DE102013014959A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (5) mit wenigstens einem aus Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzellenstapel (6), welches über einen Strömungsverdichter (15) kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird, und welches über eine mit einem Systembypassventil (20) versehene Leitung (19) zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter (15) und der Abluftseite verfügt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Systembypassventil (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) so gesteuert bzw. geregelt wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht überschritten wird.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (5) having at least one fuel cell stack (6) constructed from individual cells, which is supplied via a flow compressor (15) on the cathode side with air as the oxygen supplier, and which via a line provided with a system bypass valve (20) (19) between the supply air side after the flow compressor (15) and the exhaust side has. The invention is characterized in that the system bypass valve (20) is controlled or regulated as a function of the average voltage per individual cell of the fuel cell stack (6) so that a predetermined limit value of the average voltage is not exceeded.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of
Brennstoffzellensysteme, insbesondere Brennstoffzellensysteme zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für Fahrzeuge, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig werden in derartigen Brennstoffzellensystemen zur Luftversorgung Strömungsmaschinen bzw. Strömungsverdichter eingesetzt, um die Brennstoffzelle kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant zu versorgen. Die Strömungsverdichter können in bevorzugter Art und Weise mit einer Turbine gekoppelt werden, so wie es beispielsweise in der
Nun ist es so, dass der Strömungsverdichter, insbesondere in Fahrzeuganwendungen, nicht gänzlich abgestellt und auf eine Drehzahl in der Größenordung von Null abgebremst wird, wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise in den Leerlauf geht. Vielmehr wird der Strömungsverdichter mit einer Minimaldrehzahl weiterbetrieben, um bei Bedarf ausreichend dynamisch wieder die geforderte, beispielsweise volle Luftmenge zur Verfügung stellen zu können. Hierdurch entsteht jedoch die Problematik, dass weiterhin Luft zu dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gefördert wird, sodass es zu einem entsprechenden Spannungsaufbau in den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels kommt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Brennstoffzellensystem anodenseitig über einen Anodenkreislauf verfügt, in welchem immer zumindest eine Restmenge an Wasserstoff über einen längeren Zeitraum vorhanden ist, und so nicht unmittelbar abgebaut werden kann, beispielsweise wenn das Brennstoffzellensystem in den Leerlauf wechselt.Now, in particular in vehicle applications, the flow compressor is not completely shut down and braked to zero speed, for example when the fuel cell system is idling. Rather, the flow compressor is operated at a minimum speed in order to sufficiently dynamically provide the required, for example, full amount of air available again when needed. However, this creates the problem that further air is conveyed to the at least one fuel cell stack of the fuel cell system, so that it comes to a corresponding voltage build-up in the individual cells of the fuel cell stack. This is especially true when the fuel cell system on the anode side has an anode circuit in which always at least a residual amount of hydrogen over a longer period exists, and so can not be reduced immediately, for example, when the fuel cell system changes to idle.
Solange eine ausreichend hohe Belastung der Brennstoffzelle vorliegt, also solange aus der Brennstoffzelle eine ausreichende Leistung entnommen bzw. ein ausreichend hoher Strom gezogen wird, ist dies unkritisch. Wird nun jedoch keine ausreichende Leistung mehr aus der Brennstoffzelle entnommen, beispielsweise weil diese nicht benötigt wird und weil eine eventuelle Batterie in dem Brennstoffzellensystem ihre maximale Ladung bereits erreicht hat, dann entsteht im Bereich der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels ein entsprechend hohes Spannungspotenzial an den Einzelzellen. Dieses Spannungspotenzial kann dabei leicht so hoch werden, das eine nachhaltige Schädigung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels auftritt. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Degradation. Durch das hohe Spannungspotenzial an den Einzelzellen kann es beispielsweise zu einer Schädigung der katalytischen Materialien oder dergleichen kommen. Dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich als Problem bei Brennstoffzellen, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, bekannt.As long as there is a sufficiently high load on the fuel cell, ie as long as sufficient power is drawn from the fuel cell or a sufficiently high current is drawn, this is not critical. However, if sufficient power is no longer taken from the fuel cell, for example because it is not needed and because a potential battery in the fuel cell system has already reached its maximum charge, then a correspondingly high voltage potential is produced at the individual cells in the region of the individual cells of the fuel cell stack. This voltage potential can easily become so high that sustained damage to the individual cells of the fuel cell stack occurs. In this context, one speaks of a degradation. Due to the high voltage potential across the individual cells, damage to the catalytic materials or the like may occur, for example. This is known per se from the general state of the art as a problem in fuel cells, in particular in PEM fuel cells.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in dem im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Aufbau anzugeben, welches dieser Problematik einer Degradation effizient entgegenwirkt.The object of the present invention is now to provide a method for operating a fuel cell system in the construction specified in the preamble of
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 5 eine besonders bevorzugte Verwendung angegeben.According to the invention this object is achieved by a method having the features in the characterizing part of
Das erfindungsgemäße Verfahren steuert das Systembypassventil in der Verbindung zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter und der Abluftseite in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels. Dabei erfolgt die Steuerung bzw. Regelung so, dass das Systembypassventil immer so weit geöffnet bzw. geschlossen wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht unterschritten wird. Insbesondere im Leerlaufbetrieb, wenn aus dem Brennstoffzellenstapel kein größerer Strom entnommen wird, und wenn der Strömungsverdichter weiterhin mit seiner Minimaldrehzahl läuft, kommt es durch die weiterhin bestehende Luftversorgung der Kathodenseite zu entsprechend hohen Spannungspotenzialen in dem Brennstoffzellenstapel, mit der oben genannten Problematik. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das typischerweise ohnehin vorhandene Systembypassventil bzw. Umblasventil spannungsabhängig gesteuert. Hierdurch kann die aufgrund der Minimaldrehzahl des Strömungsverdichters zwangsläufig geförderte Luftmenge zumindest teilweise durch den Systembypass und das Systembypassventil fließen. Damit gelangt auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels keine oder nur noch eine sehr viel geringere Luftmenge an. Hierdurch wird die mittlere Spannung je Einzelzelle entsprechend begrenzt, sodass den die Brennstoffzelle schädigenden Mechanismen sicher und effizient entgegengewirkt werden kann.The method according to the invention controls the system bypass valve in the connection between the supply air side downstream of the flow compressor and the exhaust side as a function of the average voltage per individual cell of the fuel cell stack. In this case, the control or regulation is carried out so that the system bypass valve is always opened or closed so far that a predetermined limit value of the average voltage is not exceeded. In particular, in idle mode, if no larger current is removed from the fuel cell stack, and if the flow compressor continues to run at its minimum speed, it comes through the continuing air supply to the cathode side to correspondingly high voltage potentials in the fuel cell stack, with the above-mentioned problem. In the method according to the invention, the system bypass valve or blow-off valve, which is typically present anyway, is now controlled in a voltage-dependent manner. As a result, the amount of air necessarily conveyed due to the minimum speed of the flow compressor can at least be increased partially through the system bypass and system bypass valve. Thus reaches on the cathode side of the fuel cell stack no or only a much smaller amount of air. As a result, the average voltage per single cell is limited accordingly, so that the fuel cell damaging mechanisms can be safely and efficiently counteracted.
