DE102012001947A1

DE102012001947A1 - Verfahren zur Optimierung der Betriebsstrategie eines Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug und hierfür angepasstes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012001947A1
Application number: DE201210001947
Authority: DE
Inventors: Christian Holtkötter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Betriebsstrategie eines Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems 1 in einem Fahrzeug, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zu ihrer jeweiligen Horizontalposition sowie die Temperatur der Umgebung des Fahrzeugs ermittelt werden und bei Unterschreiten eines vorgebbaren Werts der Außentemperatur in Abhängigkeit vom festgestellten Grad der Abweichung der Längs- und/oder Querachse des Fahrzeugs von der jeweiligen Horizontalposition von einem Steuerungssystem für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem 1 Betriebsparameter für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem 1 angepasst werden, um sicherzustellen, dass in ausreichendem Maße Produktwasser aus dem Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem ausgetrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Betriebsstrategie eines Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug und ein hierfür angepasstes Fahrzeug.
Brennstoffzellen werden seit längerer Zeit als effiziente und umweltverträgliche Energiequellen erforscht und auch bereits im praktischen Betrieb eingesetzt. Für Elektrofahrzeuge aber auch und verschiedene andere Anwendungen können Brennstoffzellen, hier insbesondere Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen, eine mögliche Alternative zu Verbrennungsmotoren darstellen.
Derartige Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen verfügen üblicherweise über einen Anodenraum und einen Kathodenraum, die durch eine feste, als Elektrolyt fungierende Protonenaustauschmembran, wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran, voneinander getrennt sind. Auf der Anoden- und der Kathodenseite der Membran sind üblicherweise fein verteilte katalytisch aktive Partikel vorhanden, wie z. B. auf Kohlenstoffteilchen aufgebrachtes Platin (Pt), die mit einem Ionomer vermischt sind. Die Kombination aus den katalytisch aktiven Teilchen auf der Anoden- und der Kathodenseite sowie der Protonenaustauschmembran wird als Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet.
Beim Betrieb einer Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle wird der Kathodenseite ein sauerstoffhaltiges Gas (z. B. Luft) und der Anodenseite ein Brennstoff (z. B. Wasserstoff, Methanol) zugeführt. Der Brennstoff wird in der Anode katalytisch aufgespaltet, wodurch freie Protonen und Elektronen erzeugt werden. Die Protonen wandern direkt durch die Protonenaustauschmembran zur Kathodenseite, die Elektronen werden von der Protonenaustauschmembran abgeleitet und durch eine Last (z. B. einen Elektromotor) hindurch zur Kathodenseite geleitet. Auf der Kathodenseite wird der dort vorhandene Sauerstoff mit Hilfe der Protonen und Elektronen zu Wasser umgewandelt.
Einzelne Brennstoffzellen können in Serie zusammengeschaltet sein, um einen Brennstoffzellenstack (z. B. mit bis zu mehreren hundert Brennstoffzellen) zu bilden. Ein Brennstoffzellenstack ist in der Lage, eine elektrische Leistung zu liefern, die beispielsweise für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs ausreichend ist. Ein Brennstoffzellenstack umfasst typischerweise Brennstoffzellen-Subsysteme und ähnliche Vorrichtungen, die für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks hilfreich und/oder erforderlich sind. Derartige Brennstoffzellen-Subsysteme und ähnlichen Vorrichtungen können beispielsweise Fluiddurchgänge, Kühlmittelpumpen, Zirkulationspumpen Entleerungsventile, Gebläse, Verdichter, Ventile, elektrische Verbindungen, Reformer, Befeuchter, Wasserdampfübertragungseinheiten, Wärmetauscher und ähnliche Einrichtungen umfassen.
In der nachfolgenden Beschreibung werden eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle und ein Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenstack (jeweils mit und ohne Brennstoffzellen-Subsystemen) der Einfachheit halber als Brennstoffzellensystem bezeichnet.
