DE102014104380B3 - A method of operating a blower to deliver hydrogen in a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Es sind Verfahren zum betreiben eines Gebläses (12) zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Förderrad des Gebläses (12) durch einen Elektromotor (17) angetrieben wird und nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems der Elektromotor (17) in einer Abschaltprozedur zumindest zeitweise weiterbetrieben wird, bekannt. Diese nutzen zur Sicherstellung eines Anlaufs üblicherweise entweder Spülgas oder eine Heizung. Um diesen zusätzlichen Aufwand zu vermeiden wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass nach dem Abschalten 0des Brennstoffzellensystems in einem ersten Schritt die Bestromung des Elektromotors (17) über einen festgelegten Zeitraum unterbrochen wird und in einem zweiten Schritt der Elektromotor (17) zur Erzeugung einer Bewegung des Gebläses (12) bestromt wird, wobei der erste und zweite Schritt mehrmals hintereinander wiederholt werden.There are methods for operating a fan (12) for the promotion of hydrogen in a fuel cell system, wherein during operation of the fuel cell system, a delivery wheel of the blower (12) by an electric motor (17) is driven and after switching off the fuel cell system, the electric motor (17) in a shutdown procedure is continued at least temporarily, known. These usually use either purge gas or a heater to ensure a start-up. In order to avoid this additional expense, it is proposed according to the invention that, after switching off the fuel cell system, in a first step, the energization of the electric motor (17) is interrupted for a fixed period of time and in a second step the electric motor (17) for generating a movement of the fan ( 12) is energized, wherein the first and second steps are repeated several times in succession.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem, wobei im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Förderrad des Gebläses durch einen Elektromotor angetrieben wird und nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems der Elektromotor in einer Abschaltprozedur zumindest zeitweise weiterbetrieben wird.The invention relates to a method for operating a blower for the promotion of hydrogen in a fuel cell system, wherein during operation of the fuel cell system, a delivery wheel of the blower is driven by an electric motor and after switching off the fuel cell system, the electric motor is operated at least temporarily in a shutdown procedure.
Wasserstoffgebläse werden zur Zirkulation von Wasserstoff mit einem zumeist hohen Wasseranteil in den Anodengaskreisläufen von Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Diese Brennstoffzellensysteme dienen zur Umwandlung von chemischer Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff und eines Oxidationsmittels, zumeist Sauerstoff, in elektrische Energie, die beispielsweise als Antriebsenergie für Fahrzeuge verwendet werden kann. Der Antrieb dieser Gebläse erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden.Hydrogen blowers are used for the circulation of hydrogen with a mostly high water content in the anode gas circuits of fuel cell systems. These fuel cell systems serve to convert chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, in particular hydrogen and an oxidant, usually oxygen, into electrical energy, which can be used, for example, as drive energy for vehicles. The drive of these blowers usually takes place via electric motors which are supplied with voltage via the vehicle battery during operation in vehicles.
Im abgeschalteten Zustand der Brennstoffzellensysteme setzt sich bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Wasseranteil an den Verrohrungen des Systems aber auch an den rotierenden Teilen des Gebläses wie Lager, Welle oder Laufrad ab. Bei einem Neustart des Brennstoffzellensystems kann dies bei zu großer Eisbrückenbildung zu einem Blockieren des Motors führen, wodurch ein Anlauf des Systems verhindert wird.When the fuel cell systems are switched off, the water content at the system piping but also at the rotating parts of the fan such as the bearing, shaft or impeller settles at low ambient temperatures. At a restart of the fuel cell system, this can lead to a blockage of the engine at too much ice bridge formation, whereby a startup of the system is prevented.
