-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration im vermischten anodenseitigen und kathodenseitigen Abgas einer Brennstoffzelle. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung des Verfahrens.
-
Bei Brennstoffzellen, insbesondere bei Brennstoffzellen, welche in Brennstoffzellensystemen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für Fahrzeuge eingebaut sind, spielt die Einhaltung von Grenzwerten bezüglich der Emissionen von Wasserstoff eine entscheidende Rolle. Typischerweise wird bei heutigen Systemen der auf der Anodenseite übrigbleibende Restwasserstoff vermischt mit der kathodenseitigen Abluft in die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben. Durch die Abluft ist dabei eine ausreichende Verdünnung gewährleistet, sodass die Grenzwerte eingehalten werden und sicherheitskritische Wasserstoffkonzentrationen im Allgemeinen nicht zu befürchten sind. Dennoch ist es so, dass zur Einhaltung dieser vorgeschriebenen Wasserstoffkonzentrationen, eine geeignete Messtechnik vorhanden sein muss, um sicherheitskritische Wasserstoffkonzentrationen in jeden Fall zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Typischerweise sind dabei definierte Grenzwerte für die Wasserstoffemissionen so vorgegeben, dass im zeitlichen Mittel über drei Sekunden die Wasserstoffkonzentration in jedem Fall unter 4 Vol.-% liegen muss. Spitzenwerte müssen dabei in jedem Fall unter 8 Vol.-% bleiben.
-
Um diese Grenzwerte zu überwachen, sind nun typischerweise Wasserstoffsensoren in der Abgasstrecke eines Brennstoffzellensystems, beispielsweise bei einem Fahrzeug im Bereich des Endschalldämpfers, angeordnet. Dadurch dass in der Brennstoffzelle zusammen mit dem Abgas das dort entstandene Wasser mit ausgetragen wird, liegen typischerweise feuchte Umgebungsbedingungen im Bereich des Wasserstoffsensors vor. Diese sind für die Messgenauigkeit und die Langlebigkeit des Wasserstoffsensors äußerst kritisch. So ist es derzeit so, dass nur einige sehr wenige Hersteller in der Lage sind, einen Wasserstoffsensor anzubieten, welcher bei ausreichender Messgenauigkeit eine akzeptable Lebensdauer erzielt. Dies macht die Sensoren entsprechend teuer und verursacht einen hohen Wartungsaufwand, da die Wasserstoffsensoren typischerweise nicht die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems beziehungsweise eines damit ausgerüsteten Fahrzeugs erreichen.
-
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der
JP 2004-281132 A ist es bekannt, dass zur Leckageüberwachung eines Brennstoffzellensystems anstelle eines Sensors eine Berechnung der Wasserstoffmenge, welche in dem System durch Leckagen verloren geht, tritt. Hierfür wird die dem System zugeführte Wasserstoffmenge und die von der Brennstoffzelle verbrauchte Wasserstoffmenge, welche sich beispielsweise anhand der erzeugten elektrischen Leistung bestimmen lässt, ermittelt. Bleibt zwischen diesen beiden ermittelten Werten ein positiver Differenzwert übrig, welcher größer als ein Minimalwert, welcher bauliche Toleranzen und Berechnungstoleranzen berücksichtigt, ist, dann wird von einer Leckage ausgegangen und es kann beispielsweise eine Warnmeldung erzeugt werden. Ferner ist es aus der
JP 2008-257990 A bei einem Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle und einen Verbrenner für den Wasserstoff aufweist, bekannt, über Druckdifferenzen in den Leitungen eine Berechnung ähnlich dem zuvor genannten Stand der Technik zu verbessern, um so die Steuerung eines Wasserstoffablassventils beziehungsweise die durch dieses Ventil abgelassene Wasserstoffmenge durch die entsprechende Simulation unter Berücksichtigung der gemessenen Druckwerte zu errechnen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration in vermischten anodenseitigen und kathodenseitigen Abgas einer Brennstoffzelle anzugeben, welches insbesondere auf den teuren und störanfälligen Wasserstoffsensor in der Abgasstrecke verzichten kann.