Damit ein Brennstoffzellensystem die erforderliche Alltagstauglichkeit aufweist, muss es – insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen – eine ausreichende Frostsicherheit und Kaltstarttauglichkeit aufweisen. Hierbei stellen Kaltstarts unterhalb von 0°C eine kritische Betriebssituation dar, da die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems durch gefrorenes Produktwasser stark verringert sein kann oder hierdurch sogar geschädigt werden kann.
Beim Abschalten eines Brennstoffzellensystems wird daher versucht, das Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem durch Ausblasen, durch Öffnen von Ventilen und Klappen, und/oder durch andere Verfahren zu entfernen. Bei bestimmten Betriebs- bzw. Abschaltzuständen besteht jedoch die Gefahr, dass das Produktwasser nicht vollständig oder nicht ausreichend aus dem Brennstoffzellensystem entfernt wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, mit denen diese Nachteile des Stands der Technik überwunden werden.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie das Fahrzeug gemäß Anspruch 8 gelöst, Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung der Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zu ihrer jeweiligen Horizontalposition sowie die Temperatur der Umgebung des Fahrzeugs ermittelt werden und bei Unterschreiten eines vorgebbaren Werts der Außentemperatur (beispielsweise 0°C) in Abhängigkeit vom festgestellten Grad der Abweichung der Längs- und/oder Querachse des Fahrzeugs von der jeweiligen Horizontalposition von einem Steuerungssystem für das Brennstoffzellensystem Betriebsparameter für das Brennstoffzellensystem angepasst werden, um sicherzustellen, dass in ausreichendem Maße Produktwasser aus dem Brennstoffzellensystem ausgetrieben wird.
Insbesondere wenn ein Fahrzeug in einer schrägen Lage, d. h. in einer Lage, bei der die Längs- und/oder Querachse eine Abweichung von der horizontalen Lage (d. h. einen Kippwinkel in X-, Y- und/oder Z-Richtung) aufweist, abgestellt bzw. über einen gewissen Zeitraum betrieben wird, kann es vorkommen, dass sich Produktwasser an einer Stelle des Brennstoffzellensystems sammelt, des durch die üblichen Betriebs- und/oder Abschaltverfahren nicht oder nicht ausreichend entfernt werden kann.
Beträgt oder sinkt nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems die Außentemperatur unter 0°C, besteht in einem derartigen Fall die Gefahr, dass dieses Produktwasser in dem Brennstoffzellensystem gefriert und somit einen erfolgreichen Kaltstart verhindert.
Wenn, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen ist, die Lage des Fahrzeugs aber bekannt ist, können die Betriebsparameter bzw. die Betriebsstrategie in Abhängigkeit von der Lage des Fahrzeugs und der Umgebungstemperatur verändert werden, um so das Wassermanagement in dem Brennstoffzellensystem zu optimieren. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Produktwasser während des Betriebs, beim Abschalten und auch in der Zeit nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems in zumindest ausreichendem Umfang entfernt werden kann.
Unter „Betriebsparameter” sind hier nicht nur die Parameter zu verstehen, die während des eigentlichen Betriebs (d. h. während der Dauer der Energieumwandlung), sondern auch diejenigen Parameter, die beim Abschalten und in der Zeit nach dem Abschalten eines Brennstoffzellensystems eingehalten werden sollen bzw. eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in bevorzugter Weise a) eine Anpassung der Parameter eines Standard-Abschaltverfahrens oder das Vorsehen eines zusätzlichen nachgeschalteten Abschaltverfahrens, b) eine Veränderung der Purge-Strategie auf der Anodenseite während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (Purgen bezeichnet hierbei das Austreiben von Wasser und Stickstoff aus dem geschlossenen Anodenkreislauf), c) eine Veränderung der Luftversorgung auf der Kathodenseite während des Betriebs des Brennstoffzellensystems und/oder d) ein Öffnen und Schließen von mehreren beim Brennstoffzellensystem vorgesehenen Ventilen und/oder Klappen.
