DE102004037097A1

DE102004037097A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102004037097A1
Application number: DE102004037097A
Authority: DE
Inventors: Michael Kurrle; Matthias Lederbogen; Gerald Post; Volker Schempp
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-03-23
Also published as: EP1779454A1; WO2006012976A1; JP2008508666A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei in einer Startphase zur Vermeidung einer Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzellensystems dosiert wird als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre. Eine Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff kann vermieden und eine Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt werden, wenn beim Starten die Menge von Brennstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff dosiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass bei Brennstoffzellensystemen mit einem Gaserzeugungssystem oder mit einer Wasserstoffspeichereinrichtung (z.B. Druckspeichertank) in der Startphase, also bevor das gesamte System seine Betriebstemperatur erreicht hat, spezielle Betriebsbedingungen gelten. So wird beispielsweise in der Startphase sehr häufig bei einem weitaus geringeren Systemdruck gearbeitet als im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems. Um den Druckaufbau, der dadurch erforderlich ist, zu gewährleisten, muss häufig in Kauf genommen werden, dass die Brennstoffzelle zumindest zwischenzeitlich nicht mit einer ausreichenden Menge an Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas zum Erzeugen der geforderten Leistung der Brennstoffzelle versorgt wird. Die fehlende elektrische Leistung kann dann beispielsweise aus einem Zwischenspeicher, etwa einer Batterie oder dergleichen, zugeführt werden. In einem Fahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, kann dazu beispielsweise eine Zusatzbatterie mitgeführt werden.

Aus der Offenlegungsschrift DE 101 40 602 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems verbessert und damit eine Dauer der Unterversorgung der Brennstoffzelle verkürzt wird, indem der Druckaufbau in dem Brennstoffzellensystem möglichst schnell und einfach realisiert wird. Es wird nach Abschluss einer Kaltstartphase eine größere Menge von Brennstoff in das Systemvolumen des Brennstoffzellensystems dosiert, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, mit dem weniger Brennstoff zur Vermeidung einer Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eingesetzt werden muss und eine Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Starten eines Brennstoffzellensystems eine Menge von Brennstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff dosiert. Wenn in der Startphase zur Vermeidung einer Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzellensystems dosiert wird, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen einer aktuell geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre, kann die tatsächlich zugeführte Menge des Brennstoffs um den aktuellen, in der Brennstoffzelle gespeicherten Gehalt vermindert werden. Als Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas eingesetzt. Weiterhin kann die Startphase des Brennstoffzellensystems bei einem Neustart verkürzt werden. Bei einem Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem üblicherweise bei beginnender Stromentnahme das Brennstoffzellensystem eingeschaltet wird und das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, wenn kein Strom entnommen wird, kann mittels des erfindungsgemäßen Ver fahrens eine vorteilhafte Betriebsstrategie mit einem Start-Stopp-Betrieb realisiert werden. Da demnach beim Starten oder Wiederstarten des Brennstoffzellensystems weniger unverbrauchter Brennstoff abgegeben wird, wird in der Betriebsphase, z.B. mit einem Start-Stopp-Betrieb, der Brennstoffverbrauch insgesamt vorteilhaft vermindert und eine Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs bei sonst gleichen Leistungsdaten verbessert.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Wird der Gehalt an gespeichertem Brennstoff durch eine Bestimmung einer elektrischen Spannung an der Brennstoffzelle bestimmt, kann eine genaue und einfache Abschätzung der verfügbaren und der benötigten Menge an Brennstoff erfolgen. Vorzugsweise wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff verwendet. Da die Brennstoffzelle während ihres Betriebs sich kapazitiv mit Wasserstoff belädt und sich dessen Menge nach Abschalten der Brennstoffzelle langsam verringert, weist die Brennstoffzelle nach dem Abschalten eine elektrische Restspannung auf, die mit der Zeit proportional zum Gehalt des gespeicherten Wasserstoffs abnimmt.

Vorzugsweise wird beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene Zeitspanne abhängig vom Gehalt an gespeichertem Brennstoff weniger Brennstoff zudosiert. Es wird weniger Brennstoff unnütz in die Umgebung abgegeben. Wird ein Überschuss an Brennstoff zugegeben, kann unter Berücksichtigung des in der Brennstoffzelle gespeicherten Gehalts die Inbetriebnahme in kürzerer Zeit erfolgen. Die Startphase kann daher vorteilhaft verkürzt werden.

Weist das Brennstoffzellensystem eine Anodengas-Rezirkulation auf (Anoden-Loop), so kann die zudosierte Menge an Brennstoff rezirkuliertes Anodengas aus dem Anoden-Loop sein. Die Dosierung kann dabei entweder aktiv oder passiv erfolgen. Erfolgt sie aktiv, so kann z.B. eine Pumpe eingesetzt werden, wobei die Pumpe bei hoher Restspannung mit entsprechend reduzierter Pumpleistung betrieben wird und bei geringer Restspannung mit entsprechend erhöhter Pumpleistung. Dies trägt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems bei.

Zweckmäßigerweise erfolgt eine Zudosierung abhängig von einer Kühlwassertemperatur der Brennstoffzelle.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein zeitlicher Verlauf der Brennstoffzellen-Restspannung nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems beobachtet, wobei beim Einschalten oder Wiedereinschalten des Brennstoffzellensystems eine Dosierung von Brennstoff abhängig von dem zeitlichen Verlauf der Brennstoffzellen-Restspannung erfolgt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigt die Figur schematisch einen Verlauf einer Brennstoffzellen-Restspannung bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem über der Zeit in Zusammenhang mit einer Menge an zuzudosierendem überschüssigem Brennstoff beim Wiederstarten des Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingesetzt. Das Brennstoffzellensystem kann einen Antrieb des Fahrzeugs mit Antriebsleistung versorgen, oder das Brennstoffzellensystem kann zusätzlich oder alternativ als eine Hilfsenergiequelle zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern unabhängig von einem Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, die aus einer Mehrzahl von Einzelzellen zusammengesetzt ist, die elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet sind, um eine ausreichende elektrische Leistung abgeben zu können.
Wie aus der Figur ersichtlich, wird zu einem Zeitpunkt t₀ das Brennstoffzellensystem abgeschaltet, weil keine Stromanforderung vorliegt, d.h. die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Reduktionsmittel und Sauerstoff als Oxidationsmittel wird unterbrochen. Ausgehend von einer Betriebsspannung U_b fällt die elektrische Spannung U der Brennstoffzelle daraufhin mit der Zeit t ab. Der Verlauf der elektrischen Spannung U der Brennstoffzelle nach dem Abschalten entspricht einer zeitabhängigen Brennstoffzellen-Restspannung, die durch in der Brennstoffzelle im Betrieb eingelagerten Wasserstoff entsteht, wobei sich die Brennstoffzelle im Betrieb mit Wasserstoff auflädt. Wird die Brennstoffzelle abgeschaltet, gibt die Brennstoffzelle diesen Wasserstoff wieder frei, und die Brennstoffzellen-Restspannung sinkt mit der Zeit gegen Null ab. Wird jedoch zu einem Zeitpunkt, zu dem die Brennstoffzellen-Restspannung noch nicht ganz abgeklungen ist, das Brennstoffzellensystem wieder eingeschaltet, weil beispielsweise eine Leistungsanforderung des Fahrers des Brennstoffzellenfahrzeugs anliegt, kann auf den in der Brennstoffzelle noch vorhandenen Wasserstoff zurückgegriffen werden. Wird beim Starten des Brennstoffzellensystems dessen Brennstoffzellen-Anodenseite mit Wasserstoff gespült, um eine Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu vermeiden, kann eine um die in der Brennstoffzelle vorhandene Wasserstoffmenge verminderte Menge zum Spülen der Anodenseite verwendet werden. Bezogen auf die Gesamtmenge des Wasser stoffs muss also weniger Wasserstoff zugeführt werden, und dies kann in kürzerer Zeit erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems wird daher in einer Startphase beim Starten oder Wiederstarten des Brennstoffzellensystems die Menge von Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung des Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Wasserstoff dosiert.
Der Gehalt an gespeichertem Wasserstoff wird durch eine Bestimmung der elektrischen Spannung U an der Brennstoffzelle bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem bestimmt. Eine quantitative Korrelation zwischen Brennstoffzellen-Restspannung und der Menge an Wasserstoff in der Brennstoffzelle kann durch Messreihen und/oder eine Modellierung vorab bestimmt werden und steht im Betrieb beispielsweise in einem Speicher einer Steuereinheit zur Verfügung.
Im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren wird beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene Zeitspanne abhängig vom Gehalt an gespeichertem Brennstoff weniger Wasserstoff zudosiert.
Zweckmäßigerweise werden weitere Parameter in der Startphase berücksichtigt, die den Bedarf an Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, beeinflussen können, beispielsweise kann die Zudosierung abhängig von einer Kühlwassertemperatur der Brennstoffzelle erfolgen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei in einer Startphase zur Vermeidung einer Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzellensystems dosiert wird, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten die Menge von Brennstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an gespeichertem Brennstoff durch eine Bestimmung einer elektrischen Spannung an der Brennstoffzelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene Zeitspanne abhängig vom Gehalt an gespeichertem Brennstoff weniger Brennstoff zudosiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zudosierung abhängig von einer Kühlwassertemperatur der Brennstoffzelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der Brennstoffzellenspannung beobachtet und eine Dosierung von Brennstoff abhängig von dem zeitlichen Verlauf erfolgt.