Die Verfahrensführung kann dabei als Regelung ausgestaltet sein, so dass der Grad der Öffnung des Systembypassventils in Abhängigkeit der erfassten mittleren Spannung ständig angepasst wird. Andererseits ist ebenso denkbar, dass eine reine Steuerung realisiert wird, also dass je nach gemessener Spannung ein zu dieser Spannung passender Grad der Öffnung des Systembypassventils eingestellt wird. Auf eine konkrete Rückmeldung, wie sie für die Regelung charakteristisch ist, kann dann zur Vereinfachung des Aufbaus verzichtet werden. Die Regelung ermöglicht im Gegensatz zur Steuerung eine höhere Genauigkeit, ist jedoch auch mit dem entsprechend höheren Aufwand verbunden.The process control can be designed as a control, so that the degree of opening of the system bypass valve depending on the detected average voltage is constantly adjusted. On the other hand, it is also conceivable that a pure control is realized, that is, depending on the measured voltage, a degree of opening of the system bypass valve matching this voltage is set. On a concrete feedback, as it is characteristic of the scheme, can then be omitted to simplify the structure. The control allows in contrast to the control of a higher accuracy, but is also associated with the corresponding higher cost.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun außerdem vorgesehen, dass zuerst durch Belastung des Brennstoffzellenstapels mit einer elektrischen Last die mittlere Spannung je Einzelzelle unter dem vorgegebenen Grenzwert gehalten wird, wonach erst bei fehlender oder zu geringer Abnahme an Leistung das Systembypassventil in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels gesteuert wird. Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Brennstoffzellenstapel zuerst mit einer elektrischen Last belastet, um die mittlere Spannung je Einzelzelle unterhalb eines kritischen Grenzwerts zu halten. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass in einer solchen Situation ein höherer Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erzielt werden kann, als wenn geförderte Luft ungenutzt wieder an die Umgebung abgeblasen wird. Solange eine entsprechende elektrische Leistung benötigt wird, beispielsweise in einem Fahrzeug in Nebenverbrauchern, oder solange diese für den Betrieb des Brennstoffzellensystem bzw. eines mit ihm ausgestatteten Fahrzeugs nutzbringend in einer Batterie eingespeichert werden kann, wird dies getan. Erst wenn keine ausreichende Leistungsabnahme von dem Brennstoffzellenstapel mehr möglich ist, beispielsweise weil kein höherer Leistungsbedarf vorliegt und die Batterie bereits einen vollen Ladezustand erreicht hat, dann erst wird die spannungsabhängige Steuerung des Systembypassventils verwendet, um ein ansonsten unweigerliches Auftreten von erhöhten Spannungspotenzialen an den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.In another very advantageous embodiment of the method according to the invention, it is now also provided that the average voltage per single cell is first kept below the predetermined limit by loading the fuel cell stack with an electrical load, after which the system by-pass valve is not activated until there is no or too little decrease in power Dependence of the average voltage per single cell of the fuel cell stack is controlled. In this particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the fuel cell stack is first loaded with an electrical load in order to keep the average voltage per individual cell below a critical limit value. This has the decisive advantage that in such a situation, a higher efficiency of the fuel cell system can be achieved, as if extracted air is blown unused back to the environment. As long as a corresponding electric power is required, for example in a vehicle in secondary consumers, or as long as it can be usefully stored in a battery for the operation of the fuel cell system or a vehicle equipped with it, this is done. Only when a sufficient power decrease from the fuel cell stack is no longer possible, for example, because no higher power requirement and the battery has already reached a full state of charge, then only the voltage-dependent control of the system bypass valve is used to an otherwise inevitable occurrence of increased voltage potentials at the individual cells of the Prevent fuel cell stack.
Hierdurch wird das Abblasen der bei minimaler Drehzahl des Strömungsverdichters geförderten Luft auf eine minimale Menge reduziert, um so einen bestmöglichen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems in den meisten Betriebssituationen zu gewährleisten.As a result, the blowing off of the air conveyed at minimum speed of the flow compressor air is reduced to a minimum amount, so as to ensure the best possible efficiency of the fuel cell system in most operating situations.
Da im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, wenn dieses beispielsweise die zum Antreiben eines Fahrzeugs benötigte Antriebsleistung liefert, wird es typischerweise immer möglich sein, die Spannung der Einzelzellen unter dem kritischen Grenzwert zu halten. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass die verfahrensgemäße Steuerung erst dann startet, wenn das Brennstoffzellensystem im Leerlauf ist, um unnötigen Aufwand hinsichtlich der Erfassung von Messwerten oder dergleichen einzusparen.Since during normal operation of the fuel cell system, for example, when this supplies the drive power required to drive a vehicle, it will typically always be possible to keep the voltage of the individual cells below the critical limit. In an advantageous development of the method according to the invention, it is therefore provided that the control according to the invention does not start until the fuel cell system is idling in order to save unnecessary expenditure with regard to the acquisition of measured values or the like.
Im Prinzip ist es dabei möglich, dass die mittlere Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels durch eine Einzelzellspannungsüberwachung ermittelt und ein entsprechender Mittelwert gebildet wird. Dies ist jedoch außerordentlich aufwändig, da auf eine solche Einzelzellspannungsüberwachung nach Möglichkeit verzichtet werden soll. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es demnach vorgesehen, dass die mittlere Einzelspannung je Zelle aus der Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Anzahl der darin verbauten Zellen ermittelt wird.In principle, it is possible that the mean voltage per single cell of the fuel cell stack is determined by a single cell voltage monitoring and a corresponding average value is formed. However, this is extremely expensive, since it should be possible to dispense with such a single cell voltage monitoring as far as possible. In a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, it is accordingly provided that the average individual voltage per cell is determined from the voltage of the fuel cell stack and the number of cells installed therein.