Durch eine Anpassung der Parameter eines Standard-Abschaltverfahrens (d. h. eines Abschaltverfahrens ohne die Berücksichtigung von Umgebungstemperatur und Lage des Fahrzeugs) oder das Vorsehen eines zusätzlichen nachgeschalteten Abschaltverfahrens kann Produktwasser sowohl von der Anoden- als auch von der Kathodenseite entfernt werden. Gleiches gilt für das Öffnen und Schließen von mehreren beim Brennstoffzellensystem vorgesehenen Ventilen und/oder Klappen.
Bei Anwendung der obigen Option a) kann in bevorzugter Weise ein Ausblasvorgang des Standard-Abschaltverfahrens verändert werden, insbesondere dessen Zeitdauer verlängert und/oder der Luftstrom verstärkt werden, und/oder es kann ein zusätzlicher Ausblasvorgang durchgeführt werden. Bei Anwendung der obigen Option d) können in bevorzugter Weise Ventile und/oder Klappen an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems vorgesehenen sein und diese Ventile und/oder Klappen in einer vorgebbaren Reihenfolge geöffnet und geschlossen werden.
Die Ermittlung der Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zur Horizontalposition wird in bevorzugter Weise während des Betriebs, beim Abstellen und/oder nach dem Abstellen des Fahrzeugs durchgeführt. Eine Ermittlung während des Betriebs ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn sich das Fahrzeug über einen längeren Zeitraum auf einer Berg- oder Talfahrt befindet. In einem solchen Zustand befindet sich nicht nur hauptsächlich die Längsachse eines Fahrzeugs in einem Kippwinkel relativ zu einer horizontalen Ausrichtung, sondern üblicherweise auch das Brennstoffzellensystem. Hierdurch kann sich Produktwasser beispielsweise in den am tiefsten gelegenen Bereichen des Brennstoffzellensystems ansammeln. Derartiges Produktwasser kann durch geeignete Optimierung von Betriebsparametern bereits während des Betriebs, beispielsweise durch eine oder mehrere der oben erwähnten Maßnahmen b) bis d) in zumindest ausreichendem Ausmaß aus dem Brennstoffzellensystem entfernt werden. Eine Ermittlung nach dem Abstellen des Fahrzeugs ist sinnvoll, da nicht ausgeschlossen werden kann, dass sich das Fahrzeug nach dem Abstellen in einer Transportsituation befinden kann, während dessen eine andere Ausrichtung der Längs- und/oder Querachse gegeben ist, als dies beim Abstellen des Fahrzeugs der Fall war.
Die Ermittlung der Temperatur der Umgebung des Fahrzeugs wird in bevorzugter Weise während des Betriebs, beim Abstellen und/oder nach dem Abstellen des Fahrzeugs durchgeführt. Während des Betriebs des Fahrzeugs spielt die Umgebungstemperatur für den Betrieb eines Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems üblicherweise keine entscheidende Rolle. Aufgrund der nicht verlustfreien Umwandlung von chemischer in elektrische Energie entsteht in einer Brennstoffzelle während ihres Betriebs immer ein gewisses Maß an Verlustwärme, so dass währenddessen üblicherweise keine Gefahr für das Einfrieren von Produktwasser gegeben ist. Das Ermitteln der Temperatur der Umgebung eines Fahrzeugs bereits während seines Betriebs kann aber dennoch beispielsweise für eine Prognose sinnvoll sein, ob nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems die Gefahr eines Einfrierens von Produktwasser besteht. Sollte diese Gefahr bestehen, können bereits während des Betriebs des Brennstoffzellensystems deren Betriebsparameter entsprechend angepasst bzw. optimiert werden.
Die Ermittlung der Temperatur der Umgebung des Fahrzeugs nach dem Abstellen des Fahrzeugs ist beispielsweise sinnvoll, wenn nicht ausgeschlossen werden kann, dass die Umgebungstemperatur nach dem Abstellen des Fahrzeugs weiter sinkt und eine Temperatur erreicht, bei der ein Einfrieren von in dem Brennstoffzellensystem vorhandenen Produktwasser zu erwarten ist.
