AT523993B1 - Verfahren zur Kontrolle einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem (100) eines Kraftfahrzeuges mit einer Steuereinrichtung, aufweisend die folgenden Schritte: Aufzeichnen eines Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges über ein vorbestimmtes Zeitfenster; Feststellen von Lastpunkten des Kraftfahrzeuges über das vorbestimmte Zeitfenster, wobei eine Häufigkeit der Lastpunkte ermittelt wird; Wechsel in einen Feuchtigkeitsmodus in Abhängigkeit einer Häufigkeit der Lastpunkte über das vorbestimmte Zeitfenster, wobei der Wechsel von der Steuereinrichtung vorgegeben wird, wobei der Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges kontinuierlich in einem Histogramm aufgezeichnet wird, wobei auf eine Abspeicherung einzelner Werte verzichtet wird. Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem sowie die Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystem.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR KONTROLLE EINER FEUCHTIGKEIT EINES PEM-BRENNSTOFFZELLENSYSTEM EINES KRAFTFAHRZEUGES
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeuges mit einer Steuereinrichtung.
[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.
[0003] Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems.
[0004] PEM-Brennstoffzellensysteme und deren Verwendung in Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter ist es bekannt, dass in solchen Brennstoffzellensystemen die Feuchtigkeit eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle spielt. Dabei handelt es sich insbesondere darum, dass die empfindlichen Membranen zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite in einem Brennstoffzellenstapel eine definierte Feuchtigkeit nicht unterschreiten sollen. Gleichzeitig darf die Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels jedoch auch einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten, um ein unerwünscht hohes Maß an Kondenswasser im Brennstoffzellenstapel zu vermeiden.
[0005] Ist eine Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges mir dem Brennstoffzellensystem über eine längere Zeit zu niedrig, trocknen die Brennstoffzellen aus. Dies kann beispielweise bei einem Stop-and-Go-Betrieb des Fahrzeuges oder stetigem langsamen Fahren der Fall sein. Eine solche Austrocknung der Brennstoffzellen muss jedoch verhindert werden, da dies zumindest eine Lebensdauer derselben stark reduziert.
[0006] Bekannte Brennstoffzellenstapel erlauben daher die Kontrolle der Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels bzw. der einzelnen Brennstoffzellen. Hierfür sind insbesondere Sensoren bekannt, durch welche eine Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle beispielsweise über eine Widerstandsmessung gemessen wird. Bei allen bekannten Verfahren für eine Kontrolle der Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeuges ist eine eigenen Sensorik notwendig, um eine Feuchtigkeit der Brennstoffzellen zu ermitteln und darauf reagieren zu können.
[0007] Eine Weiterentwicklung für solche Verfahren zur Kontrolle einer Feuchtigkeit eines PEMBrennstoffzellensystems ist beispielsweise aus der US 2016164126 A1 bekannt.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders effizientes Verfahren für eine Kontrolle der Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeug anzugeben, wobei keine zusätzlichen Sensoren notwendig sind.
[0009] Weiter ist es ein Ziel ein PEM-Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.
[0010] Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.
[0011] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte vorgesehen sind:
- Aufzeichnen eines Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges über ein vorbestimmtes Zeitfenster;
- Feststellen von Lastpunkten des Kraftfahrzeuges über das vorbestimmte Zeitfenster, wobei eine Häufigkeit der Lastpunkte ermittelt wird;
- Wechsel in einen Feuchtigkeitsmodus in Abhängigkeit einer Häufigkeit der Lastpunkte über das vorbestimmte Zeitfenster, wobei der Wechsel von der Steuereinrichtung vorgegeben wird.
[0012] Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass keine zusätzliche Sen-
sorik im Brennstoffzellensystem notwendig ist. Das Verfahren ist also für eine Kontrolle der Feuchtigkeit in einem PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet, wobei insbesondere die Feuchtigkeit in den Membranen der einzelnen Brennstoffzellen kontrolliert und bevorzugt auf eine nicht ausreichende Feuchtigkeit reagiert wird.
