser zeitbegrenzte Engpass ist darauf zurückzuführen, dass der Reformer nachteilhafterweise nicht geeignet ist, Wasserstoff in einer Geschwindigkeit zu erzeugen beziehungsweise bereitzustellen, dass die Brennstoffzelle die an die Brennstoffzellenvorrichtung gestellten dynamischen Betriebsleistungsanforderungen nahezu verzögerungsfrei erfüllen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine Betriebsdynamikverbesserung ermöglichen.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Brennstoffzelle mit einer Betriebsstoffspeichereinheit, insbesondere Wasserstoffspeichereinheit, wirkverbunden ist. Durch eine mit der Brennstoffzelle wirkverbundenen Wasserstoffspeichereinheit ist es möglich, einen ansonsten auftretenden Engpass hinsichtlich der Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffreiches Gas mittels des Reformers während einer Übergangszeit unmittelbar im Anschluss an eine dynamische Betriebsleistungsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung derart auszugleichen beziehungsweise zu überbrücken, dass wenigstens während dieser Übergangszeit gegebenenfalls zusätzlich zum Reformer mittels der Wasserstoffspeichereinheit hinreichend Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, so dass die Brennstoffzelle unmittelbar nach einer dynamischen Betriebsleistungsanforderung (Leistungssteigerung) genügend Wasserstoff erhält und somit auch bei einem angeforderten Lastwechsel unter einem verbesserten Dynamikverhalten betriebsanforderungsgerecht arbeiten kann. Dabei ist dieses vorteilhafte Merkmal nicht auf Wasserstoff beschränkt, sondern kann auch auf andere, alternative beziehungsweise zusätzliche Betriebsstoffe zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung übertragen werden.

Mit Vorteil ist die Betriebsstoffspeichereinheit eingangsseitig mit dem Reformer und ausgangsseitig mit der Brennstoffzelle wirkverbunden. In dieser Weise kann die Betriebsstoffspeichereinheit zur dynamischen Beaufschlagung der Brennstoffzelle mit Betriebsstoff genutzt werden und andererseits, gegebenenfalls gleichzeitig oder auch zeitversetzt, eingangsseitig mit Wasserstoff beziehungsweise mit einem wasserstoffreichen Gas, welches mittels des Reformers erzeugt worden ist, versorgt werden. Somit kann die Betriebsstoffspeichereinheit in betriebsgünstiger Weise durch den Reformer mit Wasserstoff beziehungsweise mit einem wasserstoffreichen Gas zur Zwischenspeicherung beaufschlagt werden, während sie zusätzlich geeignet ist, in zuverlässiger Weise eine dynamische und somit betriebsanforderungsgerechte Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle zu gewährleisten.

Vorzugsweise weisen die Betriebsstoffspeichereinheit und der Reformer eine gemeinsame, zur Brennstoffzelle führende Betriebsstoffzuführleitung auf. Dies ermöglicht eine erwünschte kompakte Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung, wobei aufgrund der reduzierten Anzahl der Betriebsstoffzuführleitungen in der Brennstoffzellenvorrichtung der Herstellungs- und Montageaufwand der Brennstoffzellenvorrichtung verringert wird.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist die Betriebsstoffspeichereinheit in einer vom Reformer zur Brennstoffzelle führenden Betriebsstoffzuführeinheit integriert angeordnet. Mittels einer Integration der Betriebsstoffspeichereinheit in der Betriebsstoffzuführeinheit zwischen dem Reformer und der Brennstoffzelle wird vorteilhafterweise verhindert, dass zusätzliche separate Betriebsstoffzuführleitungsabschnitte für die Betriebsstoffspeichereinheit in der Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen werden müssen. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann somit hinsichtlich der Betriebsstoffspeichereinheit in besonders kompakter Weise ausgebildet werden.