Wie oben erwähnt, weisen die Gase innerhalb eine Brennstoffzellensystems unmittelbar nach dem Abschalten eine erhöhte Temperatur auf. Sinkt die Temperatur innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems nach dessen Abstellen ab, so steigt die relative Luftfeuchtigkeit der Gase in dem Brennstoffzellensystem. Wird der Taupunkt erreicht, kann es – selbst bei einem anfänglichen beispielsweise für das Ausblasen von Produktwasser ausreichenden Ausschaltverfahren – nach dem Abstellen eines Brennstoffzellensystems zur Kondensation von Produktwasser kommen. Sinkt die Umgebungstemperatur in einer solchen Situation weiter bis unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, kann dieses Produktwasser in dem Brennstoffzellensystem einfrieren. Wird das Erreichen des Taupunkts festgestellt und besteht die Gefahr einer weiteren Temperaturerniedrigung bis unter den Gefrierpunkt von Wasser, kann in bevorzugter Weise auch nach dem Abstellen eines Brennstoffzellensystems beispielsweise ein weiteres nachgeschaltetes Ausblasverfahren gestartet werden und/oder kondensiertes Produktwasser durch Öffnen von zumindest einem Ventil und/oder einer Klappe abgelassen werden.
In bevorzugter Weise kann das Ermitteln der Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zur Horizontalposition durch einen Lagesensor eines elektronischen Stabilitätsprogramm-Systems erfolgen und die entsprechenden Daten des elektronischen Stabilitätsprogramm-Systems zu dem Steuerungssystem für das Brennstoffzellensystem übermittelt werden.
Das in vielen Fahrzeugen bereits heute serienmäßig vorhandene elektronische Stabilitätsprogramm-System weist einen Lagesensor auf. Dessen Daten können in vorteilhafter Weise zu dem Steuerungssystem für das Brennstoffzellensystem übermittelt und dort für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise die in einem Fahrzeug ohnehin schon vorhandenen Informationen bezüglich der Lage des Fahrzeugs genutzt, ohne dass ein weiterer Lagesensor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist ein Brennstoffzellensystem und ein elektronischen Stabilitätsprogramm-System auf, und ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um die von einem Lagesensor des elektronischen Stabilitätsprogramm-Systems ermittelte Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zu ihrer jeweiligen Horizontalposition von dem elektronischen Stabilitätsprogramm-System zu einem Steuerungssystem für das Brennstoffzellensystem zu übertragen.
In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Fahrzeug weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem für das Brennstoffzellensystem dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Im nachfolgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel dient jedoch lediglich dem noch besseren Verständnis der Erfindung, die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Dabei zeigt die Figur ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Tank für Brennstoff 2, einem mit dem Tank 2 in fluider Verbindung stehenden Druckminderer 3, der wiederum in fluider Verbindung mit einem Dosierventil 4 steht.
Über eine Zuleitung 5 kann der Brennstoff aus dem Tank 2 durch den Anodenraum 6 geleitet werden. Nicht verbrauchter Brennstoff wird über das Rezirkulationsgebläse 7 zurück in den Anodenraum 6 geleitet, wobei neuer Brennstoff über die Zuleitung 5 eingespeist wird.
In die Kathodenseite 8 wird mittels einer Zuleitung 9 Ladeluft (sauerstoffhaltiges Gas) eingeleitet. Diese Ladeluft wird durch einen durch einen Verdichterantrieb 10 angetriebenen Verdichter 11 verdichtet und durch einen Ladeluftkühler 12 gekühlt. Über eine Ableitung 13 wird die verbrauchte Ladeluft aus dem Kathodenraum 8 abgeleitet.
Am Kathodenraum sind zwei Auslass-Ventile 14 und 14' vorhanden, mittels derer entstandenes Produktwasser abgelassen werden kann. Diese Auslass-Ventile 14 und 14' befinden sich im gezeigten Beispiele an den tiefsten Stellen des Kathodenraums 8. Je nach Lage des Fahrzeugs kann nur eines der Ventile geöffnet und wieder geschlossen werden oder auch beide. Es können die Ventile auch abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, beispielsweise bei einem Lagewechsel des Fahrzeugs während des Betriebs. Selbstverständlich können derartige Auslassventile auch an anderen geeigneten Stellen des Brennstoffzellensystems vorgesehen sein.
Die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 erfolgt durch ein in der Figur nicht dargestelltes Steuerungssystem.
Durch die vorliegende Erfindung werden durch die Information über die Lage eines Fahrzeugs die Betriebsstrategie und insbesondere die Kaltstartfähigkeit eines Brennstoffzellenfahrzeugs verbessert, sowie die Robustheit des Kaltstarts über die Lebensdauer des Brennstoffzellenfahrzeugs erhöht. Hierdurch kann die Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks verlängert, der Wartungsaufwand für das Brennstoffzellenfahrzeug verringert und eine höhere Kundenzufriedenheit erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Tank für Brennstoff
3: Druckminderer
4: Dosierventil
5: Zuleitung zum Anodenraum
6: Anodenraum
7: Rezirkulationsgebläse
8: Kathodenraum
9: Zuleitung zum Kathodenraum
10: Verdichterantrieb
11: Verdichter
12: Ladeluftkühler
13: Ableitung aus Kathodenraum
14: Auslassventil
14': Auslassventil

Claims

Verfahren zur Optimierung der Betriebsstrategie eines Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems (1) in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zu ihrer jeweiligen Horizontalposition sowie die Temperatur der Umgebung des Fahrzeugs ermittelt werden und bei Unterschreiten eines vorgebbaren Werts der Außentemperatur in Abhängigkeit vom festgestellten Grad der Abweichung der Längs- und/oder Querachse des Fahrzeugs von der jeweiligen Horizontalposition von einem Steuerungssystem für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem Betriebsparameter für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem angepasst werden, um sicherzustellen, dass in ausreichendem Maße Produktwasser aus dem Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem ausgetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung von Betriebsparametern durch das Steuerungssystem für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem a) eine Anpassung der Parameter eines Standard-Abschaltverfahrens oder das Vorsehen eines zusätzlichen Abschaltverfahrens; b) eine Veränderung der Purge-Strategie auf der Anodenseite während des Betriebs des Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems; c) eine Veränderung der Luftversorgung auf der Kathodenseite während des Betriebs des Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems; und/oder d) ein Öffnen und Schließen von mehreren beim Nedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem vorgesehenen Ventilen und/oder Klappen (14, 14') umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, Option a) dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Ausblasvorgang des Standard-Abschaltverfahrens verändert wird, insbesondere dessen Zeitdauer verlängert und/oder der Luftstrom verstärkt wird; und/oder b) ein zusätzlicher Ausblasvorgang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, Option d) dadurch gekennzeichnet, dass Ventile und/oder Klappen (14, 14') an verschiedenen Stellen des Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystems (1) vorgesehenen sind und diese Ventile und/oder Klappen (14, 14') in einer vorgebbaren Reihenfolge geöffnet und geschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zur Horizontalposition während des Betriebs, beim Abstellen und/oder nach dem Abstellen des Fahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Temperatur der Umgebung des Fahrzeugs während des Betriebs, beim Abstellen und/oder nach dem Abstellen des Fahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zur Horizontalposition beispielsweise durch einen Lagesensor eines elektronischen Stabilitätsprogramm-Systems erfolgt und die entsprechenden Daten des elektronischen Stabilitätsprogramm-Systems zu dem Steuerungssystem für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem übermittelt werden.
Fahrzeug mit einem Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem (1) und einem elektronischen Stabilitätsprogramm-System, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um die von einem Lagesensor des elektronischen Stabilitätsprogramm-Systems ermittelte Ausrichtung der Längs- und Querachse des Fahrzeugs relativ zu ihrer jeweiligen Horizontalposition von dem elektronischen Stabilitätsprogramm-System zu einem Steuerungssystem für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem (1) zu übertragen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungssystem für das Niedrigtemperatur-Brennstoffzellensystem (1) dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.