-
Erfindungsgemäß wird ein solches Verfahren, welches ohne einen Wasserstoffsensor die Wasserstoffkonzentration in dem Abgas ermitteln kann, durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie eine besonders bevorzugte Verwendung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Wasserstoffmenge, die anodenseitig aus der Brennstoffzelle abströmt, anhand der, der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoffmenge und der durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle verbrauchte Wasserstoffmenge errechnet und rechnerisch ins Verhältnis zur kathodenseitigen Abluftmenge gesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also die bekannte, der Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoffmenge, welche in dem Steuerungssystem der Brennstoffzelle durch die Ansteuerung der Wasserstoffdosierung bekannt ist, und subtrahiert von dieser bekannten zugeführten Wasserstoffmenge die Menge an Wasserstoff, welche durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht wird. Der entsprechende Wert lässt sich beispielsweise anhand der Strom- und Spannungswerte der Brennstoffzelle, welche zu Steuerungszwecken ohnehin erfasst werden, ermitteln. Anstelle der Verwendung eines Konzentrationssensors in dem vermischten anodenseitigen kathodenseitigen Abgas der Brennstoffzelle lässt sich nun diese ermittelte Überschussmengen an Wasserstoff, welche mit der kathodenseitigen Abluft in die Umgebung gelangt, ins Verhältnis zu dieser kathodenseitigen Abluft setzen, um so die Wasserstoffkonzentration in dem vermischten Abgas rechnerisch zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei außerordentlich zuverlässig und funktioniert weitaus besser und verlässlicher als ein Wasserstoff-Konzentrationssensor unter den für ihn sehr kritischen Bedingungen im Abgas. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren weitaus kostengünstiger als ein Sensor.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen.
-
So kann beispielsweise die Berechnung dadurch verbessert werden, dass sich ändernde Drücke oder im System auftretende Druckverluste zwischen der Stelle, an der Wasserstoff zudosiert wird und der Stelle, an der er in die Abluft abgegeben wird, mitberücksichtigt werden, um hierdurch Korrekturmengen an Wasserstoff zu verwenden, welche die Konzentration entsprechend erniedrigen oder erhöhen, je nach Druckänderung. Neben den im System immanenten Druckverlusten können auch Druckänderungen beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen auftreten oder aufgrund von Änderungen in der Dosierung. Auch diese können entsprechend berücksichtigt werden, insbesondere wenn geeignete Drucksensoren vorhanden sind, deren Werte ausgewertet werden können.
-
Die Abluftmenge kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee berechnet und/oder gemessen werden. Typischerweise erfolgt eine Messung der Zuluftmenge über einen Luftmassenmesser vor oder hinter der Luftfördereinrichtung. Basierend auf diesem Wert kann nun insbesondere die Abluftmenge berechnet werden, da Leckageluftmengen, welche beispielsweise über einen Systembypass strömen, welche als Lagerluft für einen Kompressor Verwendung finden, welche zur Durchspülung des Brennstoffzellengehäuses genutzt werden oder ähnliches, im Allgemeinen bekannt sind. Auf dieser Basis lässt sich die Menge an Abluft am Ausgang der Brennstoffzelle und somit letztlich auch am Ausgang aus dem Brennstoffzellensystem bestimmen. Darüber hinaus kann die geforderte Luftmenge selbstverständlich auch rein rechnerisch ermittelt werden, beispielsweise aus den Charakteristika des Kompressors und der von ihm aufgenommenen Leistung.
-
Die Wasserstoffkonzentration kann dabei grundsätzlich immer berechnet werden. Insbesondere bei der Verwendung eines Brennstoffzellensystems mit einem sogenannten Anodenkreislauf, bei welchem beispielsweise über ein sogenanntes Purge-Ventil nur von Zeit zu Zeit Wasserstoff abgelassen wird, kann es jedoch auch ausreichend sein, die Wasserstoffkonzentration immer nur dann zu berechnen, wenn Wasserstoff in die Abluft abgegeben wird. Dies verringert den notwendigen Berechnungsaufwand und spart letztendlich Rechenkapazität im Gesamtsystem ein, beziehungsweise stellt diese für anderweitige Steuerungsaufgaben zur Verfügung.
-
Wie eingangs erwähnt, ist die zuverlässige Kenntnis der Wasserstoffkonzentration in der Abluft und das Einhalten von Grenzwerten, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen von entscheidender Bedeutung, da hier ein Nachverbrennen von Wasserstoff entsprechend aufwändig wäre und da erhöhte Wasserstoffkonzentrationen, welche durch Fahrzeuge verursacht werden, typischerweise in Bereichen des öffentlichen Lebens auftreten könnten, in denen sie besonders kritisch hinsichtlich der Sicherheit von in der Umgebung anwesenden Personen sind. Das einfache, kostengünstige und zuverlässige Verfahren eignet sich daher vorzugsweise für den Einsatz zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration in dem Abgas eines Brennstoffzellensystems, welches zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingesetzt wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Verwendung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
-
Dabei zeigen:
-
1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
-
2 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug; und
-
3 eine schematische Darstellung des Berechnungsprinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem mit 2 bezeichneten angedeuteten Fahrzeug zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, beispielsweise ein Stapel von EM-Einzelzellen. Die Brennstoffzelle 3 wird daher auch als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet. Jede der Einzelzellen umfasst dabei einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich. In der Darstellung der Figuren ist rein beispielhaft ein gemeinsamer Anodenraum 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 angedeutet. Dem Kathodenraum 5 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 6, beispielsweise einem Strömungskompressor zugeführt. Die anodenseitige Versorgung der Brennstoffzelle 3 mit Wasserstoff erfolgt aus einem Druckgasspeicher 7, welcher über ein Dosier- und Regelventil 8 mit dem Anodenraum der Brennstoffzelle 3 verbunden ist. Der nicht verbrauchte Restwasserstoff strömt über eine Rezirkulationsleitung 9 aus dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 ab und strömt zurück zum Eingang des Anodenraums 4. Dieser Aufbau, welcher so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, wird auch als Anodenkreislauf 10 beziehungsweise Anodenloop bezeichnet. Um die Druckverluste auszugleichen, ist dabei eine Rezirkulationsfördereinrichtung notwendig. Diese kann beispielsweise als Gebläse ausgebildet sein. Dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient eine Gasstrahlpumpe 11 als Rezirkulationsfördereinrichtung. Diese wird von dem frischen Wasserstoff als Treibgasstrom angetrieben und saugt durch Unterdruck und Impulsaustausch das rezirkulierte Abgas aus der Rezirkulationsleitung 9 an und fördert dieses, vermischt mit dem frischen Wasserstoff zurück zum Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3.
