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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2012 204 565 A1 beschreibt ein Dosierventil, welches hier als Proportionalventil ausgebildet und das Teil einer Brennstoffzellenanordnung ist, zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Das Proportionalventil umfasst einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab. Das Schließelement ist durch einen Elektromagneten hubbewegbar und wird durch eine Feder in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt.
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Über das Proportionalventil kann eine bedarfsgerechte Menge an Wasserstoff in Richtung eines Anodenbereichs einer Brennstoffzelle in der Brennstoffzellenanordnung gesteuert werden. Zusätzlich ist in dem Anodenbereich der Brennstoffzelle oftmals eine Strahlpumpe angeordnet, die den der Brennstoffzelle bereits zugeführten, aber nicht verbrauchten Wasserstoff zu der Brennstoffzelle zurückführt. Dafür benötigt die Strahlpumpe jedoch einen Mindeststrom an Wasserstoff aus dem Proportionalventil, um die Zurückführung des nicht verbrauchten Wasserstoffs zu gewährleisten. Dies kann bei Verwendung von Proportionalventilen als Dosierventil in der Brennstoffzellenanordnung, wie es in der
DE 10 2012 204 565 A1 gezeigt ist, unter Umständen bei zu geringem Mindeststrom an Wasserstoff zu einer Beeinträchtigung in der Funktionsweise der Strahlpumpe und damit der gesamten Brennstoffzellenanordnung führen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung und weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Dosierventil in der Brennstoffzellenanordnung als Schaltventil betrieben wird, so dass der Mindeststrom an Wasserstoff durch ein periodisches Öffnen und Schließen des Dosierventils gewährleistet ist und dadurch eine optimale Funktionsweise der gesamten Brennstoffzellenanordnung sowie eine hohe Lebensdauer aller beteiligten Komponenten erzielt wird.
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Dies wird erreicht mit einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle, einem elektromagnetisch gesteuerten Dosierventil, einer Zufuhrleitung und einer Strahlpumpe. Das Dosierventil ist fluidisch mit der Strahlpumpe über die Zufuhrleitung verbunden und führt der Strahlpumpe einen Wasserstoffmassenstrom zu. Die Strahlpumpe führt den Wasserstoffmassenstrom einem Anodenbereich der Brennstoffzelle zu. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen maximalen Lastpunkt auf, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:
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Festlegen eines vorgegebenen Lastpunkts, wobei der Lastpunkt kleiner als der maximale Lastpunkt ist;
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Ist der Lastpunkt kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellwert:
- 1. Anlegen einer elektrischen Stromstärke an das Dosierventil in einer aktiven Phase für eine Zeitdauer t1 , wobei das Dosierventil zumindest teilweise geöffnet wird, so dass ein erster Wasserstoffmassenstrom j1 aus dem Dosierventil in Richtung der Strahlpumpe strömt;
- 2. Minimieren der elektrischen Stromstärke an dem Dosierventil in einer passiven Phase für eine Zeitdauer t2 , so dass das Dosierventil vollständig geschlossen oder zumindest so weit geschlossen wird, dass ein zweiter Wasserstoffmassenstrom j2 aus dem Dosierventil in Richtung der Strahlpumpe strömt, wobei j2 kleiner als j1 ist;
- 3. Zyklisches Wiederholen der Schritte 1 und 2, wobei der Zyklus die aktive und die passive Phase umfasst.
