DE102008034674B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung in einer Kaltstartphase sowie Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einer Kaltstartphase,wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (1) einen Anodenbereich (2) und einen Kathodenbereich (3) umfasst, welche durch eine Membran (4) voneinander getrennt sind, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (1) einen Anodendrucksensor (5) zur Messung des Drucks in dem Anodenbereich (2) und einen Kathodendrucksensor (6) zur Messung des Drucks in dem Kathodenbereich (3) und/oder einen Differenzdrucksensor (7) zur Messung des Differenzdrucks zwischen Anodenbereich (2) und Kathodenbereich (3) sowie einen Durchflusssensor (10) zur Messung des Massenstroms in der Zuleitung zu dem Kathodenbereich (3) umfasst,wobei während der Kaltstartphase der Druck in dem Anodenbereich (2) der Brennstoffzellenvorrichtung über den Anodendrucksensor (5) erfasst wird,wobei während der Kaltstartphase der Druck in dem Kathodenbereich (3) auf Basis des Signals des Durchflusssensors (10) unabhängig von einem Signal des Kathodendrucksensors (6) bzw. des Differenzdrucksensors (7) eingestellt wird, wobeider Druck in dem Kathodenbereich (3) durch einen Arbeitsmassenstrom eingestellt ist, welcher zwischen einem Minimalmassenstrom und einem Maximalmassenstrom liegt, wobeiwährend der Kaltstartphase der Anodendruck auf einen maximal zulässigen Anodenarbeitsdruck (Hp_Si_req) erhöht wird, wobeiin Abhängigkeit des Anodenarbeitsdrucks ein maximal zulässiger Druckabfall zwischen Zuleitung und Ableitung des Kathodenbereichs (3) bestimmt wird, und wobeiin Abhängigkeit des maximal zulässigen Druckabfalls der Maximalmassenstrom (dotn_air_SI_max) bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung in einer Kaltstartphase, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich umfasst, welche durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sind, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung einen Anodendrucksensor zur Messung des Drucks in dem Anodenbereich und einen Kathodendrucksensor zur Messung des Drucks in dem Kathodenbereich und/oder einen Differenzdrucksensor zur Messung des Differenzdrucks zwischen Anodenbereich und Kathodenbereich und einen Durchflusssensor zur Messung des Massenstroms in der Zuleitung zu dem Kathodenbereich umfasst und wobei während der Kaltstartphase der Druck in dem Anodenbereich der Brennstoffzellenvorrichtung über den Anodendrucksensor erfasst wird.
• Brennstoffzellenvorrichtungen sind Energiegeneratoren bzw. - wandler und werden in Zukunft unter anderem in Fahrzeugen eingesetzt werden, um elektrische Antriebsenergie mittels eines elektrochemischen Prozesses aus chemischer Energie zu wandeln. Bei diesem elektrochemischen Prozess wird ein Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, meist Umgebungsluft, verarbeitet, wobei aus der chemischen Energie elektrische Energie gebildet wird, die dann als eine Leistung zur Verfügung steht.
• Während es bei stationären Anwendungen von Brennstoffzellenvorrichtungen eher möglich erscheint, diese vor rauen Umgebungsbedingungen ausreichend zu schützen, besteht eine besondere Herausforderung darin, mobile Brennstoffzellenvorrichtungen, wie sie zum Beispiel in Fahrzeugen eingebaut werden, ausreichend vor widrigen Umgebungsbedingungen zu schützen und stets einsatzbereit zu halten.
• Die Druckschrift DE 10 2006 037 798 A1 betrifft ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Drucksensors in einem Brennstoffzellensystem. In dieser Druckschrift wird auf die Problematik hingewiesen, dass zum Beispiel durch Kondensation während des Betriebs des Brennstoffzellensystems sich Wasser in Leitungen bzw. in Drucksensoren sammeln kann. Bei Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems in einer kalten Umgebung, beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug im Winter, kann dieses Wasser gefrieren und den Drucksensor vom zu überwachenden Betriebsdruck entkoppeln. In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, die Funktionsfähigkeit der Drucksensoren dadurch zu überprüfen, dass der Druck an einer vorgegebenen Position gezielt variiert wird und das während der Variation erzeugte Messsignal mit einem Vorgabewert verglichen wird und das Vergleichsergebnis zur Bewertung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors ausgewertet wird.