Mit Vorteil weist die Betriebsstoffzuführeinheit wenigstens ein Durchflussventil auf und ist eine Steuereinheit mit dem Durchflussventil, dem Reformer und der Betriebsstoffspeichereinheit wirkverbunden. Mittels wenigstens eines Durchflussventils in der Betriebsstoffzuführeinheit ist eine flexible und betriebsangepasste Beaufschlagung der Brennstoffzelle beispielsweise mit Wasserstoff mittels der Betriebsstoffspeichereinheit beziehungsweise -alternativ oder zusätzlich- mittels des Reformers und/oder eine Beaufschlagung der Betriebsstoffspeichereinheit mit beispielsweise Wasserstoff mittels des Reformers möglich. Dabei kann die Beaufschlagung der Brennstoffzelle und/oder der Betriebsstoffspeichereinheit mit beispielsweise Wasserstoff in zuverlässiger und schneller Weise mittels einer Steuereinheit geregelt werden.

Vorteilhafterweise ist die Betriebsstoffspeichereinheit in einem oder mehreren Karosseriehohlräumen des Fahrzeugs angeordnet. In dieser Weise kann ein ansonsten nicht genutzter Einbauraum eines Fahrzeugs zur Speicherung beziehungsweise Zwischenspeicherung eines Betriebsstoffs, wie zum Beispiel Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas, genutzt werden, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung zusätzlich in Bezug auf die Ausgestaltung und Anordnung der Betriebsstoffspeichereinheit besonders kompakt ausgebildet sein kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - Ermitteln einer Dynamikanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung nach einer erhöhten Betriebsleistung der Brennstoffzelle;
• - Einstellen der angeforderten Betriebsleistung mittels einer Wasserstoffüberschussregelung unter Reduzierung des Wasserstoffüberschusswerts in einer Anodeneinheit der Brennstoffzelle wenigstens bis zu einem Betriebszeitpunkt, ab welchem der Reformer in ausreichendem Maße Betriebsstoff für die Brennstoffzelle bereitstellt;
• - gegebenenfalls Einstellen der angeforderten Betriebsleistung mittels der Wasserstoffüberschussregelung unter einem betriebsgünstigeren Wasserstoffüberschusswert.

Dieses Verfahren ist geeignet, bei einer auftretenden dynamischen Betriebsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung nach höherer Betriebsleistung mittels einer Reduzierung des Wasserstoffüberschusswerts eine hinreichende Beaufschlagung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff wenigstens für eine Übergangszeit zu gewährleisten, während welcher der Reformer nachteilhafterweise nicht in der Lage ist, die Brennstoffzelle mit zur Erfüllung der dynamischen Betriebsanforderung (Leistungserhöhung) notwendigen Wasserstoffmenge zu beaufschlagen. Es ist somit möglich, mittels einer geeigneten Reduzierung des Wasserstoffüberschusswerts eine kontrollierte Beschränkung der Wasserstoffzufuhr in die Brennstoffzeile vorzugsweise für eine bestimmte Übergangszeit einzuleiten, wobei die Brennstoffzelle vorteilhafterweise trotz beschränkter Wasserstoffzufuhr aufgrund des reduzierten Wasserstoffüberschusswerts in die Lage versetzt wird, die dynamische Betriebsleistungsanforderung nahezu verzögerungsfrei zu erfüllen. Nach der Übergangszeit kann ein betriebsgünstigerer Wasserstoffzuführwert beispielsweise durch Vergrößerung desselben eingestellt werden. Dabei kann dieses Verfahren als alternative beziehungsweise als zusätzliche Maßnahme zu den in Bezug auf die Brennstoffzellenvorrichtung vorerwähnten Merkmalen zur Verbesserung der Betriebsdynamik herangezogen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der reduzierte Wasserstoffüberschusswert größer oder gleich 1,0. Mit einem Wasserstoffüberschusswert (Lambda (λ)) größer oder gleich 1,0 wird verhindert, dass die Brennstoffzelle durch Betreiben mit einem zu stark reduzierten Wasserstoffüberschusswert eine nicht erwünschte und nachhaltige Beschädigung erfährt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung anhand eines Blockschaltbildes teilweise dargestellt.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine allgemein mit 10 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs (nicht dargestellt), welche eine Brennstoffzelle 11 aufweist, die mit einem Reformer 16 wirkverbunden ist. Der Reformer 16 dient dazu, eingangsseitig mittels einer als Pfeil 17 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung zugeführten Betriebsstoff, wie zum Beispiel Wasser, Kraftstoff und Luft, in ein wasserstoffreiches Gas umzuwandeln, das mittels einer Betriebsstoffzuführeinheit 38 in eine Anodeneinheit 13 der Brennstoffzelle 11 zugeführt wird. Eine Kathodeneinheit 12 der Brennstoffzelle 11 wird eingangsseitig mittels einer als Pfeil 14 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung beispielsweise mit Luft beaufschlagt. Ausgangsseitig der Brennstoffzelle 11 führen zwei als Pfeile 15, 29 dargestellte Abgasleitungen von der Kathodeneinheit 12 beziehungsweise der Anodeneinheit 13 der Brennstoffzelle 11 zu weiteren, nicht dargestellten Aggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung 10 beziehungsweise des Fahrzeugs. Der Reformer 16 ist ausgangsseitig mit einer als Pfeil 18 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung verbunden, die mit einem vorzugsweise als Pumpe ausgebildeten Fördermittel 19 in Wirkverbindung steht. Das wasserstoffreiche Gas wird vom Fördermittel 19 durch eine als Pfeil 20 dargestellte Betriebsstoffzuführleitung, durch ein sich hieran anschließendes Durchflussventil 21 und schließlich durch eine als Pfeil 22 dargestellte, weitere Betriebsstoffzuführleitung in eine Betriebsstoffspeichereinheiteinheit 23 geleitet, welche als Wasserstoffspeichereinheit ausgebildet ist. Von der Wasserstoffspeichereinheit 23 führt eine als Pfeil 24 dargestellte Betriebsstoffzuführleitung zu einem zweiten Durchflussventil 25, welches mittels einer als Pfeil 26 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung mit einem vorzugsweise als Pumpe ausgebildeten Fördermittel 27 wirkverbunden ist. Vom Fördermittel 27 führt eine als Pfeil 28 dargestellte Betriebsstoffzuführleitung in die Anodeneinheit 13 zur erwünschten Beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mit wasserstoffreichem Gas.