-
In dem Anodenkreislauf 10 reichert sich mit der Zeit Wasser, Stickstoff und anderes inertes Gas an. Deshalb ist in der Rezirkulationsleitung 9 ein Wasserabscheider 12 vorgesehen. Über eine Ventileinrichtung 13 wird dieser beispielsweise von Zeit zu Zeit entleert. Neben dem Wasser kann dabei auch Gas aus dem Anodenkreislauf 10 mit abgegeben werden, um die Konzentration an inerten Gasen in dem Anodenkreislauf 10 wieder abzusenken. Unweigerlich gelangt dabei über eine Ablassleitung 14 Wasserstoff aus dem Anodenkreislauf 10. Dieser wird von der Abluft in der Abluftleitung 15, welche mit der Ablassleitung 14 zusammengeführt ist, entsprechend verdünnt. Im Normalbetrieb ist so eine ausreichende Verdünnung sichergestellt. Typischerweise gilt es dabei, Grenzwerte bezüglich der Wasserstoffemission einzuhalten. Diese Grenzwerte liegen im Allgemeinen bei weniger als 4 Vol.-% ein Wasserstoff in der Abluft über ein zeitliches Mittel von beispielsweise drei Sekunden. Spitzenwerte dürfen dabei eine Konzentration von 8 Vol.-% nicht übersteigen. Um dies sicherzustellen, ist bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik in der Abluftleitung 15, nachdem dies in der Ablassleitung 14 zusammengeführt ist, typischerweise ein Wasserstoffkonzentrationssensor angeordnet. Dieser ist jedoch entsprechend anfällig und muss daher vergleichsweise aufwendig und teuer konstruiert sein. Außerdem verursacht er einen nicht unerheblichen Wartungsaufwand. Um die Verwendung eines solchen Wasserstoffkonzentrationssensors verhindern zu können, ist dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 eine Berechnung der Wasserstoffkonzentration über ein angedeutetes Steuergerät 16 möglich. Die Art und Weise der Berechnung wird nachfolgend noch näher erläutert.
-
Der Darstellung der 2 ist ein alternatives Brennstoffzellensystem 1 in einem Fahrzeug 2 dargestellt. Die selben Elemente sind dabei mit dem selben Bezugszeichen versehen. Der Unterschied besteht im Wesentlichen darin, dass in diesem Brennstoffzellensystem 1 auf den Anodenkreislauf 10 verzichtet wird. Die Ablassleitung 14, welche hier auch als Abgasleitung des Anodenraums 4 verstanden werden kann, führt also ohne den Wasserabscheider 12 und ohne das optional auch hier denkbare Ablassventil 13 in die Abluftleitung 15. Auch hier kann die Wasserstoffkonzentration nach der Zusammenführung der Leitungen 14 und 15 über das mit 16 bezeichnete Steuergerät berechnet werden.
-
Da zur Ermittlung der Konzentration außerdem eine Kenntnis über die kathodenseitige Abluftmenge notwendig ist, kann diese, wie es in der Darstellung der 2 optional angedeutet ist, über einen Luftmassensensor 17, typicherweise eingangsseitig des Kathodenraums 5, gemessen werden. Bekannte Mechanismen wie Luftabzweigungen beispielsweise für einen Systembypass für Lagerluft der Luftfördereinrichtung 6, für das Spülen eines Gehäuses um die Brennstoffzelle 3 und Ähnliches können beispielsweise rechnerisch mit berücksichtigt werden, sodass ohne den Einsatz eines Sensors im hinsichtlich der Umgebungsbedingungen kritischen Bereich der Abluftleitung 15, die Abluftmenge im Bereich der Abluftleitung 15 bekannt ist. Alternativ wäre hier auch eine Messung in der Abluftleitung 15 oder eine ausschließliche Berechnung, beispielsweise basierend auf der Leistungsaufnahme beziehungsweise Drehzahl und der Fördercharakteristik der Luftfördereinrichtung 6 denkbar. Die Ermittlung der Abluftmenge kann sowohl bei der Ausführungsvariante gemäß 1 als auch bei der gemäß 2 entsprechend vorgesehen sein.