• Aus der DE 10 2006 029 743 A1 ist ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Gases bekannt. Darin erfolgt eine Druckregelung, indem eine Durchflussmenge von Gas zur Beeinflussung des Drucks variiert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie eine Ausbildung dieser Brennstoffzellenvorrichtung vorzuschlagen, welche einen sicheren Betrieb in einer Kaltstartphase unterstützt.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung während einer Kaltstartphase. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche beispielsweise in Stapeln geordnet sind, wobei jede Brennstoffzelle einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist. Die Anoden- bzw. Kathodenräume der Brennstoffzellen bzw. eines Stapels der Brennstoffzellen werden im Nachfolgenden als Anodenbereich bzw. Kathodenbereich zusammengefasst.
• Der Anodenbereich und der Kathodenbereich sind durch eine Membran, bei bevorzugten Ausführungsformen durch eine protonenleitende Membran (PEM) voneinander getrennt. Es ist bekannt, dass die Membran im Betrieb stets ausreichend befeuchtet werden muss, so dass innerhalb des Kathoden- bzw. Anodenbereichs stets Feuchtigkeit vorhanden ist. Hieraus ergibt sich die Problemstellung, bei einer Kaltstartphase ein Einfrieren der vorhandenen Flüssigkeit in der Brennstoffzellenvorrichtung zu verhindern, rückgängig zu machen und/oder zu kompensieren.
• Eine Kaltstartphase ist beispielsweise definiert, wenn in Bereichen der Brennstoffzellenvorrichtung die Gefahr des Einfrierens bzw. der Vereisung vorliegt. Insbesondere liegt eine Kaltstartphase vor, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung nach einer Ruhepause bei Umgebungstemperaturen unter 0° C in Betrieb genommen wird.
• Zur Messung des Betriebsdruckes weist die Brennstoffzellenvorrichtung einen Anodendrucksensor auf, welcher zur Messung des Drucks in dem Anodenbereich ausgebildet und/oder angeordnet ist. Ferner zeigt die Brennstoffzellenvorrichtung einen Kathodendrucksensor zur Messung des Drucks in dem Kathodenbereich und/oder einen Differenzdrucksensor zur Messung des Differenzdrucks zwischen Anodenbereich und Kathodenbereich. Diese Drucksensoren dienen neben der Überprüfung eines voreingestellten Betriebsdruckes auch als Grundlage zur Überprüfung des Druckunterschieds zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich. Diese Überprüfung ist notwendig, da bei einem zu großen Druckunterschied die Membran vorzeitig verschleißen und/oder reißen kann.
• Ferner umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung einen Durchflusssensor zur Messung des Massenstroms in der Zuleitung zu dem Kathodenbereich. Dem Kathodenbereich wird der Oxidant, meist Umgebungsluft, zugeführt, wobei der Massenstrom bevorzugt oder beispielsweise in der Einheit Kilogramm pro Stunde oder in dazu äquivalenten Einheiten bestimmt wird. Der Durchflusssensor kann zur direkten Messung des Massenstroms, aber auch zu einer Relativmessung des Massenstroms ausgebildet sein. Bei einer Relativmessung wird in einem ersten Schritt eine andere Messgröße erfasst, welche in einem definierten Zusammenhang mit dem Massenstrom steht, so dass in einem zweiten Schritt mittels einer Umrechnung, einer Tabelle (Look-Up-Table) oder dergleichen auf den Wert des Massenstroms rückgeschlossen werden kann. In gleicher Weise können auch die Drucksensoren zur direkten bzw. absoluten oder relativen Messung des Drucks bzw. der Druckdifferenz ausgebildet sein.
• Während der Kaltstartphase wird der Druck in dem Anodenbereich der Brennstoffzellenvorrichtung über den Anodendrucksensor erfasst. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anodendrucksensor über Mittel zur Aufheizung des Anodendrucksensors verfügt. Beispielsweise kann der Anodendrucksensor eine Heizeinrichtung oder dergleichen aufweisen.
• Dabei wird vorgeschlagen, dass während der Kaltstartphase der Druck in dem Kathodenbereich auf Basis des Signals des Durchflusssensors unabhängig von einem Signal des Kathodendrucksensors bzw. des Differenzdrucksensors eingestellt wird.
