DE102015208920A1

DE102015208920A1 - Verfahren zum Einstellen eines Betriebsgasstroms in einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015208920A1
Application number: DE102015208920.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Bach; Samuel Yew
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2016-11-17
Also published as: US20160336610A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Betriebsgasstroms in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (10), einen Versorgungspfad (21) zur Zuführung von Betriebsgas zum Brennstoffzellenstapel (10), einen Abgaspfad (22) zur Abführung des Betriebsgases vom Brennstoffzellenstapel (10), sowie eine Rezirkulationsleitung (25) mit einer Fördereinheit (1) aufweist, die den Versorgungspfad (21, 31) und den Abgaspfad miteinander verbinden, sowie ein Brennstoffzellensystem (100) welches eingerichtet ist das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: – Messen eines Drucks p1 und einer Temperatur T1 im Versorgungspfad (21) stromauf einer Einmündungsstelle (2) der Rezirkulationsleitung in den Versorgungspfad (21), – Messen eines Drucks p2 und einer Temperatur T2 in der Rezirkulationsleitung (25) stromauf der Einmündungsstelle (2), – Messen eines Drucks p3 und einer Temperatur T3 im Versorgunsgpfad (27) stromab der Einmündungsstelle (2), – Bestimmen eines Rezirkulationsverhältnisses (x) aus den Parametern T1, T2, T3, p1, p2 und p3, – Einstellen des Betriebsgasstroms durch die Rezirkulationsleitung (25) in Abhängigkeit des Rezirkulationsverhältnisses (x).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Betriebsgasstroms in einem Brennstoffzellensystem, sowie ein Brennstoffzellensystem zum Ausführen des Verfahrens.
Brennstoffzellenstapel produzieren elektrische Energie durch die Reaktion von Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) aus einer Speichervorrichtung oder einem Versorgungsnetz mit Sauerstoff, beispielsweise aus Umgebungsluft. Dabei wird an einer Kathodenseite dem Stapel Sauerstoff und an einer Anodenseite dem Stapel Brennstoff zugeführt.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die Membran-Elektroden-Einheiten sind halbdurchlässig und ermöglichen unter anderem Stickstoff und Wasserdampf von der Kathodenseite zur Anodenseite zu diffundieren. Dieser Stickstoffübertritt führt zu einer Verdünnung des Anodenbetriebsgases im Anodenabgaspfad. Steigt die Stickstoffkonzentration über einen gewissen Prozentsatz, sinkt die Effizienz der Brennstoffzelle.
Es wird angestrebt, die Brennstoffverteilung in den Anodenströmungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel für einen richtigen Betrieb des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen konstant zu halten. Daher wird dem Brennstoffzellenstapel herkömmlich mehr Brennstoff zugeführt, als rechnerisch für eine bestimmte Ausgangslast des Stapels notwendig ist, um eine gleichmäßige Anodengasverteilung zu erzielen.
Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig über eine Rezirkulationsleitung in einem Kreislauf geführt (rezirkuliert), so dass vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann.
Um den Brennstoffzellenstapel unter optimierten Bedingungen zu betreiben und die Systemleistungsfähigkeit zu maximieren, sollte neben einer überstöchiometrischen Menge Brennstoff in der Anodenversorgung eine definierte Rezirkulationsrate erzielt werden. Dabei ist die Rezirkulationsrate ein Maß für die Anzahl der Durchläufe des Betriebsgases durch die Rezirkulationsleitung. Zur Bestimmung der Rezirkulationsrate müsste der Durchfluss von Brennstoff durch die Rezirkulationsleitung bestimmt werden. Bislang sind jedoch weder Konzentrationssensoren bekannt, die für übliche Brennstoffe, insbesondere Wasserstoff, geeignet sind, noch stehen Durchflusssensoren zur Verfügung, die unter den feuchten Bedingungen im Brennstoffzellensystem zuverlässig sind.