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Durch das zyklische Schalten des Dosierventils ist es möglich, einen Mindeststrom an Wasserstoff in Richtung der Strahlpumpe aufrechtzuerhalten, so dass eine optimale Funktionsweise der Strahlpumpe gewährleistet ist. Weiterhin werden Druckschwankungen in dem Anodenbereich minimiert, da das Dosierventil vorzugsweise in der aktiven Phase nicht vollständig öffnet und somit ein geringerer Wasserstoffmassenstrom als bei einer kompletten Öffnung des Dosierventils durch das Dosierventil strömt. Da jedoch dieselbe Menge an Wasserstoffmassenstrom durch das Dosierventil strömen soll, als wenn das Dosierventil komplett geöffnet würde, wird die Länge der aktiven Phase entsprechend erhöht. Dadurch werden die inaktiven Phasen der Strahlpumpe minimiert, so dass Rückströmungen durch die Strahlpumpe verhindert werden. Zur Verschleißreduzierung an dem Dosierventil kann das Dosierventil nicht komplett geschlossen werden. Insgesamt führt das Verfahren zu einem besseren Zusammenspiel zwischen den einzelnen Komponenten in der Brennstoffzellenanordnung, so dass neben einer guten Funktionsweise eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzellenanordnung erzielt wird.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der vorbestimmte Schwellwert zwischen 20 % und 50 % des maximalen Lastpunkts der Brennstoffzelle liegt. Dieser Schwellwert erweist sich als besonders vorteilhaft, da das Verfahren unterhalb dieses Schwellwerts zu einer optimalen Funktionsweise der Brennstoffzellenanordnung beiträgt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Lastpunkt über die Länge der aktiven Phase und/oder das Verhältnis von aktiver zu passiver Phase eingestellt. Vorteilhafterweise wird bei Überschreiten des vorbestimmten Schwellwerts die angelegte elektrische Stromstärke an dem Dosierventil während der aktiven Phase oder die Zeitdauer t1 oder die Zeitdauer t2 verändert. Durch das Ansteuern der aktiven und passiven Phasen kann es im Lastpunkt der Brennstoffzelle zu Schwankungen kommen, wobei der Lastpunkt im Mittel gleich bleibt. Überschreitet er dennoch den vorbestimmten Schwellwert, kann dieser aufgrund der oben genannten Faktoren wieder angepasst werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorteilhaft vorgesehen, dass oberhalb des Schwellwerts das Dosierventil als Proportionalventil betrieben wird, so dass das Dosierventil zu jedem Zeitpunkt zumindest teilweise geöffnet ist und kontinuierlich Wasserstoff aus dem Dosierventil in Richtung der Strahlpumpe strömt. Wird also ein Lastpunkt gewählt, welche oberhalb des vorbestimmten Schwellwerts liegt, ist es vorteilhaft, das Dosierventil als Proportionalventil zu schalten, so dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung des der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoffmassenstroms erfolgt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird in der aktiven Phase eine so hohe elektrische Stromstärke an das Dosierventil angelegt, dass das Dosierventil vollständig geöffnet wird. Dadurch können die Zeitdauern t1 , t2 so verändert werden, dass beispielsweise der Lastpunkt der Brennstoffzelle bei etwaigen Schwankungen wieder an den vorgegebenen Wert angepasst wird. Vorteilhafterweise beträgt in der aktiven Phase der vorgegebene Lastpunkt 50 % des maximalen Lastpunkts der Brennstoffzelle. Dadurch werden mit Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens die Funktionsweise und das Zusammenspiel aller Komponenten in der Brennstoffzellenanordnung begünstigt.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der passiven Phase ein Mindestlastpunkt in einem Bereich unter 10 % des maximalen Lastpunkts der Brennstoffzelle liegt. Dadurch kann die Funktionsweise der Strahlpumpe und eine optimale Wasserstoffzufuhr in den Anodenbereich der Brennstoffzelle gewährleistet werden. Vorteilhafterweise wird der Druck zumindest zeitweise, vorzugsweise kontinuierlich, in der Zufuhrleitung mittels einer Druckmesseinheit gemessen. Dadurch kann das Verfahren jederzeit an die aktuellen Bedingungen in der Brennstoffzellenanordnung angepasst werden.
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Darüber hinaus ist in einer Brennstoffzellenanordnung ein Steuergerät angeordnet, welches dazu eingerichtet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Dadurch kann das Verfahren in einfacher Weise und ohne konstruktive Änderungen an der Brennstoffzellenanordnung ausgeführt werden.