• Dem liegt die Überlegung zu Grunde, dass gerade während der Kaltstartphase es zu befürchten ist, dass diverse Drucksensoren, insbesondere wenn diese nicht beheizt sind, einfrieren können. Aufgrund des Wegfalls der notwendigen Druckmesssignale aus dem Kathodenbereich kann dieser Druck üblicherweise nicht mehr korrekt eingestellt werden. In diesem Fall ist zu befürchten, dass in dem Kathodenbereich ein die Membran schädigender Überdruck bzw. Unterdruck gegenüber dem Anodenbereich auftreten kann.
• Demgegenüber wird der Druck in dem Kathodenbereich unabhängig von den Drucksignalen aus dem Kathodenbereich und auf Basis des Signals des Durchflusssensors geprüft bzw. eingestellt.
• Der Durchflusssensor kann optional Mittel zur Enteisung und/oder Erwärmung, zum Beispiel eine Heizeinrichtung aufweisen. Die Erfindung ist somit Teil einer Kontrollstrategie zur Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung bei widrigen Umgebungsbedingungen.
• In der Ausbildung gemäß der Erfindung wird der Druck in dem Kathodenbereich durch einen Arbeitsmassenstrom eingestellt, welcher durch den Durchflusssensor kontrolliert wird, wobei der Arbeitsmassenstrom betragsmäßig zwischen einem Minimalmassenstrom und einem Maximalmassenstrom liegt. Im Allgemeinen sollte der Minimalmassenstrom und der Maximalmassenstrom so gewählt sein, dass der durch den Arbeitsmassenstrom in diesen Grenzen aufgebaute Druck in dem Kathodenbereich so gewählt ist, dass dieser sich nur innerhalb vorgegebener Spezifikationen von dem aktuellen Druck in dem Anodenbereich unterscheidet. Beispielsweise kann spezifiziert sein, dass der Druck in dem Kathodenbereich nicht mehr als 1 bar kleiner als der aktuelle Druck in dem Anodenbereich und/oder kleiner als der aktuelle Druck im Anodenbereich ausgebildet sein soll. Auch ein Druck in dem Kathodenbereich, der dem aktuellen Druck in dem Anodenbereich entspricht kann ausreichend sein.
• Erfindungsgemäß ist es ferner so, dass während der Kaltstartphase der Anodendruck auf einen maximal zulässigen Anodenarbeitsdruck erhöht wird. Der maximal zulässige Anodenarbeitsdruck liegt beispielsweise 1,0 bar über dem aktuellen Umgebungsdruck der Brennstoffzellenvorrichtungen, also circa bei 2 bar Absolutdruck.
• Ausgehend von dem maximal zulässigen Anodenarbeitsdruck wird auf Basis des erlaubten Bereichs des Druckunterschieds zwischen Anoden- und Kathodenbereich ein erlaubter Druckbereich für den Kathodenbereich abgeschätzt. Nachdem - wie oben bereits diskutiert - der Druck in dem Kathodenbereich den Druck in dem Anodenbereich nicht übersteigen soll und zudem die getätigte Abschätzung Ungenauigkeiten aufweist, ist es bevorzugt, wenn der maximale Druck in dem Kathodenbereich bezogen auf die absoluten Druckwerte kleiner, z.B. mehr als 10 % kleiner als der Druck in dem Anodenbereich gewählt ist. Bei dem vorliegenden Zahlenbeispiel könnte der maximale Kathodenarbeitsdruck mit 1,8 bar Absolutdruck gewählt sein. Verglichen mit dem Umgebungsdruck ist der maximal zulässige Druckabfall zwischen Zuleitung in den Kathodenbereich und Ableitung aus dem Kathodenbereich bei diesem Beispiel mit 0,8 bar anzunehmen.
• In einem nächsten, möglichen Schritt der Abschätzung wird der Maximalmassenstrom auf Basis des maximal zulässigen Druckabfalls beispielsweise über eine Tabelle (Look-Up-Table) bestimmt.
• Beim Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung wird dann durch Überwachung des Durchflusssensors sichergestellt, dass der Maximalmassenstrom und somit der maximal zulässige Druckabfall in dem Kathodenbereich und somit der Druck in dem Kathodenbereich nicht überschritten wird.
• Bei einer Weiterführung der Erfindung wird in Abhängigkeit des Maximalmassenstroms der maximal erzeugbare Strom der Brennstoffzellenvorrichtung bestimmt. Diese Bestimmung kann beispielsweise über ein stöchiometrisches Modell erfolgen.