Die Betriebsstoffzuführeinheit 38 besteht somit aus mehreren Betriebsstoffzuführleitungen (Pfeile 18, 20, 22, 24, 26, 28), aus zwei vorzugsweise als Pumpe ausgebildeten Fördermitteln 19, 27, aus zwei Durchflussventilen 21, 25 und gemäß dieser Darstellungsform zusätzlich aus einer integrierten Wasserstoffspeichereinheit 23.

Eine Steuereinheit 30 ist mittels als Doppelpfeile 32, 36 dargestellter Steuerleitungen mit den Fördermitteln 19, 27, mittels als Doppelpfeile 33, 35 dargestellter Steuerleitungen mit den Durchflussventilen 21, 25 und mittels einer als Doppelpfeil 31 dargestellten Steuerleitung mit dem Reformer 16 wirkverbunden. Ferner ist die Steuereinheit 30 mittels einer als Pfeil 34 dargestellten Datenübertragungsleitung mit der Wasserstoffspeichereinheit 23 sowie einer mittels als Doppelpfeil 37 dargestellten Steuerleitung beziehungsweise Datenübertragungsleitung mit wenigstens einem weiteren, nicht dargestellten Aggregat der Brennstoffzellenvorrichtung 10 beziehungsweise des Fahrzeugs wirkverbunden. Dabei dient die als Doppelpfeil 37 dargestellte Steuerleitung beziehungsweise Datenübertragungsleitung zur Ermittlung einer an die Brennstoffzellenvorrichtung 10 gerichteten dynamischen Betriebsanforderung insbesondere hinsichtlich einer erwünschten Erhöhung der Betriebsleistung mittels der Brennstoffzelle 11.