[0013] Das Aufzeichnen des Fahrzyklus wird für ein bestimmtes Zeitintervall wie beispielsweise 30 Sekunden oder 2 Minuten bis 3 Minuten durchgeführt, wobei der Fahrzyklus und die Lastpunkte insbesondere kontinuierlich als Histogramm mitgeschrieben werden. Das Zeitintervall ist insbesondere von einer Häufigkeit von bestimmten Lastpunkten selbst abhängig. Die Häufigkeit bestimmter Lastpunkte wird vorteilhaft durch ein Integrieren derselben festgestellt. Hierfür wird bevorzugt vorab ein Grenzwert festgelegt: beispielsweise eine Verwendung von 30 % einer verfügbaren Maximallast. Ein Bereich zwischen 0 % und 30 % der verfügbaren Maximallast wird dann als Minimallastbereich benannt. Im Histogramm werden insbesondere alle Lastpunkte im Minimallastbereich addiert und Lastpunkte oberhalb des Minimallastpunktes (größer als 30% bis 100 % der verfügbaren Maximallast) werden subtrahiert. Dadurch wird insbesondere jene Häufigkeit bestimmt, bei der sich das Kraftfahrzeug im Minimallastbereich bewegt. Sobald diese Häufigkeit insbesondere einen vorab definierten Schwellenwert überschreitet, wird in den Feuchtigkeitsmodus gewechselt. Es wird dann in den Feuchtigkeitsmodus gewechselt und insbesondere mit einer Wiederbefeuchtung der Brennstoffzellen, insbesondere der Membranen, begonnen.
[0014] Es ist vorgesehen, dass der Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges in einem kontinuierlich in einem Histogramm aufgezeichnet wird, wobei auf eine Abspeicherung einzelner Werte verzichtet wird. Eine Abspeicherung einzelner Werte ist dabei nicht notwendig. Grundsätzlich ist es günstig und ausreichend, wenn darauf geachtet wird, dass die Häufigkeit der Lastpunkte über s unter einem festgelegten Schwellenwert bleibt, um in den Feuchtigkeitsmodus zu wechseln. Sobald in den Feuchtigkeitsmodus gewechselt wird, ist es von Vorteil, wenn die vorher aufgenommenen Werte des Histogramms zurückgesetzt werden und/oder eine Berechnung einer Häufigkeit von Neuem beginnt.
[0015] Günstig ist es, wenn dass der Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges über ein Messen eines Stroms und/oder einer Spannung der Brennstoffzelle aufgezeichnet wird. Es wird also insbesondere mitgeschrieben, wieviel Leistung vom Brennstoffzellensystem gezogen und/oder wieviel Strom und/oder Spannung vom Brennstoffzellensystem produziert wird. Daraus kann unmittelbar auf einen Lastpunkt und in weiterer Folge auf eine Feuchte der Brennstoffzellen geschlossen werden. Somit ist eine eigene Sensorik zur Messung einer Feuchte der Brennstoffzellen nicht notwendig. Zur Messung eines Stroms und/oder einer Spannung ist bevorzugt zumindest ein Strom- und oder Spannungssensor im Brennstoffzellensystem vorgesehen, welche die ermittelten Werte bevorzugt an die Steuereinrichtung weitergibt.
[0016] Vorteilhaft ist es, wenn im Feuchtigkeitsmodus Einstellwerte von Medienversorgungen des PEM-Brennstoffzellensystem verändert werden, wobei insbesondere Einstellungen eines Kompressors und/oder Klappeneinstellungen und/oder Einstellungen eines Injektors angepasst werden. Dadurch sind Zielwerte des Massenstroms, der Temperatur und/oder des Drucks im Brennstoffzellenstapel und/oder im gesamten Brennstoffzellensystem bzw. einigen Komponenten desselben veränderbar. Ausgelöst und vorgegeben werden diese Anderungen von der Steuereinrichtung. Ziel ist es dabei immer, eine Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel, insbesondere in den Membranen der einzelnen Brennstoffzellen wieder zu erhöhen. Zur insbesondere aktiven Anderung und/oder Anpassung der Temperatur ist bevorzugt ein Temperatur-Regelventil und/ oder ein Radiator im PEM-Brennstoffzellensystem angeordnet. Dadurch kann im Feuchtigkeitsmodus die Temperatur gezielt eingestellt werden. Das Temperatur-Regelventil und/oder der Radiator ist hierfür insbesondere in einer Fluidleitung angeordnet, wodurch eine Temperatur zumindest eines Fluides, insbesondere der Luft, und somit auch die Temperatur im Brennstoffzellenstapel geändert wird.