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Das beschriebene Verfahren eignet sich vorzugsweise in der Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausführung einer Brennstoffzellenanordnung in einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle in schematischer Darstellung,
- 2 ein Ablaufplan für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung,
- 3 eine schematische Darstellung des Öffnungshubs des Dosierventils in Abhängigkeit der Zeit bei verschiedenen Lastpunkten der Brennstoffzelle.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine mögliche Ausführung einer Brennstoffzellenanordnung 1 in schematischer Darstellung. Die Brennstoffzellenanordnung 1 umfasst ein elektromagnetisch gesteuertes Dosierventil 4 und eine Strahlpumpe 2, welche in einer Zufuhrleitung 16 angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Brennstoffzellenanordnung 1 eine Brennstoffzelle 10 mit einem Anodenbereich 101 und einem Kathodenbereich 102. Durch die Zufuhrleitung 16 wird dem Anodenbereich 101 der Brennstoffzelle 10 gasförmiges Medium, hier ein Wasserstoffmassenstrom, zugeführt. Der Wasserstoffmassenstrom wird durch das Dosierventil 4 zu der Strahlpumpe 2 geleitet und durch diese dem Anodenbereich 101 der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Das Dosierventil 4 ist dabei über die Zufuhrleitung 16 mit einem Tank 25 verbunden, welcher den Wasserstoff zur Verfügung stellt.
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Der Anodenbereich 101 der Brennstoffzelle 10 ist weiterhin mit einer Rückführleitung 14 verbunden, über die nicht verbrauchter Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 10 einem Düsenbereich 3 der Strahlpumpe 2 zugeführt wird. Der nicht verbrauchte Wasserstoff wird in den Düsenbereich 3 der Strahlpumpe 2 angesaugt und mittels Impulsübertrag des Wasserstoffs aus dem Dosierventil 4 wieder zurück in den Anodenbereich 101 der Brennstoffzelle 10 geführt. In der Rückführleitung 14 ist ein Wasserabscheider 13 mit einem Ablassventil 12 angeordnet: Durch die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle werden neben dem nicht verbrauchter Wasserstoff auch Wasser und Stickstoff aus dem Anodenbereich der Brennstoffzelle geleitet. Der Wasserabscheider 13 trennt den nicht verbrauchten Wasserstoff von dem Wasser und dem Stickstoff und leitet diesen wieder zurück in die Zufuhrleitung 16. Das Wasser und der Stickstoff können bei Bedarf durch das Ablassventil 12 aus der Brennstoffzellenanordnung 1 nach außen freigegeben werden.
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Weiterhin ist in der Zufuhrleitung 16 vor dem Dosierventil 4 und nach der Strahlpumpe 2 eine Druckmesseinheit 6, 8 angeordnet, so dass der Druck zumindest zeitweise, vorzugsweise kontinuierlich, in der Zufuhrleitung 16 gemessen wird. Durch eine Wasserstoff-Zudosierung des Dosierventils 4 in den Anodenbereich 101 der Brennstoffzelle 10 erfolgt eine Druckregelung in dem Anodenbereich 101 der Brennstoffzelle 10.
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In der Brennstoffzellenanordnung 1 ist ein Steuergerät 17 angeordnet. Das Steuergerät 17 ist mit dem Dosierventil 4 und der Brennstoffzelle 10 sowie der Druckmesseinheit 6, 8 elektrisch verbunden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 200 zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung 1, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist.
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Die Brennstoffzelle 10 erzeugt an einem maximalen Lastpunkt a eine maximale elektrische Leistung. Je nach Bedarf an elektrischer Leistung der Brennstoffzelle 10 wird ein Lastpunkt b bestimmt (Festlegen 26), welcher typischerweise zwischen einem Mindestlastpunkt c und dem maximalen Lastpunkt a liegt.
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Liegt der vorgegebene Lastpunkt b unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts, so wird mittels des Steuergeräts 17 folgendes Verfahren 200 durchgeführt. Im Nachfolgenden werden beispielhaft drei mögliche Verfahrensmodi erläutert, wobei 3 schematisch den Öffnungshub des Dosierventils 4 in Abhängigkeit der Zeit t bei verschiedenen Lastpunkten der Brennstoffzelle 10 zeigt:
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In einem ersten Verfahrensmodus 46 wird mittels des Steuergeräts 17 in einer aktiven Phase 44 an dem Dosierventil 4 eine elektrische Stromstärke für eine Zeitdauer t1 angelegt, so dass das Dosierventil 4 teilweise geöffnet wird und ein erster Wasserstoffmassenstrom j1 aus dem Dosierventil 4 in Richtung der Strahlpumpe 2 strömt (Anlegen 28).
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Nach Ablaufen der Zeitdauer t1 wird in einer passiven Phase 45 die elektrische Stromstärke an dem Dosierventil 4 für eine Zeitdauer t2 vermindert, so dass das Dosierventil 4 vollständig geschlossen ist und kein Wasserstoffmassenstrom in Richtung der Strahlpumpe 2 strömt (Minimieren 30).