Eine derartig ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist geeignet, bei einer durch die Steuereinheit 30 ermittelten dynamischen Betriebsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung 10 zur Erhöhung der Betriebsleistung mittels der Brennstoffzelle 11 nahezu verzögerungsfrei durch die Wasserstoffspeichereinheit 23 eine hinreichende Beaufschlagung der Anodeneinheit 13 der Brennstoffzelle 11 mit Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffreichem Gas zur Erfüllung der dynamischen Leistungsanforderung zu gewährleisten. Das in der Wasserstoffspeichereinheit 23 zwischenzuspeichernde, wasserstoffreiche Gas wird dabei in Bezug auf den Zeitpunkt einer Beaufschlagung der Anodeneinheit 13 mit Wasserstoff zeitversetzt und/oder gleichzeitig mittels des Reformers 16 erzeugt und bereitstellt. Aufgrund der Steuerung der Durchflussventile 21, 25 und der Fördermittel 19, 27 mittels der Steuereinheit 30 ist eine besonders flexible Beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 und/oder der Wasserstoffspeichereinheit 13 mit wasserstoffreichem Gas möglich. Die als Pfeil 34 dargestellte Datenübertragungsleitung übermittelt insbesondere Informationen hinsichtlich des Speicherdrucks in der Wasserstoffspeichereinheit 23, und somit der zwischengespeicherten Menge an wasserstoffreichem Gas an die Steuereinheit 30, welche in Abhängigkeit dieser Betriebsdaten eine entsprechende Betriebseinstellung beziehungsweise Aktivierung des Durchflussventils 21, des Fördermittels 19 und des Reformers 16 einleitet.

Ferner ist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 gemäß der Figur geeignet, eine in Bezug auf die Beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mit Wasserstoff mittels der Wasserstoffspeichereinheit 23 alternative oder zusätzliche Reduzierung eines Wasserstoffüberschusswerts, welcher auch als Lambda (λ) bezeichnet wird, in der Anodeneinheit 13 mittels der Steuereinheit 30 zu verursachen. Die Brennstoffzelle 11 ist vorteilhafterweise mittels Einstellung eines reduzierten Wasserstoffüberschusswerts geeignet, eine dynamische Betriebsanforderung hinsichtlich einer erwünschten Leistungssteigerung nahezu verzögerungsfrei zu erfüllen.

Sowohl die Bereitstellung der Wasserstoffeinheit 23 in der Betriebsstoffzuführeinheit 38 als auch die Reduzierung des Wasserstoffüberschusswerts (Lambda (λ)) in der Anodeneinheit 13 gewährleisten in alternativer oder sich ergänzender Form eine effektive Betriebsdynamikverbesserung während des Betreibens der Brennstoffzellenvorrichtung 10.

Claims (8)

1. Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit einer eingangsseitig mit einem Reformer wirkverbundenen Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (11) mit einer Betriebsstoffspeichereinheiteinheit (23), insbesondere Wasserstoffspeichereinheit, wirkverbunden ist.

2. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstoffspeichereinheiteinheit (23) eingangsseitig mit dem Reformer (16) und ausgangsseitig mit der Brennstoffzelle (11) wirkverbunden ist.

3. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstoffspeichereinheiteinheit (23) und der Reformer (16) eine gemeinsame, zur Brennstoffzelle (11) führende Betriebsstoffzuführleitung (24, 26, 28) aufweisen.

4. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstoffspeichereinheiteinheit (23) in einer vom Reformer (16) zur Brennstoffzelle (11) führenden Betriebsstoffzuführeinheit (38) integriert angeordnet ist.

5. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstoffzuführeinheit (38) wenigstens ein Durchflussventil (21, 25) aufweist und eine Steuereinheit (30) mit dem Durchflussventil (21, 25), dem Reformer (16) und der Betriebsstoffspeichereinheiteinheit (23) wirkverbunden ist.

6. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstoffspeichereinheiteinheit (23) in einem oder mehreren Karosseriehohlräumen des Fahrzeugs angeordnet ist.

7. Verfahren zur Betriebsdynamikverbesserung beim Betreiben einer eine Brennstoffzelle und einen Reformer aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - Ermitteln einer Dynamikanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach einer erhöhten Betriebsleistung der Brennstoffzelle (11);
• - Einstellen der angeforderten Betriebsleistung mittels einer Wasserstoffüberschussregelung unter Reduzierung des Wasserstoffüberschusswerts in einer Anodeneinheit (13) der Brennstoffzelle (11) wenigstens bis zu einem Betriebszeitpunkt, ab welchem der Reformer (16) in ausreichendem Maße Betriebsstoff für die Brennstoffzelle (11) bereitstellt;
• - gegebenenfalls Einstellen der angeforderten Betriebsleistung mittels der Wasserstoffüberschussregelung unter einem betriebsgünstigeren Wasserstoffüberschusswert.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der reduzierte Wasserstoffüberschusswert größer oder gleich 1,0 ist.