• Bei einer Weiterführung der Erfindung weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Auslassventil auf, welches beispielsweise als ein Drosselventil ausgebildet ist und welches in der Ableitung des Kathodenbereichs angeordnet ist und den Oxidantenauslass aus dem Kathodenbereich steuert bzw. stellt. Im Rahmen der Weiterführung wird vorgeschlagen, dass das Auslassventil während der Kaltstartphase geöffnet ist. Besonders bevorzugt wird das Auslassventil bereits während dem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung geöffnet. Vorzugsweise ist das Auslassventil maximal geöffnet. Auch hinsichtlich des Auslassventils besteht die Befürchtung, dass dieses während der Kaltstartphase aufgrund der Kälteeinwirkung funktionsuntüchtig ist. Dadurch, dass das Auslassventil während der Kaltstartphase vorzugsweise maximal geöffnet ist und/oder bereits bei einer Systemabschaltung der Brennstoffzellenvorrichtung vorzugsweise maximal geöffnet wird, ist sichergestellt, dass sich das Auslassventil während der Kaltstartphase in einem möglicherweise funktionsunfähigen, jedoch definierten Zustand befindet.
• Es kann optional vorgesehen sein, dass in einem Leistungsmanagement der Brennstoffzellenvorrichtung der maximal verfügbare Strom der Brennstoffzellenvorrichtung kleiner als der maximal erzeugbare Strom während der Kaltstartphase angenommen wird. Durch diese Ausprägung ist sichergestellt, dass bei dem Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung während Kaltstartphase keine Stromanforderung akzeptiert wird, welche einen Strom anfordert, der größer als der maximal erzeugbare Strom bei den gegebenen Betriebsbedingungen ist. Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung stets von Strom gesprochen wurde, liegt es auch im Rahmen der Offenbarung, dass statt einem Strom eine Leistung als äquivalente Größe angefordert, berechnet oder abgeschätzt wird.
• Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Steuerungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Das Verfahren ist bevorzugt schaltungstechnisch und/oder programmtechnisch in der Steuerungseinrichtung umgesetzt.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt:
• 1 eine schematische Blockdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 2 ein Ablaufdiagramm zur Abschätzung des maximal zulässigen Molenstroms.
• Die 1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 1, wie sie beispielsweise als mobiler Energiegenerator in Fahrzeugen zur Erzeugung der Antriebsenergie für den Antriebsstrang einsetzbar ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche jeweils einen Anoden- und einen Kathodenraum zeigen, die in der 1 zu einem Anodenbereich 2 und einem Kathodenbereich 3 graphisch zusammengefasst sind. Anodenbereich 2 und Kathodenbereich 3 sind durch eine Membran 4, zum Beispiel eine PEM-Membran, voneinander getrennt. Die Illustration in der 1 ist nur schematischer Natur, insbesondere ist eine Vielzahl von weiteren Komponenten nicht dargestellt.
• Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird ein Brennstoff, meist Wasserstoff, durch den Anodenbereich 2 und ein Oxidant, in diesem Fall Umgebungsluft, durch den Kathodenbereich 3 durchgeführt. Zur Messung des Drucks in dem Anodenbereich 2 weist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen Anodendrucksensor 5 und der Kathodenbereich 3 einen Kathodendrucksensor 6 auf. Während in der 1 Anoden- bzw. Kathodendrucksensor 5, 6 so angeordnet sind, dass sie den Druck unmittelbar in den jeweiligen Bereichen messen, ist es auch möglich, dass diese Sensoren an den Zu- bzw. Ableitungen der jeweiligen Bereiche 2, 3 angeordnet sind.
• Zur Messung des Differenzdrucks zwischen dem Anodenbereich 2 und dem Kathodenbereich 3 ist ein Differenzdrucksensor 7 vorgesehen, welcher kommunizierend mit den jeweiligen Bereichen bzw. mit deren Zu- und/oder Ableitungen verbunden ist. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann statt des Kathodendrucksensors 6 nur der Differenzdrucksensor oder andersherum vorgesehen sein. Bei besonders bevorzugten Realisierungen ist der Anodendrucksensor 5 frostgesichert und/oder beheizbar ausgebildet.
• Zur Versorgung des Kathodenbereichs 3 mit dem Oxidanten weist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen Kompressor 8 auf, welcher den zugeführten Oxidanten beschleunigt bzw. komprimiert. In einem nachgeschalteten Gas-Gas-Befeuchter 9 wird Feuchtigkeit des Oxidanten von einer Ableitung auf den Oxidanten in der Zuleitung zu dem Kathodenbereich 3 übertragen.