Liegt der Brennstoff zur Anreicherung unter Druck vor, kann dieser beispielsweise mittels einer Treibdüse zur Anreicherung bereitgestellt werden, so dass die Treibdüse zudem bewirkt, dass der Kreislauf angetrieben und der verbliebene Brennstoff rezirkuliert wird. Ein Beispiel für ein Brennstoffzellensystem mit Treibdüse ist in der Schrift EP 1421639 B1 offenbart. Eine weitere Möglichkeit, den verbliebenen Brennstoff zu rezirkulieren, besteht in der Verwendung elektromotorisch angetriebener Gebläse, sogenannten HRBs.
Daher ist eine direkte Steuerbarkeit des Betriebsgasstroms nicht möglich. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems ist in DE 10 2009 019 838 B4 ein Verfahren zur Berechnung der Rezirkulationsrate offenbart, welches die Drücke des Anodenbetriebsgases in unterschiedlichen Bereichen der Anodenversorgung in Beziehung setzt.
Der Druck des Betriebsgases ist von weiteren Faktoren, insbesondere von der Temperatur und der Brennstoffkonzentration, abhängig, welche innerhalb der Anodenversorgung variieren und zusätzlich von dem beschriebenen Stickstoffübertritt stark beeinflusst werden. Dies macht die aus dem Stand der Technik bekannten Berechnungsmodelle sehr fehleranfällig. Aufgrund des komplexen Aufbaus der bekannten Modelle führen auch kleinere Fehler zu hohen Diskrepanzen zwischen der berechneten und der tatsächlichen Rezirkulationsrate.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen eines Betriebsgasstroms bereitzustellen, welches die Probleme des Standes der Technik löst. Insbesondere soll der Betriebsgasstrom zuverlässig und mit möglichst wenig Aufwand den variierenden Parametern nachführbar sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Einstellen eines Betriebsgasstroms in einem Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel, einen Versorgungspfad zur Zuführung von Betriebsgas zum Brennstoffzellenstapel, einen Abgaspfad zur Abführung des Betriebsgases vom Brennstoffzellenstapel, sowie eine Rezirkulationsleitung mit einer Fördereinheit zur Förderung des Betriebsgasstroms auf, die den Versorgungspfad und den Abgaspfad miteinander verbinden. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die Schritte

– ein Messen eines Drucks p₁ und einer Temperatur T₁ im Versorgungspfad stromauf einer Einmündungsstelle der Rezirkulationsleitung in den Versorgungspfad,
– ein Messen eines Drucks p₂ und einer Temperatur T₂ in der Rezirkulationsleitung stromauf der Einmündungsstelle,
– Messen eines Drucks p₃ und einer Temperatur T₃ im Versorgungspfad stromab der Einmündungsstelle,
– ein Bestimmen eines Rezirkulationsverhältnisses (x) in Abhängigkeit der Parameter T₁, T₂, T₃, p₁, p₂ und p₃, sowie
– ein Einstellen des Betriebsgasstroms, insbesondere einer Rezirkulationsrate, durch die Rezirkulationsleitung in Abhängigkeit des Rezirkulationsverhältnisses (x).

Das erfindungsgemäße Verfahren hat unter anderem den Vorteil, dass es den Betriebsgasstrom nicht nur einmalig einstellt sondern vielmehr, in Abhängigkeit von den Betriebsgrößen Temperatur und Druck, an verschieden Positionen im Versorgungspfad, den Bedarf des Brennstoffzellenstapels an dem betreffenden Betriebsgas bestimmt und danach den Betriebsgasstrom regelt. Damit kann die Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert und gleichzeitig die absolute Menge an Betriebsgas reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass neben den Drücken auch die im System gemessenen Temperaturen in die Bestimmung mit einbezogen werden. Dies ermöglicht die Berücksichtigung einer Konzentrationsänderung des Betriebsgases im Abgasstrom und/oder in der Rezirkulationsleitung. Darüber hinaus werden Änderungen in der Rezirkulationsrate, die auf Alterungsprozesse des Brennstoffzellenstapels zurückzuführen sind, wie beispielsweise eine Leckage von Brennstoff, zugänglich und in die Bestimmung der Rezirkulationsrate mit einbezogen. Der Betriebsgasstrom wird dann unter Berücksichtigung all dieser Parameter ein-, insbesondere nachgestellt. Dies erhöht sowohl die Leistungsstabilität des Brennstoffzellenstapels als auch den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems.