[0017] Zweckmäßig ist es, wenn in den Feuchtigkeitsmodus gewechselt wird, sobald die Häufigkeit bestimmter Lastpunkte einen vorab definierten Schwellenwert überschritten hat. Das heißt, das Kraftfahrzeug wird insbesondere über einen großen Zeitraum überwiegend im Minimallast-
bereich betrieben. Das kann beispielsweise beim langsamen Rollen, im Stau, im Stadtverkehr oder generell bei einer lang andauernden Fahrt mit 30 km/h der Fall sein. Wenn die gesamte verfügbare Systemleistung des Brennstoffzellensystem über einen langen Zeitraum nicht ausreichend genutzt wird, wird erfindungsgemäß in den Feuchtigkeitsmodus gewechselt, um ein Austrocknen der Brennstoffzellen zu vermeiden.
[0018] Günstigerweise wird der Feuchtigkeitsmodus nach einer vorbestimmten Zeitdauer beendet, wobei das Ende des Feuchtigkeitsmodus von der Steuereinrichtung vorgegeben wird. Es wird dabei angenommen, dass nach einer Zeitspanne von beispielsweise 20 s ein vorteilhafter Feuchtigkeitszustand in den Brennstoffzellen wiederhergestellt ist. Beim Starten des Feuchtigkeitsmodus wird das Histogramm bevorzugt zurückgesetzt bzw. eine Berechnung der Häufigkeit beginnt von vorne.
[0019] Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der Feuchtigkeitsmodus vor Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer beendet wird, wenn ein vorbestimmter Lastpunkt erreicht wird, wobei das Ende des Feuchtigkeitsmodus von der Steuereinrichtung vorgegeben wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich der Fahrzyklus ändert, besonders dann, wenn mit Volllast gefahren wird. Wird der vorbestimmte Lastpunkt, insbesondere im Bereich zwischen 80 % und 100 % erreicht, bevor die Zeitdauer erreicht ist, wird der Feuchtigkeitsmodus auch beendet bevor diese Zeitdauer erreicht ist. Bevorzugt wird auch nach Beendigung des Feuchtigkeitsmodus das Histogramm zurückgesetzt bzw. eine neue Aufzeichnung eines Fahrzyklus begonnen.
[0020] Von Vorteil ist es, wenn das Kraftfahrzeug vorab an einem Prüfstand kalibriert wird. Dies ist insbesondere günstig, um Erfahrungswerte zu erhalten. Durch die Erfahrungswerte werden bevorzugt in weiterer Folge das vorbestimmte Zeitfenster zum Aufzeichnen eines Fahrzyklus sowie der Schwellenwert zum Wechsel in den Feuchtigkeitsmodus festgelegt. Diese Werte sind insbesondere vom Brennstoffzellensystem selbst bzw. dessen Komponenten wie insbesondere dem zumindest einen Brennstoffzellenstapel abhängig und können folglich bei verschiedenen Kraftfahrzeugen variieren. Beim Kalibrieren am Prüfstand wird das Kraftfahrzeug in unterschiedlichen Lastbereichen mit unterschiedlichen Zeitdauern betrieben, wobei gleichzeitig eine Feuchtigkeit der Brennstoffzellen, beispielsweise mit einem Feuchtesensor, gemessen wird. Aus diesen Werten wird auf die notwendigen Werte für den Wechsel in den Feuchtigkeitsmodus geschlossen. Im Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem selbst ist dann keine Sensorik zum Messern einer Feuchtigkeit mehr notwendig.
[0021] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn das PEM-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art frei von einem Sensor zur Bestimmung einer Feuchtigkeit von Brennstoffzellen ist. Das erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem weist insbesondere weiter zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren 100 einzelnen Brennstoffzellen auf umfassend einen Kathoden- und einen Anodenabschnitt auf. Weiter ist vorteilhaft ein Anodenzuführabschnitt zum Einbringen von Anodenzuführgas (Wasserstoff) in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und ein Kathodenzuführabschnitt zum Einbringen von Kathodenzuführgas (Luft) in den Kathodenabschnitt vorgesehen. Verbrauchtes Anodenabgas wird bevorzugt über einen Anodenabführabschnitt abgeführt und läuft durch einen Wasserabscheider. Neben einer Abfuhr über ein sogenanntes Purgeventil an die Umgebung und/oder in den Kathodenabführabschnitt kann auch eine Rezirkulation des Anodenabgases über eine passive Rezirkulationsvorrichtung, beispielsweise in Form einer Ejektorvorrichtung, erfolgen. Der Wasserabscheider kann auch im Rezirkulationsabschnitt oder im Anodenzuführabschnitt stromabwärts der Ejektorvorrichtung angeordnet sein. Weiter ist vorteilhaft ein Kompresser zur Förderung von Kathodengas (Luft) vorgesehen.