• Dem Gas-Gas-Befeuchter 9 ist ein Durchflusssensor 10 strömungstechnisch nachgeschaltet, welcher den Massenstrom in der Zuleitung zu dem Kathodenbereich 3 misst und als Messsignal ausgibt. Der Durchflusssensor 10 kann auf einem beliebigen Messprinzip beruhen. Bei einer möglichen Alternative ist der Durchflusssensor 10 saugseitig zu dem Kompressor 8 angeordnet.
• In der Ableitung aus dem Kathodenbereich 3 wird der abgeleitete Oxidant zunächst wieder durch den Gas-Gas-Befeuchter 9 geführt und strömungstechnisch nachgeschaltet über ein steuerbares Drosselventil 11 an die Umwelt abgegeben.
• Bei einem Kaltstart der Brennstoffzellenvorrichtung, also zum Beispiel bei Umgebungstemperaturen unter 0° C, ist zu befürchten, dass einige der Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 aufgrund von Vereisung nicht mehr zuverlässig funktionieren.
• Nachfolgend wird ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorgestellt - auch als Kaltstartdruckkontrolle zu bezeichnen -, welches einen fehlersicheren Betrieb auch in der Kaltstartphase ermöglicht:
• Bei dem Verfahren wird davon ausgegangen, dass weder Drucksignale von dem Kathodendrucksensor 6 noch von dem Differenzdrucksensor 7 verfügbar sind. Dies ist insoweit kritisch, als dass der Druckunterschied zwischen dem Anodenbereich 2 und dem Kathodenbereich 3 nicht mehr bestimmbar ist, eine bestimmte Grenze jedoch nicht überschreiten darf, um eine Beschädigung der empfindlichen Membran 4 zu verhindern.
• Die Kaltstartdruckkontrolle wird beispielsweise aktiviert, wenn ein Ausstoß von Anodengasen (Purge) zwischen dem letzten Herunterfahren des Systems und der Wiederinbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erfolgt ist, und/oder wenn die Temperatur am Eingang des Kompressors 8 an einem ersten Temperatursensor 12 unterhalb einer unteren Grenztemperatur von ca. 2° C ist. Der Temperatursensor 12 kann bei der möglichen Alternative in dem Durchflusssensor 10 enthalten sein, wobei die gemeinsame Sensorbaugruppe Temperatursensor 12 und Durchflusssensor 10 saugseitig, vorzugsweise strömungstechnisch unmittelbar vor dem Kompressor 8 angeordnet ist.
• Die Kaltstartdruckkontrolle wird beispielsweise beendet, wenn die Temperaturen am Ausgang der Ableitung des Gas-zu-Gas-Befeuchters 9 an einem zweiten Temperatursensor 13 größer als eine obere Grenztemperatur von z.B. 10° C für einen Zeitraum von z. B. mindestens 60 Sekunden gemessen werden. Dieses Kriterium scheint ausreichend, um die Funktionalität des Drosselventils 11, des Differenzdrucksensors 7 und des Kathodendrucksensors 6 sicherzustellen. Optional weist das Drosselventil 11 Mittel zur Funktionsüberprüfung auf, wobei das Ergebnis der Funktionsüberprüfung ebenfalls als ein Kriterium für die die Beendigung der Kaltstartdruckkontrolle eingeführt werden kann.
• Die Strategie der Kompensation des Ausfalls oder möglichen Ausfalls der genannten Komponenten beruht darauf, statt eines Drucksignals in einem Kontrollkreis zur Kontrolle des Drucks in dem Kathodenbereich 3 das Messsignal des Durchflusssensors 10, also den Massenstrom in der Zuleitung zu dem Kathodenbereich 3, zu verwenden. Durch Abschätzung ist es möglich, einen Minimalmassenstrom und einen Maximalmassenstrom zu definieren, zwischen denen der Arbeitsmassenstrom für den Kathodenbereich 3 durch Ansteuerung des Kompressors 8 eingestellt wird, so dass der Druckunterschied zwischen Anodenbereich 2 und Kathodenbereich 3 in einem vordefinierten Bereich bleibt.
• Um bei der Abschätzung stationäre oder quasi-stationäre Bedingungen für die Brennstoffzellenvorrichtung 1 sicherzustellen und/oder um bei der Inbetriebnahme bzw. Wiederinbetriebnahme den Brennstoffanteil im Anodenbereich 2 so schnell wie möglich zu erhöhen, wird ergänzend vorgeschlagen, den Anodenbereich 2 mit einem vorabdefinierten Druck, vorzugsweise einem maximal zulässigen Druck zu beaufschlagen und zugleich das Drosselventil 11 bevorzugt vollständig zu öffnen.
• Beispielsweise wird die Sollgröße für den Druck in dem Anodenbereich 2 auf einen Maximalwert von ca. 2 bar absolut (also 1 bar über dem Umgebungsdruck) gesetzt, welcher wie nachfolgend berechnet wird: $$\text{Hp\_Si\_req}=\text{Lp\_Um}+\mathrm{1,}0\text{ bar}$$