Zur Lösung dieses Problems wurde zunächst vorgeschlagen, mittels eines trockenen Spülgases das Wasser aus dem System auszutreiben. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der
Um zu verhindern, dass zusätzliche Spülgase transportiert werden müssen, was insbesondere bei mobilen Anwendungen zu einem unerwünschten zusätzlichen Aufwand führt, sind verschiedene Verfahren bekannt geworden, mit denen eine solche Eisbrückenbildung ohne die Verwendung zusätzlicher Spülgase verhindert oder aufgebrochen werden soll. Dabei ist zwischen Verfahren zu unterscheiden, bei denen vor dem Start des Systems die Eisbildung aufgehoben werden soll und solchen Verfahren, die entsprechende Prozeduren beim Abschalten des Systems durchführen.In order to prevent additional purge gases must be transported, which leads to an undesirable additional expense especially in mobile applications, various methods have become known with which such ice bridge formation without the use of additional purge gases to be prevented or broken. A distinction must be made between methods in which ice formation is to be abolished before the system is started and those methods which carry out corresponding procedures when switching off the system.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Festfrieren der sich drehenden Bauteile des Gebläses und des damit verbundenen Elektromotors vermieden werden kann, ohne dass weitere Bauteile benötigt werden oder ein erhöhter montagetechnischer Aufwand entsteht. Des Weiteren soll im Vergleich zu bekannten Ausführungen der Energieaufwand reduziert werden und eine Förderung des Wasserstoffs ohne Aufwärmzeit unmittelbar nach Start des Systems ermöglicht werden.It is therefore an object of the invention to provide a method for operating a blower for the promotion of hydrogen in a fuel cell system, with the freezing of the rotating components of the fan and the associated electric motor can be avoided without further components are needed or a increased mounting effort arises. Furthermore, in comparison with known designs, the energy consumption is to be reduced and a delivery of the hydrogen without warm-up time immediately after the start of the system is made possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method for operating a blower for conveying hydrogen in a fuel cell system with the features of the
Dadurch, dass nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems in einem ersten Schritt die Bestromung des Elektromotors unterbrochen wird bis das Förderrad des Gebläses still steht und in einem zweiten Schritt der Elektromotor zum Antrieb des Gebläses bestromt wird, wobei der erste und zweite Schritt mehrmals hintereinander wiederholt werden, wird erreicht, dass der Elektromotor und damit das Förderrad der Pumpe immer wieder zu einem Zeitpunkt bewegt werden, zu dem sich ein erster Eisfilm im Bereich der rotierenden Teile entwickeln kann. Dieser Eisfilm ist jedoch zu diesem Zeitpunkt jeweils noch dünn genug, um durch einfaches Anlaufenlassen des Elektromotors durch Bestromung aufgebrochen zu werden. Entsprechend werden die sich bildenden Brücken so lange aufgebrochen bis keine weitere Eisbildung an den sich drehenden Teilen mehr zu erwarten ist. So wird sichergestellt, dass sich das gesamte gefrierende Wasser in Bereichen absetzt, die keine Auswirkung auf die Rotation der Gebläseteile haben. So wird ein unmittelbarer Anlauf bei Neustart des Brennstoffzellensystems ermöglicht, ohne Aufheizenergie aufwenden zu müssen oder Spülgas verwenden zu müssen.Characterized in that after switching off the fuel cell system in a first step, the energization of the electric motor is stopped until the impeller of the fan is stationary and in a second step, the electric motor is energized to drive the fan, the first and second steps are repeated several times in succession, is achieved that the electric motor and thus the pump feed wheel are always moved at a time at which a first ice film can develop in the rotating parts. However, this ice film is still thin enough at this time to be broken by energizing simply by starting the electric motor. Accordingly, the forming bridges are broken up until no further ice formation on the rotating parts is expected. This ensures that all freezing water settles in areas that have no effect on the rotation of the fan parts. Thus, a direct start is possible when restarting the fuel cell system, without having to spend heating energy or using purge gas.
Vorzugsweise werden im zweiten Schritt jeweils nur ein oder zwei Phasen des Elektromotors bestromt, so dass dieser jeweils nur eine Drehung von etwa 30° bis 180° vollzieht. Ein Anlauf des Elektromotors ist nicht erforderlich, da eine Förderung des Gases nicht erwünscht ist, sondern lediglich die rotierenden Teile freigebrochen werden sollen. So wird die benötigte Energie besonders gering gehalten.Preferably, only one or two phases of the electric motor are energized in the second step, so that it only completes a rotation of approximately 30 ° to 180 °. A start of the electric motor is not required because a promotion of the gas is not desirable, but only the rotating parts to be broken free. This keeps the energy required low.