Neben der Spannung beziehungsweise der mittleren Spannung sind selbstverständlich auch die elektrisch mit der Spannung zusammenhängenden Größen wie der Strom beziehungsweise der mittlere Strom oder die Leistung beziehungsweise die mittlere Leistung als Eingangsgrößen verwendbar. Diese können entweder direkt verwendet werden oder können durch ihren Zusammenhang zur Spannung entsprechend umgewandelt und so in dem erfindungsgemäßen Sinn eingesetzt werden.In addition to the voltage or the average voltage, it is of course also possible to use the variables which are electrically related to the voltage, such as the current or the average current or the power or the average power as input variables. These can either be used directly or can be correspondingly converted by their relationship to the voltage and thus used in the sense of the invention.
Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Strömungsverdichter um einen Strömungsverdichter eines Turboladers handeln, welcher beispielsweise in der in dem eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Art als Freiläufer aufgebaut ist, oder welcher Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers ist. Genauso gut wäre es jedoch denkbar, dass der Strömungsverdichter als alleiniger Strömungsverdichter verwendet wird, sodass also auf eine Turbine in dem Brennstoffzellensystem gänzlich verzichtet wird. Bei allen Anwendungen bietet das beschriebene Verfahren eine einfache und effiziente Möglichkeit, um die Mechanismen der Degradation zu vermeiden und eine hohe Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen.As already mentioned, the flow compressor may be a flow compressor of a turbocharger, which is constructed, for example, in the manner described in the aforementioned prior art as an idler, or which is part of a so-called electric turbocharger. However, it would equally well be conceivable for the flow compressor to be used as the sole flow compressor, so that a turbine in the fuel cell system is completely dispensed with. In all applications, the method described provides a simple and efficient way to avoid the mechanisms of degradation and to allow a long life of the fuel cell stack.
Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nun in ihrer Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, welches elektrische Leistung zum Antreiben eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitstellt. Ein solches Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für ein Fahrzeug ist im Normalfall den typischerweise auftretenden Anforderungen eines Fahrzeugs an den herkömmlichen Fahrbetrieb ausgesetzt. Fahrzeuge zeichnen sich dabei, insbesondere beim Einsatz beispielsweise im Stadtverkehr, dadurch aus, dass diese häufig im Leerlauf betrieben werden, da sie beispielsweise ausrollen, an einer Ampel stehen oder dergleichen. All diese Situationen sind für die Lebensdauer der Brennstoffzelle potenziell kritisch, da es hierbei zu den oben ausführlich beschriebenen Problemen kommen kann. Da das erfindungsgemäße Verfahren mit minimalem Aufwand in der Lage ist, diesen Problemen entgegenzuwirken, ist es insbesondere für den Einsatz in solchen Brennstoffzellensystemen, welche vergleichsweise dynamisch betrieben werden, und welche häufig auch im Leerlaufbetrieb eingesetzt werden müssen, von besonderem Vorteil. The particularly preferred use of the method according to the invention is now its application in a fuel cell system which provides electrical power for driving an at least partially electrically driven vehicle. Such a fuel cell system for providing electrical drive power for a vehicle is normally exposed to the typically occurring requirements of a vehicle to the conventional driving operation. Vehicles are characterized, in particular when used for example in city traffic, the fact that they are often operated at idle, as they roll out, for example, stand at a traffic light or the like. All of these situations are potentially critical to the life of the fuel cell, as this can lead to the problems described in detail above. Since the inventive method with minimal effort is able to counteract these problems, it is particularly advantageous for use in such fuel cell systems, which are operated relatively dynamically, and which often have to be used in idle mode.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figure.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Fahrzeug mit einem darin angeordneten beispielhaften Brennstoffzellensystem.The sole accompanying figure shows a vehicle having an exemplary fuel cell system disposed therein.
In der einzigen Figur ist ein Fahrzeug
Die Kathodenseite wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird dabei beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Luftfilter von einem Strömungsverdichter
Bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem
Ein Problem des Strömungsverdichters
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems
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