-
Immer oder zumindest immer dann, wenn Wasserstoff über die Ablassleitung 14 in die Abluftleitung 15 gelangt, kann nun über das Steuergerät 16 die Wasserstoffmenge berechnet werden, welche über die Ablassleitung 14 in die Abluftleitung 15 gelangt. Bei bekannter, gemessener und/oder berechneter Abluftmenge lässt sich hieraus die Wasserstoffkonzentration ermitteln, ohne dass ein Wasserstoffkonzentrationssensor im Bereich der Abluftleitung 15 beziehungsweise im Bereich der Abluftleitung 15 nachdem die Ablassleitung 14 in diese gemündet hat, notwendig ist.
-
Zur Berechnung der Wasserstoffkonzentration wird dabei schematisch gemäß dem in 3 dargestellten Diagramm vorgegangen. Die fette, gestrichelte Linie, welche mit dem Bezugszeichen 18 versehen ist, symbolisiert dabei die Systemgrenze. Über diese Systemgrenze 18 gelangt in der mit 19 bezeichneten Box der der Brennstoffzelle 3 zugeführte Wasserstoff (H2 Feed-Tank). In der mit 20 bezeichneten Box wird der Wasserstoffverbrauch (H2 Reaktion) in der Brennstoffzelle 3 entsprechend berechnet. Dieser Wasserstoffverbrauch ist dabei der elektrochemische Verbrauch an Wasserstoff, welcher durch die Reaktion in der Brennstoffzelle auftritt. Er kann beispielsweise anhand der erzeugten elektrischen Leistung beziehungsweise der hieraus abgeleiteten erzeugten elektrischen Ladungsmenge sehr exakt berechnet werden. Im einfachsten Fall ergibt sich dann in der mit 21 bezeichneten Box der Restwasserstoff (H2 Emission), welcher über die Ablassleitung 14 in die Abluftleitung 15 geführt wird.
-
Die Wasserstoffabgasemission ergibt sich dabei beispielsweise gemäß H2Emissionen = H2Feed_Tank – H2Reaktion
-
Bei bekannter Abluftmenge, welche durch die Box 22 entsprechend angedeutet ist, lässt sich so an der mit 23 bezeichneten Stelle, an welcher das Abgas die Systemgrenze 18 passiert, die Wasserstoffkonzentration (CH2) rechnerisch ermitteln.
-
Die Wasserstoffkonzentration berechnet sich gemäß cH2 = 100 Vol.-%·(H2Emissionen/Abluftmenge)
-
Selbstverständlich spielen dabei Leitungslängen, Druckänderungen oder durch Temperaturänderungen auftretende Schwankungen im Druck eine Rolle. Diese können zur Verbesserung des Berechnungsverfahrens mit berücksichtigt werden. Die Drücke lassen sich dabei ihrerseits berechnen oder werden durch geeignete Sensoren erfasst, welche zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 sehr häufig ohnehin vorhanden sind. So bezeichnet beispielsweise die in der Darstellung der 3 mit 24 bezeichnete Box einen Druckanstieg des Wasserstoffs, welcher, und deshalb ist der Pfeil von der Brennstoffzelle 3 zur Box 24 nach unten gerichtet, die Restmenge an Wasserstoff in der Box 21 weiter verringert. Die Box 25 bezeichnet im Gegensatz dazu einen Druckabfall des Wasserstoffs, welcher dementsprechend umgekehrt die Menge an Restwasserstoff in der Box 21 erhöhen würde.
-
Der Restwasserstoff ergibt sich unter Berücksichtigung von Druckänderungen gemäß H2Emissionen = H2Feed_Tank – H2Reaktion – H2Druckanstieg + H2Druckabfall
-
Ohne den Einsatz eines Konzentrationssensors lässt sich so die von dem Brennstoffzellensystem 1 emittierte Konzentration an Wasserstoff entsprechend berechnen. Falls diese die vorgegebenen Grenzwerte überschreiten, können die geeigneten Maßnahmen ergriffen werden, um die damit einhergehende Problematik zu stoppen, beispielsweise durch einen Wechsel des Betriebsmodus, eine Notabschaltung des Systems oder ähnlichem, je nachdem, wie stark der vorgegebene Grenzwert überschritten worden ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2004-281132 A [0004]
- JP 2008-257990 A [0004]