Ebenfalls vorteilhaft ist, dass die zur Bestimmung der Temperaturen und der Drücke verwendeten Sensoren im Vergleich zu Flussmessgeräten sehr zuverlässig, weit entwickelt und günstig sind.
Vorteilhafterweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Leistung des Fördermittels und die Betriebsgaskonzentration nur indirekt in die Bestimmung der Rezirkulationsrate einbezogen. Ein aufwendiges Messen dieser Größen kann somit entfallen.
Vorliegend ist die Rezirkulationsrate eine Flussrate und damit proportional zu der Menge an Betriebsgas, die pro Zeiteinheit durch die Rezirkulationsleitung strömt. Unter Rezirkulationsverhältnis wird wiederum das Verhältnis von der Rezirkulationsrate zu einer totalen Flussrate, also zur Flussrate im Versorgungspfad, insbesondere stromab der Einmündungsstelle zu verstehen.
Die Einmündungsstelle ist die Position in der Versorgungsleitung, an der die Rezirkulationsleitung in den Versorgungspfad übergeht, sich also ein Zustrom frischen Betriebsgases mit einem Zustrom zurückgeführten Abgases mischt.
Die Drücke p₁, p₂, und p₃ werden mit herkömmlichen Drucksensoren gemessen, ebenso wie die Temperaturen T₁, T₂ und T₃ mit herkömmlichen Temperatursensoren gemessen werden. Dabei sind die jeweilig korrespondierenden Sensoren, also beispielsweise der Drucksensor zur Messung von p₁ und der Temperartursensor zur Messung von T₁, mit möglichst wenig Abstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise, beispielsweise bei der Nutzung von dualen Sensoren, fallen die Messpunkte zusammen.
Um Fehler zu reduzieren erfolgt die Messung der Drücke und Temperaturen bevorzugt gleichzeitig. Die Messdaten werden an eine Steuereinheit übermittelt, in welcher ein Algorithmus zur Bestimmung des Rezirkulationsverhältnisses (x) unter Verwendung der Messdaten, hinterlegt ist. Die Steuereinheit bestimmt aus diesem Rezirkulationsverhältnis (x) mit einem weiteren Algorithmus und gegebenenfalls unter Verwendung von hinterlegten Konstanten die optimale Rezirkulationsrate (r) für den aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems und übermittelt ein entsprechendes Steuersignal an einen Aktor. Mit Hilfe des Aktors wird dann gegebenenfalls eine Variablenänderung ausgelöst und damit die Rezirkulationsrate angepasst.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Rezirkulationsverhältnis (x) in Abhängigkeit der Produkte der korrespondierenden Parameter, also in Abhängigkeit von (T₁·p₁), (T₂·p₂) und (T₃·p₃), insbesondere einem Verhältnis der Produkte zueinander, bestimmt wird, da diese zumindest indirekt einen guten Zusammenhang für die Flussrate darstellen. Vorzugsweise werden dabei die Differenzen zwischen den Messpunkten im Versorgungspfad stromab und stromauf der Einmündungsstelle ((T₃·p₃) – (T₁·p₁)), sowie den Messpunkten in der Rezirkulationsleitung und im Versorgungspfad stromauf der Einmündungsstelle ((T₂·p₂) – (T₁·p₁)) ins Verhältnis gesetzt. Somit ist insbesondere bevorzugt, dass das Rezirkulationsverhältnis (x) gemäß nachfolgender Gleichung bestimmt wird, wobei y bevorzugt eine gebrochene Zahl, insbesondere im Bereich zwischen 1,3 und 1,5 ist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fördereinheit in der Rezirkulationsleitung im Bereich der Einmündungsstelle angeordnet ist. Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass die Strecke der Rezirkulationsleitung zwischen Einmündungsstelle und Fördereinheit möglichst kurz ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Position der Fördereinheit und die Einmündungsstelle zusammenfallen. Bei der Fördereinheit handelt es sich beispielsweise um einen passiven Antrieb wie eine Strahlpumpe oder Treibdüse, bei der der Betriebsgasstrom aus der Rezirkulationsleitung aufgrund des durchströmenden Betriebsgases aus der Versorgungsleitung angesaugt wird. Alternativ werden aktive, also durch externe Energiezufuhr betriebene, Gebläse, wie beispielsweise HRBs, zum Antrieb des Betriebsgasstroms verwendet.