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Es erfolgt ein zyklisches Wiederholen 32 dieser beiden Schritte, wobei der Zyklus die aktive 44 und die passive 45 Phase umfasst.
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In einem zweiten Verfahrensmodus 47 wird an das Dosierventil 4 in der aktiven Phase 44 für die Zeitdauer t1 eine so hohe elektrische Stromstärke angelegt, dass das Dosierventil 4 vollständig öffnet und ein maximaler Wasserstoffmassenstrom j1 aus dem Dosierventil 4 in Richtung der Strahlpumpe 2 strömt (Anlegen 28).
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Nach Ablaufen der Zeitdauer t1 wird in der passiven Phase 45 die elektrische Stromstärke an dem Dosierventil 4 für die Zeitdauer t2 minimiert, so dass das Dosierventil 4 so weit geschlossen wird, dass noch ein Wasserstoffmassenstrom j2 , wobei j2 kleiner als j1 ist, aus dem Dosierventil 4 in Richtung der Strahlpumpe 2 strömt (Minimieren 30).
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Es erfolgt wieder ein zyklisches Wiederholen 32 dieser beiden Schritte, wobei der Zyklus die aktive 44 und die passive 45 Phase umfasst.
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In dem zweiten Verfahrensmodus 47 ist im Gegensatz zum ersten Verfahrensmodus 46 in der passiven Phase 45 ein Mindestlastpunkt c definiert, welcher beispielsweise unterhalb von 10 % des maximalen Lastpunkts der Brennstoffzelle 10 liegt.
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In einem dritten Verfahrensmodus 48 wird an das Dosierventil 4 in der aktiven Phase 44 in der Zeitdauer t1 eine elektrische Stromstärke angelegt, so dass das Dosierventil 4 teilweise geöffnet wird und ein erster Wasserstoffmassenstrom j1 aus dem Dosierventil 4 in Richtung der Strahlpumpe 2 strömt (Anlegen 28).
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Nach Ablaufen der Zeitdauer t1 wird in der passiven Phase 45 die elektrische Stromstärke an dem Dosierventil 4 für die Zeitdauer t2 so minimiert, dass das Dosierventil 4 so weit geschlossen wird, dass noch ein zweiter Wasserstoffmassenstrom j2 , wobei j2 kleiner als j1 ist, aus dem Dosierventil 4 in Richtung der Strahlpumpe 2 strömt (Minimieren 30).
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Diese beiden Schritte werden wieder zyklisch wiederholt, wobei der Zyklus die aktive 44 und die passive 45 Phase umfasst (Zyklisches Wiederholen 32).
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Hier ist auch wieder wie im zweiten Verfahrensmodus 47 der Mindestlastpunkt c definiert, wobei das Dosierventil 4 in der aktiven Phase 44 wie im ersten Modus 46 nicht komplett geöffnet wird, sondern nur eine Teilöffnung erfolgt. Der dritte Verfahrensmodus 48 kann daher als Kombination des ersten 46 und des zweiten 47 Verfahrensmodus betrachtet werden.
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Liegt der vorgegebene Lastpunkt b oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts, wird das Dosierventil 4 als Proportionalventil betrieben, so dass eine bedarfsgerechte Einstellung des Wasserstoffmassenstroms zu dem Anodenbereich 101 der Brennstoffzelle 10 erfolgt. Das heißt, der Strömungsquerschnitt durch das Dosierventil 4 kann elektronisch über das Steuergerät 17 variabel eingestellt werden.
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Der vorbestimmte Schwellwert wird durch verschiedene Parameter, wie beispielsweise der Betriebstemperatur, dem Anodendruck oder der Gemischzusammensetzung des gasförmigen Mediums, der gesamten Brennstoffzellenanordnung bestimmt. Er liegt je nach konstruktiver Auslegung der Brennstoffzellenanordnung 1 zwischen 20 und 50 % des maximalen Lastpunkts der Brennstoffzelle 10.
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Vorzugsweise eignet sich für die Durchführung des Verfahrens 200 in der aktiven Phase 44 ein vorgegebener Lastpunkt von 50 % des maximalen Lastpunkts der Brennstoffzelle 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012204565 A1 [0002, 0003]