Vorteilhafterweise beträgt der festgelegte Zeitraum im ersten Schritt 3 bis 30 Sekunden. In diesem Zeitraum ist eine lösbare Eisbrückenbildung zu erwarten, so dass der Energieeintrag bei Sicherung einer Drehbarkeit des Gebläses beim Neustart des Systems erreicht wird.Advantageously, the fixed period in the first step is 3 to 30 seconds. In this period, a releasable ice bridge is expected, so that the energy input is achieved in securing a rotation of the fan when restarting the system.
Vorzugsweise wird die Abschaltprozedur bei einer Gebläsetemperatur von unter 2°C gestartet, da ab dieser Temperatur mit einer Eisbildung zu rechnen ist. Bei höheren Temperaturen kann somit auch die Energie für die folgenden Starts des Elektromotors eingespart werden.Preferably, the shutdown procedure is started at a fan temperature of less than 2 ° C, since from this temperature is to be expected with an ice formation. At higher temperatures, the energy for the subsequent starts of the electric motor can thus be saved.
Des Weiteren wird die Abschaltprozedur bei einer Gebläsetemperatur von unter –5°C gestoppt, da bei Erreichen dieser Temperatur nach Abschalten des Brennstoffzellensystems davon ausgegangen werden kann, dass das gesamte im System vorhandene Wasser gefroren ist.Furthermore, the shut-off procedure is stopped at a fan temperature of below -5 ° C, since on reaching this temperature after switching off the fuel cell system it can be assumed that all the water present in the system is frozen.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird die Abschaltprozedur nach einer definierten Zeit beendet. Hierzu wird ein sinnvoller Zeitraum festgelegt, nach dessen Ablauf mit einem vollständigen Übergang des Wassers in den festen Aggregatzustand auszugehen ist. Ein solcher Zeitraum kann beispielsweise etwa 5 Minuten betragen.In an alternative embodiment of the method, the switch-off procedure is ended after a defined time. For this purpose, a meaningful period is set, after the expiration of a complete transition of the water in the solid state of matter is assumed. For example, such a period may be about 5 minutes.
Alternativ kann die Abschaltprozedur auch beendet und der Elektromotor nicht mehr bestromt werden, wenn das im Brennstoffzellensystem befindliche Wasser vollständig in den festen Aggregatzustand übergegangen ist. Um dies festzustellen, kann im Anodengaskreislauf ein Feuchtigkeitssensor angeordnet werden, der den Wasseranteil im Gas im Anodenkreislauf misst, wobei bei Unterschreiten eines definierten Wasseranteils im Gas davon ausgegangen wird, dass das Wasser vollständig in den festen Aggregatzustand übergegangen ist.Alternatively, the switch-off procedure can also be terminated and the electric motor can no longer be energized if the water present in the fuel cell system has completely changed to the solid state of matter. To determine this, a moisture sensor can be arranged in the anode gas cycle, which measures the water content in the gas in the anode circuit, is assumed when falling below a defined water content in the gas that the water has completely gone into the solid state.
Des Weiteren kann vorteilhafterweise in einer Steuereinheit des Elektromotors ein Kennfeld hinterlegt sein, in dem ein Zeitpunkt zum Beenden der Abschaltprozedur in Abhängigkeit einer gemessenen Außentemperatur und eines Wasseranteils im Gas zum Zeitpunkt der Abschaltung des Brennstoffzellensystems festgelegt wird.Furthermore, advantageously, a characteristic field can be stored in a control unit of the electric motor, in which a time for terminating the switch-off procedure is determined as a function of a measured outside temperature and a water content in the gas at the time of switching off the fuel cell system.