[0022] Eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil in einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann dabei ein PKW sein, vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Kraftfahrzeug ein LKW, Bus oder dergleichen ist.
[0023] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:
[0024] Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0025] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im oberen Teil der Figur ist ein Fahrzyklus dargestellt. Dabei sind die Lastpunkte in Prozent einer Maximallast über eine Zeit in Sekunden aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass ein Fahrer eines Fahrzeuges etwa 30 Sekunden mit einer geringen Last, beispielsweise geringer Geschwindigkeit, fährt. Anschließend sind die Lastpunkte in einem höheren Bereich, wonach diese wieder fallen.
[0026] Im unteren Bereich der Figur sind die aufsummierten Lastpunkte in einem stilisierten Histogramm dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass alle Lastpunkte unter 30 % summiert werden und jene über 30 % subtrahiert werden. Erreicht das Histogramm bzw. die Häufigkeit der Lastpunkte unter 30 % einen vorab festgelegten Schwellenwert wird in den Feuchtigkeitsmodus gewechselt. Sobald der Feuchtigkeitsmodus startet, wird das Summieren bzw. Subtrahieren der einzelnen Lastpunkte zurückgesetzt (Reset) und neu gestartet. Der Feuchtigkeitsmodus wird gestoppt, wenn entweder eine gewisse Zeitspanne erreicht ist oder die Häufigkeit der Lastpunkte einen bestimmten, vorbestimmten Schwellenwert erreicht.
[0027] Der Schwellenwert zum Wechseln in den Feuchtigkeitsmodus wird vorab an einem Prüfstand festgelegt. Am Prüfstand werden Erfahrungswerte gesammelt, aus welchen geschlossen wird, bei welcher Häufigkeit von niedrigen Lastpunkten die Brennstoffzellen bzw. der Brennstoffzellenstapel austrocknet.
[0028] Eine Austrocknung der Brennstoffzellen, genauer gesagt der Membran, muss unbedingt vermieden werden, weshalb im Feuchtigkeitsmodus durch eine Anderung verschiedener Parameter (Temperatur, Druck, Massenstrom und dergleichen) ein Wassergehalt in den Brennstoffzellen erhöht wird. Sobald der Feuchtigkeitsmodus beendet wird, werden die Parameter von der Steuereinrichtung wieder zurückgesetzt.

Claims (9)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kontrolle einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem (100) eines Kraftfahrzeuges mit einer Steuereinrichtung, aufweisend die folgenden Schritte:
- Aufzeichnen eines Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges über ein vorbestimmtes Zeitfenster;
- Feststellen von Lastpunkten des Kraftfahrzeuges über das vorbestimmte Zeitfenster, wobei eine Häufigkeit der Lastpunkte ermittelt wird;
- Wechsel in einen Feuchtigkeitsmodus in Abhängigkeit einer Häufigkeit der Lastpunkte über das vorbestimmte Zeitfenster, wobei der Wechsel von der Steuereinrichtung vorgegeben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges kontinuierlich in einem Histogramm aufgezeichnet wird, wobei auf eine Abspeicherung einzelner Werte verzichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzyklus des Kraftfahrzeuges über ein Messen eines Stroms und/oder einer Spannung der Brennstoffzelle aufgezeichnet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Feuchtigkeitsmodus Einstellwerte von Medienversorgungen des PEM-Brennstoffzellensystem verändert werden, wobei insbesondere Einstellungen eines Kompressors und/oder Klappeneinstellungen und/oder Einstellungen eines Injektors und/oder Temperatureinstellungen angepasst werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Feuchtigkeitsmodus gewechselt wird, sobald die Häufigkeit bestimmter Lastpunkte einen vorab definierten Schwellenwert überschritten hat.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsmodus nach einer vorbestimmten Zeitdauer beendet wird, wobei das Ende des Feuchtigkeitsmodus von der Steuereinrichtung vorgegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsmodus vor Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer beendet wird, wenn ein vorbestimmter Lastpunkt erreicht wird, wobei das Ende des Feuchtigkeitsmodus von der Steuereinrichtung vorgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug vorab an einem Prüfstand kalibriert wird.
8. PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das PEM-Brennstoffzellensystem frei von einem Sensor zur Bestimmung einer Feuchtigkeit von Brennstoffzellen ist.
9. Verwendung eines PEM-Brennstoffzellensystems nach Anspruch 8 in einem Kraftfahrzeug.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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