Mit besonderem Vorteil werden T₂ und p₂ stromauf der Fördereinheit gemessen, insbesondere dann, wenn die Position der Fördereinheit nicht mit der Einmündungsstelle zusammenfällt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in einer höheren Genauigkeit der berechneten und der tatsächlichen Rezirkulationsrate.
Da der Brennstoff häufig deutlich teurer als das Oxidationsmittel (Bspw. Luft) und Wirkungsgradbestimmend ist, wird das Verfahren bevorzugt in der Anodenversorgung angewendet, so dass das Betriebsgas bevorzugt Brennstoff, insbesondere Wasserstoff ist.
Der Betriebsgasstrom, insbesondere die Rezirkulationsrate, können an unterschiedlichen Positionen in der Betriebsgasversorgung eingestellt, beziehungsweise geregelt, werden. So wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Betriebsgasstrom mittels Variation eines Stellmittels der Fördereinheit, mittels eines Stellmittels im Abgaspfad, eines Stellmittels in der Rezirkulationsleitung, insbesondere stromauf der Fördereinheit, oder mittels eines Stellmittels im Versorgungspfad eingestellt.
Alternativ wird der Betriebsgasstrom durch Variation des Drucks p₁ im Versorgungspfad eingestellt. Dies bietet sich insbesondere bei der Verwendung von Strahlpumpen als Fördereinheit an.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Ein derartiges Brennstoffzellensystem weist insbesondere eine Steuereinheit auf, in der ein Algorithmus zur Berechnung der Rezirkulationsrate gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, hinterlegt ist. Ferner weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem Leitungen zur Übertragung von Steuersignalen von Temperatur- und/oder Drucksensoren und zu Aktoren zur Regelung der Rezirkulationsrate auf.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, und
2 eine schematische Darstellung einer Anodenversorgung als Detail des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise ein kohlenstoffbasiertes Material, geträgert vorliegt. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine mit 15 angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoffrezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet und an einer Einmündungsstelle 2 in den Anodenversorgungspfad 21 mündet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 25 ist eine Fördereinheit 1 für Brennstoff, sowie ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 36 ausgestatteten Elektromotor 35 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 40 unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 40 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathodenabgases und somit eine Absenkung seines Drucks bewirkt.
Die Kathodenversorgung 30 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, den Betriebsdruck des Kathodenbetriebsmediums kurzfristig im Brennstoffzellenstapel 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 43 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Membranbefeuchter 39 auf. Der Membranbefeuchter 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Membranbefeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
In 2 ist der erfindungswesentliche Teil des Brennstoffzellensystems 100 am Beispiel einer Anodenversorgung 20 im Detail gezeigt. In dieser Ausführungsform ist die Fördereinheit 1 als Strahlpumpe ausgeführt und an der Einmündungsstelle 21 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann die Fördereinheit 1 als Gebläse, insbesondere als HRB (Hydrogen recirculation blower) ausgestaltet sein und/oder in der Rezirkulationsleitung 25 stromauf der Einmündungsstelle 2 angeordnet sein. In der Anodenversorgung 20 sind Sensoren 4 zur Messung von Druck und Temperatur angeordnet, dabei kann es sowohl um kombinierte Temperatur-/Drucksensoren als auch um separate Sensoren 4 handeln. Derartige Sensoren 4 sind an zumindest drei Positionen in der Anodenversorgung 20 angeordnet, nämlich im Anodenversorgungspfad stromab und stromauf der Einmündungsstelle 2 sowie in der Rezirkulationsleitung 25 stromauf der Einmündungsstelle 2.
Die 2 beschreibt ein erfindungsgemäßes Betriebssystem 100 nur exemplarisch am Beispiel eine Anodenversorgung 20 und kann sinngemäß auf eine Kathodenversorgung 30 angewendet werden.