Auch ist es alternativ möglich, die zum Anfahren des Elektromotors gemäß Schritt 2 notwendige Stromstärke oder Zeit zur Erzeugung einer Drehung des Rotors des Elektromotors nach dem erstmaligen Abschalten gemäß Schritt 1 zu messen und bei Unterschreiten eines Stromstärkenschwellwertes oder eines festgelegten Bestromungszeitraums zur Erzeugung einer Bewegung des Rotors des Elektromotors die Abschaltprozedur zu beenden. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich bei jeder Bestromung eine geringe Eisschicht an den sich drehenden Teilen bildet, welche bei Bestromung aufgebrochen werden muss, so dass sich die Bestromungsdauer oder Stärke zur Erzeugung der Drehung im Vergleich zum Freilauf erhöht. Liegt die Dauer oder Stärke der Bestromung im gleichen Bereich wie im Leerlauf kann auf eine abgeschlossene Eisbrückenbildung geschlossen werden. So wird für jeden Zustand lediglich eine minimale Anzahl an Bestromungsdurchgängen gemäß der Schritte 1 und 2 durchgeführt und gleichzeitig ein schneller Anlauf bei Neustart sichergestellt.Also, it is alternatively possible to measure the current required for starting the electric motor according to step 2 current or time for generating a rotation of the rotor of the electric motor after the first shutdown according to
Es wird somit ein Verfahren zum Betreiben eines Gebläses zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem geschaffen, mit welchem bei minimalem Energieaufwand, ohne die Verwendung zusätzlicher Bauteile oder Heizelemente ein unmittelbarer Anlauf des Gebläses bei Neustart des Systems sichergestellt wird.There is thus a method for operating a blower to promote hydrogen in a fuel cell system, with which with minimal energy consumption, without the use of additional components or heating elements, an immediate start-up of the fan is ensured when restarting the system.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Figur im Folgenden beschrieben.An embodiment of the method according to the invention will be described below with reference to the figure.
In der
Die für die Erfindung nicht wesentlichen Teile der drei Kreisläufe
Auf der Anodenseite
Bei diesen Reaktionen wird der zur Verfügung gestellte Wasserstoff nicht vollständig verbraucht, so dass über eine Rückführleitung
Die nicht zurückgeführten Abgase der Anodenseite
Die Abgase der Kathodenseite
Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems kondensiert üblicherweise der im Anodengaskreislauf
Aus diesem Grund wird nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems eine Abschaltprozedur für das Gebläse
Zunächst wird in einem ersten Schritt der Elektromotor
Das durch die Bewegung im Bereich der Spalte aufgebrochene Eis wird durch die Bewegung des Förderrades in weiter vom Förderrad entfernte Bereiche geschleudert.The broken up by the movement in the area of the column ice is thrown by the movement of the feed wheel in further from the feed wheel remote areas.
Anschließend wird überprüft, ob die Temperatur im Bereich des Gebläses
Ist die Temperatur im Bereich des Gebläses
Diese Vorgänge wiederholen sich im Folgenden bis entweder die Temperatur unter –5°C fällt oder eine Maximallaufzeit der Abschaltprozedur von beispielsweise 5 Minuten erreicht ist. Nach Ablauf dieser Zeit oder Erreichen dieser Temperatur kann davon ausgegangen werden, dass das Wasser im System vollständig gefroren ist, jedoch ohne dass dieses Wasser sich zwischen den drehenden und den stillstehenden Teilen des Gebläses
Ein Beenden der Abschaltprozedur kann auch auf andere Weise erfolgen. So ist es möglich, im Bereich des Gebläses
Des Weiteren ist es möglich, die zur Drehung des Elektromotors
In allen Fällen besteht beinahe kein konstruktiver Aufwand und nur ein sehr geringer Energiebedarf, um einen unmittelbar folgenden Anlauf des Gebläses bei Einschaltung des Brennstoffzellensystems sicher zu stellen.In all cases, there is almost no design effort and only a very low energy consumption to ensure an immediate subsequent start-up of the fan when switching on the fuel cell system.
Selbstverständlich sind auch andere Bedingungen zum Starten oder Beenden dieser erfindungsgemäßen Abschaltprozedur denkbar, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Auch die im Ausführungsbeispiel beschriebenen Wartezeiten und Temperaturschwellen sind gegebenenfalls anpassbar und von den äußeren Bedingungen abhängig. So wäre es denkbar, die Wartezeit zwischen den einzelnen Bestromungen in Abhängigkeit der Außentemperaturen zu verlängern oder zu verkürzen oder auch längere Bestromungszeiten für den Stator des Elektromotors zu wählen, so dass dieser mehr als nur eine Teildrehung vollzieht.Of course, other conditions for starting or terminating this shutdown procedure according to the invention are conceivable without departing from the scope of the main claim. The waiting times and temperature thresholds described in the exemplary embodiment are optionally adaptable and dependent on the external conditions. Thus, it would be conceivable to extend or shorten the waiting time between the individual energizations depending on the outside temperatures or to choose longer energizing times for the stator of the electric motor, so that it performs more than just a partial rotation.
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