  

  mit:

Hp_Si_req:

Maximalwert Anodendruck

Lp_Um:

Umgebungsdruck

• Der Druck in dem Kathodenbereich LP_Si kann aufgrund des - tatsächlichen oder vermuteten - Ausfalls des Kathodendrucksensors 6 bzw. des Differenzdrucksensors 7 während der Kaltstartphase nicht gemessen werden. Zur Kompensation des Ausfalls wird der Massenstrom und - wie nachfolgend noch erläutert wird - der maximal verfügbare oder zulässige Strom EI_S_CSPC_max begrenzt werden, um zu erreichen, dass der Druck in dem Kathodenbereich 3 den Druck in dem Anodenbereich 2 nicht übersteigt.
• Als eine Zusatzfunktionalität kann vorgesehen sein, dass ein Ausstoß von Anodengasen (Purge) nur erlaubt ist, wenn der Anodendruck den oben bezeichneten Sollwert erreicht hat und der Kathodendruck unterhalb eines vorbestimmten Druckniveaus liegt.
• Nachdem der Druck in dem Kathodenbereich 3 zu einem Druckabfall zwischen der Zuleitung des Oxidanten und der Ableitung des Oxidanten in den Kathodenbereich 3 korrespondiert und zudem der Anodendruck auf circa 2,0 bar absolut während der Kaltstartdruckkontrolle gesetzt wird, wird der maximal erlaubte Druckabfall - auch im Hinblick auf Ungenauigkeiten - auf 0,8 bar gesetzt. Dieser beispielhafte Wert von 0,8 bar bezieht sich auf den Druckunterschied zwischen dem Eingang zu dem Kathodenbereich 3 und der Ableitung nach dem Gas-Gas-Befeuchter 9. Auf Basis des maximal erlaubten Druckabfalls wird der Maximalmassenstrom abgeleitet, wie nachfolgend anhand der 2 erläutert wird.
• Ausgehend von dem maximal erlaubten bzw. gewünschten Druckabfall von dp_cath_gtg_max_Cal = 0,8 bar wird über eine Tabelle (Look-Up-Table) inverse dp_cath_gtg_LUT der maximal erlaubte Volumenstrom dotV_Si_max zum Beispiel in Kubikmeter pro Stunde ermittelt.
• Auf Basis der Formel: $$dotn\_air\_Si\_\text{max}=\frac{dotV\_Si\_\text{max}\left[\frac{m^3}{h}\right]\cdot \left(Lp\_Si\_CSP\_\text{max}\left[Pa\right]-\phi \cdot \left[p_{S,H2O}\left(KwT\_Si\right)\left[Pa\right]\right]\right)}{3600\left[\frac{s}{h}\right]\cdot R\cdot KwT\_Si\left[K\right]}$$

  

  wird der maximale Molenstrom dotn_air_Si_max zum Beispiel in den Einheiten Mol pro Stunde abgeleitet. Äquivalent zu dem Molenstrom kann auch ein Massenstrom berechnet werden.
• In einem nächsten Schritt wird auf Basis des maximalen Molenstroms dotn_air_SI_max gemäß der nachfolgenden Formel der maximal erzeugbare Strom EI_S_max abgeschätzt: $$EI\_S\_\text{max}=\frac{dotn\_air\_Si\_\text{max}\cdot z_{O2}\cdot F\cdot x_{O\mathrm{2,}dry}}{n_{cell}air\_stoic\_req}$$

  
• Der Wert des maximal erzeugbaren Stroms EI_S _max wird an ein Leistungsmanagement weitergegeben, welches den Wert für einen maximal zulässigen Brennstoffzellenstrom EI_S_CSPC_max während der Kaltstartdruckkontrolle auf den maximal erzeugbaren Strom EI_S _max begrenzt.
• In den Formeln wurden die folgenden Abkürzungen verwendet:

EI_S _max:

maximal erzeugbarer Strom während der Kaltstartdruckkontrolle (CSPC)

EI_S_CSPC_max:

Maximal zulässiger Stackstrom bei CSPC in [A]

dotn_air_Si_max:

maximal zulässiger Molenstrom am Stackeingang bei CSPC in [mol/s]

dotV_Si_max:

maximaler Volumenstrom am Stackeinlass

Lp_Si_CSP_max:

maximal zulässiger Druck am Stackeinlass bei CSPC

phi:

relative Feuchte der Luft

ps,H2O:

Sättigungsdampfdruck von Wasser in Luft

T_CSP_req:

Referenztemperatur, bei der das CSP Limit berechnet wird

R:

allgemeine Gaskonstante [J/mol/K]

zo2:

Valenzelektronenzahl von Sauerstoff

F:

Faradaykonstante = 96485 C/mol

xO2, dry:

Molanteil von Sauerstoff in der Luft (ca. 0.21)

n_cell:

Anzahl Einzelzellen im Brennstoffzellenstack

air_stoic_req:

Sollwert für die Sauerstoffstöchiometrie, wobei die Sauerstoffstöchiometrie als das Verhältnis des Molenstroms von Sauerstoff am Kathodeneinlass zur Sauerstoffverbrauchsrate der Brennstoffzellenreaktion definiert ist.

• Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellenvorrichtung

2

Anodenbereich

3

Kathodenbereich

4

Membran

5

Anodendrucksensor

6

Kathodendrucksensor

7

Differenzdrucksensor

8

Kompressor

9

Gas-Gas-Befeuchter

10

Durchflusssensor

11

Drosselventil

12

erster Temperatursensor

13

zweiter Temperatursensor

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) in einer Kaltstartphase, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (1) einen Anodenbereich (2) und einen Kathodenbereich (3) umfasst, welche durch eine Membran (4) voneinander getrennt sind, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (1) einen Anodendrucksensor (5) zur Messung des Drucks in dem Anodenbereich (2) und einen Kathodendrucksensor (6) zur Messung des Drucks in dem Kathodenbereich (3) und/oder einen Differenzdrucksensor (7) zur Messung des Differenzdrucks zwischen Anodenbereich (2) und Kathodenbereich (3) sowie einen Durchflusssensor (10) zur Messung des Massenstroms in der Zuleitung zu dem Kathodenbereich (3) umfasst, wobei während der Kaltstartphase der Druck in dem Anodenbereich (2) der Brennstoffzellenvorrichtung über den Anodendrucksensor (5) erfasst wird, wobei während der Kaltstartphase der Druck in dem Kathodenbereich (3) auf Basis des Signals des Durchflusssensors (10) unabhängig von einem Signal des Kathodendrucksensors (6) bzw. des Differenzdrucksensors (7) eingestellt wird, wobei der Druck in dem Kathodenbereich (3) durch einen Arbeitsmassenstrom eingestellt ist, welcher zwischen einem Minimalmassenstrom und einem Maximalmassenstrom liegt, wobei während der Kaltstartphase der Anodendruck auf einen maximal zulässigen Anodenarbeitsdruck (Hp_Si_req) erhöht wird, wobei in Abhängigkeit des Anodenarbeitsdrucks ein maximal zulässiger Druckabfall zwischen Zuleitung und Ableitung des Kathodenbereichs (3) bestimmt wird, und wobei in Abhängigkeit des maximal zulässigen Druckabfalls der Maximalmassenstrom (dotn_air_SI_max) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Auslassventil (11), welches in der Ableitung des Kathodenbereichs (3) angeordnet ist, wobei das Auslassventil (11) während der Kaltstartphase geöffnet ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Maximalmassenstroms (dotn_air_SI_max) der maximal erzeugbare Strom der Brennstoffzellenvorrichtung (1) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der maximal verfügbare Strom der Brennstoffzellenvorrichtung (1) kleiner als der maximal erzeugbare Strom (EI_S_CSPC_max) angenommen wird.
5. Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Steuerungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Images