Das in den 1 und 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 ist geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Hierbei wird kontinuierlich, bei Bedarf oder in definierten Intervallen mittels der Sensoren 4 die Temperatur und der Druck im Versorgungspfad gemessen. Die Messwerte werden mittels der Steuersignale 6 an die Steuereinheit 5 übergeben. In der Steuereinheit wird mittels des erfindungsgemäßen Algorithmus mittels Bestimmen des Rezirkulationsverhältnisses die Rezirkulationsrate bestimmt. Weicht der Ist-Wert von einem definierten Soll-Wert ab, so ergeht ein Steuersignal 7 an einen Aktor im System. Dieser kann wie dargestellt die Fördereinheit 2 selbst sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Rezirkulationsrate über die Stellmittel 24 und 26 eingestellt werden, wobei diese ein entsprechendes Steuersignal 7 erhalten.
Es hat sich gezeigt, dass im laufenden Betrieb eine Überwachung der Temperaturparameter T₃ und T₂ und insbesondere die Ermittlung einer Differenz T₃ – T₂ eine minimal einzuhaltende Rezirkulationsrate als Sollgröße definieren kann. Bevorzugt ist die minimal einzuhaltende Rezirkulationsrate dann stets größer als die Differenz (T₃ – T₂).
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
1: Fördereinheit
2: Einmündungsstelle
4: Sensor
5: Steuereinheit
6, 7: Steuersignal
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Polymerelektrolytmembran
15: Bipolarplatte
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad stromauf der Einmündungsstelle
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Stellmittel
27: Anodenversorgungspfad stromab der Einmündungsstelle
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Membranbefeuchter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1421639 B1 [0008]
DE 102009019838 B4 [0009]

Claims

Verfahren zum Einstellen eines Betriebsgasstroms in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (10), einen Versorgungspfad (21) zur Zuführung von Betriebsgas zum Brennstoffzellenstapel (10), einen Abgaspfad (22) zur Abführung des Betriebsgases vom Brennstoffzellenstapel (10), sowie eine Rezirkulationsleitung (25) mit einer Fördereinheit (1) zur Förderung eines Betriebsgasstroms aufweist, die den Versorgungspfad (21) und den Abgaspfad (22) miteinander verbinden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Messen eines Drucks p₁ und einer Temperatur T₁ im Versorgungspfad (21) stromauf einer Einmündungsstelle (2) der Rezirkulationsleitung (25) in den Versorgungspfad (21), – Messen eines Drucks p₂ und einer Temperatur T₂ in der Rezirkulationsleitung (25) stromauf der Einmündungsstelle (2), – Messen eines Drucks p₃ und einer Temperatur T₃ im Versorgunsgpfad (27) stromab der Einmündungsstelle (2), – Bestimmen eines Rezirkulationsverhältnisses (x) in Abhängigkeit der Parameter T₁, T₂, T₃, p₁, p₂ und p₃, und – Einstellen des Betriebsgasstroms durch die Rezirkulationsleitung (25) in Abhängigkeit des Rezirkulationsverhältnisses (x).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsverhältnis (x) in Abhängigkeit der Produkte (T₁·p₁), (T₂·p₂) und (T₃·p₃) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsverhältnis (x) gemäß
bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinheit (1) in der Rezirkulationsleitung (25) im Bereich der Einmündungsstelle (2) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass T₂ und p₂ stromauf des Fördereinheit (1) gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgas ein Anodengas, insbesondere Wasserstoff, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsgasstrom mittels Variation eines Stellmittels der Fördereinheit (1), mittels eines Stellmittels im Abgaspfad, mittels eines Stellmittels (26) in der Rezirkulationsleitung (25), insbesondere stromauf der Fördereinheit (1), oder mittels eines Stellmittels (24) im Versorgungspfad (21, 31) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsgasstrom durch Variation des Drucks p₁ im Versorgungspfad (21) eingestellt wird.
Brennstoffzellensystem (100) das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine Steuereinheit (5) mit einem Algorithmus zur Berechnung des Betriebsgasstroms nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst.