DE102017215514A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) und ein entsprechend eingerichtetes Brennstoffzellensystem (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Anodenversorgung (20) mit einem Wasserstoffspeicher (23), einem den Wasserstoffspeicher (23) mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbindenden Anodenversorgungspfad (21), einem einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (21) verbindenden Rezirkulationspfad (22, 25) sowie einer Fördereinrichtung (26) zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases. Das Verfahren sieht vor, einen aus dem Wasserstoffspeicher (23) dem Anodenkreis zugeführten Tankmassenstrom (ṁ) durch Bilanzierung der dem Anodenkreis zu- und abgeführten Stoffströme (ṅ, ṁ) zu bestimmen, wobei der Tankmassenstrom (ṁ) in die Bilanzierung als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom (ṅ, ṁ) einfließt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle und insbesondere zur Bestimmung eines dem Anodenkreis zugeführten Tankmassenstroms. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem.
• Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
• Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
• Die Anodenversorgung einer Brennstoffzelle umfasst einen Druckspeicher, in dem der Brennstoff (in der Regel Wasserstoff) unter hohem Druck bevorratet wird und von dem aus der Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird. Zumeist wird das aus der Brennstoffzelle abgeführte Anodenabgas über eine Rezirkulationsleitung wieder in die Anodenversorgungsleitung eingespeist, um nicht verbrauchten Brennstoff erneut der Brennstoffzelle zuzuführen. Es ist bekannt, das Rezikulationsgas mittels einer Strahlpumpe zu fördern, welcher druckseitig der Wasserstoff als Treibgasstrom zugeführt wird (z.B. DE 10 2004 002 021 B4 , DE 10 2012 007 385 A1 , DE 10 2012 017 567 A1 , DE 10 2013 003 740 A1 , DE 10 2014 015 867 A1 .
• Eine bislang nicht zufriedenstellend gelöste Herausforderung von Brennstoffzellenfahrzeugen ist die Ermittlung des Momentanverbrauchs an Wasserstoff, d.h. des von dem Druckspeicher in das System eingespeisten Tankmassenstroms. Der Momentanverbrauch ist einerseits interessant, um ihn einem Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs anzuzeigen oder um eine voraussichtliche Reichweite zu ermitteln. Derzeit ist die Ermittlung des Momentanverbrauchs nur mit zusätzlichen Sensoren möglich, beispielsweise Massenstrom- und/oder Drucksenoren, die zwischen dem Druckspeicher stromab eines Druckregelventils und dem Anodenkreis angeordnet sind.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, welches die Ermittlung des Tankmassenstroms möglichst ohne zusätzliche zwischen dem Druckspeicher und dem Anodenkreis angeordnete Sensoren auch in dynamischen Betriebssituationen, wie sie für Fahrzeuganwendungen typisch sind, ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Anodenversorgung zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff. Die Anodenversorgung weist einen Wasserstoffspeicher auf, einen den Wasserstoffspeicher mit dem Brennstoffzellenstapel verbindenden Anodenversorgungspfad, einen einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (mittelbar oder unmittelbar) verbindenden Rezirkulationspfad sowie eine Fördereinrichtung zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases. Das Verfahren sieht vor, einen aus dem Wasserstoffspeicher dem Anodenkreis zugeführten Tankmassenstrom durch Bilanzierung der dem Anodenkreis zu- und abgeführten Stoffströme (ṅ, ṁ) zu bestimmen, wobei der Tankmassenstrom in die Bilanzierung als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom einfließt.
• Durch die erfindungsgemäße Bilanzierung der zu- und abgeführten Stoffströme kann der, den Netto-Momentanverbrauch des Brennstoffzellenstapels repräsentierende Tankmassenstrom ohne die Anordnung von Druck- oder Massenstromsensoren in dem Anodenversorgungspfad zwischen Druckspeicher und Anodenkreis auch in dynamischen Betriebssituationen bestimmt werden.
• Dabei werden im Rahmen der Erfindung mit Stoffströmen sowohl Massenströme (Formelzeichen: ṁ, Einheit g/s) oder Stoffmengenströme (Formelzeichen: ̇ṅ, Einheit mol/s) bezeichnet. Beide Größen sind über die Molmasse (Formelzeichen M, Einheit g/mol) der jeweiligen Substanz oder Substanzgemische ineinander umrechenbar.
• Vorzugsweise fließt in die Bilanzierung ein durch den Brennstoffzellenstapel im Wege der Brennstoffzellenreaktionen verbrauchter Wasserstoff als aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom ein. Dieser Stapelverbrauch kann insbesondere in Abhängigkeit eines von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Stroms berechnet werden, beispielsweise über die Faraday-Beziehung.
• Weiterhin ist bevorzugt, dass in die Bilanzierung ein Anodenabgas einfließt, das über Stellmittel, insbesondere Ventile, aus dem Anodenkreis abgelassen wird. Dieses abgelassene Anodenabgas fließt als abgeführter Stoffstrom in die Bilanzierung ein. Insbesondere wird hier ein Anodenabgas, berücksichtigt, das über ein so genanntes Spülventil aus dem Anodenkreis abgeführt wird, insbesondere wenn der über die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle in die Anodenräume eindiffundierte Stickstoffanteil eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Der Stoffstrom des über Ventile abgeführten Anodenabgases kann etwa durch Modelle oder Kennfelder der Ventile bestimmt werden.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung fließt in die Bilanzierung ein in den Anodenkreis eindiffundierter Stickstoff als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom ein. Beispielsweise kann der Stickstoff über die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle aus dem Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren. Durch die Berücksichtigung des eindiffundierten Stickstoffs wird die Genauigkeit der Bestimmung weiter verbessert. Da der Stickstoffstoffstrom in der Regel jedoch vergleichsweise gering ist, kann er in guter Näherung in einer alternativen Ausgestaltung auch vernachlässigt werden, wodurch das Verfahren vereinfacht wird.
• In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Bilanzierung des Tankmassenstroms mit Massenstromsignale und/oder Drucksignale, die ausschließlich von stromab der Strahlpumpe (26) angeordneten Massenstromsensoren oder Drucksensoren erhalten werden. Insbesondere kann die Bilanzierung mit guter Genauigkeit allein basierend auf der vorstehend erläuterten Vorgehensweise und gegebenenfalls mit Verwendung ohnehin im Anodenkreis vorhandener Sensoren erfolgen. Der Verzicht der zusätzlichen Massenstrom- oder Drucksensoren bedeutet eine Reduzierung der Kosten und Komplexität des Systems.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.
• Der so ermittelte Tankmassenstrom kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. In einer Ausgestaltung wird der Tankmassenstrom als Momentanverbrauch des Brennstoffzellensystems zum Betreiben desselben verwendet. Insbesondere wird er einem Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs angezeigt, so dass dieser sein Fahrverhalten im Sinne einer Verbrauchsminimierung anpassen kann. Zudem kann der Momentanverbrauch zur Prognose einer Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs verwendet werden, welche wiederum dem Fahrer angezeigt werden kann.
• Ferner kann - in einem Brennstoffzellensystem, bei dem die Fördereinrichtung des rezirkulierten Anodengases als Strahlpumpe (Ejektor) ausgebildet ist, die druckeingangsseitig mit dem Wasserstoffspeicher, saugseitig mit dem Rezirkulationspfad und ausgangsseitig mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist - der ermittelte Tankmassenstrom als Eingangsparameter zur Modellierung der Strahlpumpe verwendet werden. Der Tankmassenstrom entspricht hier nämlich dem druckeingangsseitig anliegende Treibstrom der Strahlpumpe, der andernfalls nur mittels zusätzlicher Sensoren erfasst werden kann. Insbesondere kann in dieser Ausgestaltung die Bestimmung des rezirkulierten Stoffstroms und/oder des Stoffstroms am Eintritt in den Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des Strahlpumpenmodells ermittelt werden. Diese Parameter sind wichtig, um im Betrieb des Brennstoffzellensystems etwa die Wasserstoffdosierung oder die Spülzyklen des Anodengases zu regeln.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein entsprechendes Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck weist das System etwa eine Steuerungseinrichtung auf, in welche die notwendigen Algorithmen, insbesondere zur Ausführung der Bilanzierung, in computerlesbarer Form gespeichert sind. Die Steuereinrichtung kann zudem notwenige Kennfelder und dergleichen enthalten, die zur Ausführung des Verfahrens erforderlich sind.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie bedient.
• 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 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung und
• 2 eine schematisierte Detaildarstellung der Strahlpumpe des Brennstoffzellensystems aus 2.
• 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, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Zudem verfügen sie über ein System innerer Kühlmittelkanäle, die der Durchleitung eines Kühlmittels und somit der Temperierung des Stapels 10 dienen. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
• Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien 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), hier Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher (Druckspeicher) 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 Druckregelventil 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber weist die Anodenversorgung 20 eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Summe aus Anodenabgaspfad 22 und Rezirkulationsleitung 25 wird vorliegend auch als Rezirkulationspfad bezeichnet. Eine Fördereinrichtung 26 bewirkt die Förderung des Anodenabgases. In dem dargestellten System ist die Fördereinrichtung 26 als eine Gasstrahlpumpe ausgebildet, welche an der Einmündungsstelle der Rezirkulationsleitung 25 in den Anodenversorgungspfad 21 angeordnet ist. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch bezüglich der Brennstoffzellenreaktion eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen. Von dem Anodenabgaspfad 22 zweigt eine Spülleitung 28 ab, die es erlaubt, von Zeit zu Zeit das Anodenabgas abzuleiten. Dieses Spülen erfolgt insbesondere dann, wenn die Stickstoffkonzentration im rezirkulierten Gas infolge von Diffusion von Stickstoff aus den Kathodenräumen 13 in die Anodenräume 12 der Brennstoffzellen 11 zu stark ansteigt. Die Spülprozesse erfolgen über Ansteuerung eines Spülventils 27, welches hier als ein kombiniertes Wasserabscheideventil ausgebildet 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 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle angetrieben werden.
• Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche den Kathodenversorgungspfad 31 mit dem Kathodenabgaspfad 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 38 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 kann ferner einen Befeuchter 39 aufweisen. Der Befeuchter 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 Befeuchter 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 auch in dem Kathodenabgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Zudem kann die Spülleitung 28 in den Kathodenabgaspfad 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
• Der Grundaufbau und Funktionsweise der Strahlpumpe (Ejektor) 26 ist in 2 erläutert. Die gezeigte Strahlpumpe 26 weist einen Grundkörper 261 mit einer darin ausgebildeten Treibdüse 262 auf. Die Strahlpumpe 26 weist ferner drei Anschlüsse auf, nämlich einen Druckeingang 263, der mit dem Wasserstoff aus dem Tank 23 als Treibmassenstrom ṁ_d beaufschlagt wird, einen Saugeingang oder Unterdruckanschluss 264, in welchen die Rezirkulationsleitung 25 mündet, sowie einen Ausgang 265. Die Strahlpumpe 26 kann abweichend zu dem in 2 dargestellten Beispiel auch regelbar ausgeführt sein. Ferner sind in 2 einige Parameter (Druck p, Temperatur T sowie Massenstrom ṁ) des an der Strahlpumpe 26 druckeingangsseitig anliegenden Treibstroms (Index d), des saugseitig anliegenden rezirkulierten Anodenabgasstrom (Index s) sowie des ausgangsseitigen Anodengases (Index e) dargestellt.
• Nachfolgend wird anhand bevorzugter Ausführungen erläutert, wie gemäß dem Verfahren der Erfindung der Tankmassenstrom ermittelt wird und dieser in einem ein Strahlpumpenmodell verwendet wird.
• Berechnung des Tankmassenstroms (Treibmassenstrom Strahlpumpe)
• Für die zwischen zwei Zeitpunkten t₁ und t₂ in dem Anodenkreis stattfindende Stoffmengenänderung Δn wird eine Bilanzierung gemäß Gleichung (1) herangezogen mit Δt = t₂ - t₁. $$\Delta n/\Delta t={\dot{n}}_{Tank}+{\dot{n}}_{N2}-\left({\dot{n}}_{H\mathrm{2,}Stack}+{\dot{n}}_{Ventil}\right)$$

  
• Hierin entspricht ṅ_Tank dem Stoffmengenstrom von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeicher 23 dem Anodenkreis zugeführt wird und der druckseitig an der Strahlpumpe 26 (als Treibmassenstrom ṁ_d) anliegt, ṅ_N2 dem in den Anodenkreis eindiffundierten Stickstoffstrom, ṅ_H2,Stack dem durch die im Brennstoffzellenstapel 10 stattfindende Brennstoffzellenreaktion verbrauchten Wasserstoff und ṅ_Ventil dem, insbesondere über das Spülventil 27, aus dem System abgeführten Anodenabgas. Der gesuchte Tankmassenstrom ṁ_Tank ergibt sich durch Umstellung der Gleichung (1) zu Gleichung (2) und Umrechnung des Stoffmengenstoms ṅ_Tank in einen Massenstrom unter Verwendung der Molmasse M nach Gleichung (3). Sofern reiner Wasserstoff aus dem Tank ins System eingespeist wird, kann die molare Masse von Wasserstoff (M_H2 = 2,0158 g/mol) verwendet werden. $${\dot{n}}_{Tank}=\Delta n/\Delta t-\left[{\dot{n}}_{N2}-\left({\dot{n}}_{H\mathrm{2,}Stack}+{\dot{n}}_{Ventil}\right)\right]$$

  

  $${\dot{m}}_{Tank}=\frac{{\dot{n}}_{Tank}}{M_{H2}}$$

  
• Zur Berechnung der Stoffmengenänderung Δn zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ in einem Volumen V kann unter Annahme eines idealen Gases die allgemeine Gasgleichung (4) herangezogen werden. Prinzipiell kann der Einfluss des Druckes und der Temperatur berücksichtig werden. Da der Einfluss der Temperatur jedoch gering ist, ist die Annahme einer konstanten Temperatur zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ zulässig, so dass sich für die Stoffmengenänderung Δn = n₂ - n₁ zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ über die Gleichung (5) die Gleichungen (6) und (7) ergeben. $$\text{pV}=\text{nRT}$$

  

  $$\frac{\text{p2}}{\text{p1}}=\frac{{\text{n}}_2}{{\text{n}}_1}=1+\frac{\Delta \text{n}}{{\text{n}}_1}$$

  

  $$\Delta \text{n}={\text{n}}_1\left(\frac{{\text{p}}_2}{{\text{p}}_1}-1\right)$$

  

  $${\text{n}}_1=\frac{{\text{p}}_1\text{V}}{{\text{RT}}_1}$$

  
• Dabei ist R die ideale Gaskonstante, p₁ der Druck zum Zeitpunkt t₁, p₂ der Druck zum Zeitpunkt t₂, n₁ die Stoffmenge (in mol) im Kontrollvolumen V zum Zeitpunkt t₁, n₂ die Stoffmenge im Kontrollvolumen V zum Zeitpunkt t₂ und T₁ bzw. T die als konstant angenommene Temperatur. Das Kontrollvolumen V ist gleich dem Volumen des gesamten Anodenkreislaufs und umfasst somit die Summe der Volumina der Leitungen 21 (zwischen der Strahlpumpe 26 und dem Stapeleingang), 22 und 25, der Volumina der Anodenräume 12 des Stapels 10 und der Fördereinrichtung 26 und des Ventils 27. Somit kann, nach Einsetzen der Gleichung (7) in (6) Δn allein aus dem im Kontrollvolumen des Anodenkreises gemessenen Druck zum Zeitpunkt t₁ und t₂ und der Temperatur ermittelt werden. Das Kontrollvolumen V kann auch in mehrere Teilvolumina unterteilt werden, wobei die Summe aller Teilvolumina gleich dem Volumen des Anodenkreislaufes ist. Beispielsweise kann das Kontrollvolumen V in einen Bereich von der Fördereinrichtung 26 bis zur Mitte des Stapels 10 (Hochdruckteil des Anodenkreislaufs) und den Bereich von Mitte des Stapels bis zur Fördereinrichtung (Niederdruckteil des Anodenkreislaufs) unterteilt werden und Δn jeweils für diese Teilvolumina bestimmt werden. Die Druck- und Temperaturparameter beziehen sich dann jeweils auf das Teilvolumen, wo sie anhand von Sensoren erfasst werden, die installiert sind (In 1 nicht dargestellt).
• Der im Brennstoffzellenstapel 10 stattfindende Wasserstoffverbrauch ṅ_H2,Stack kann gemäß Gleichung (8) bestimmt werden, wobei I die Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 10, F die Faraday-Konstante und N die Anzahle der Zellen 11 des Stapels 10 ist. $${\dot{n}}_{H\mathrm{2,}Stack}=\frac{I}{2F}N$$

  
• Das über Ventile und dergleichen, insbesondere dem Spülventil 27, abgelassene Anodenabgas fließt als ein aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom ṅ_Ventil in die Bilanzierung nach Gleichung (1) bzw. (2) ein. Für die Berechnung können verschiedene Methoden eingesetzt werden, beispielsweise die Verwendung von kv-Werten. Eine bevorzugte Methode verwendet das Model gemäß Saint-Venant und Wantzel gemäß den Gleichungen (9) und (10). $${\dot{n}}_{Ventil}=\frac{\alpha A\psi \sqrt{2{\rho }_{ein}{p}_{ein}}}{M_{Kontrollvolumen}}\cdot S$$

  

  $$\psi =\sqrt{\frac{\kappa }{\kappa -1}\left[{\left(\frac{p_{aus}}{p_{ein}}\right)}^{\frac{2}{\kappa }}-{\left(\frac{p_{aus}}{p_{ein}}\right)}^{\frac{\kappa +1}{\kappa }}\right]}$$

  
• Dabei ist A der Ventilquerschnitt, α der Einschnürfaktor (der experimentell bestimmt werden kann), ρ die Gasdichte, p_ein und p_aus der Eingangs- bzw. Ausgangsdruck, M die Molare Masse des Gasvolumens im Kontrollvolumen, κ der Isentropenexponent und S eine Funktion bezüglich des Zustandes des Ventils (S = 1 bedeutet Ventil offen und S = 0 bedeutet Ventil zu).
• Der in den Anodenkreis eingedrungene Stickstoffstoffstrom ṅ_N2 kann beispielsweise als Änderung der Stoffmenge an Stickstoff Δn_N2 im Kontrollvolumen mittels der N₂-Stoffmengenanteile χ_N2 gemäß Gleichung (11) berechnet werden, wobei χ_N2,1 der Stoffmengenanteil von Stickstoff zum Zeitpunkt t₁, χ_N2,2 der Stoffmengenanteile von Stickstoff zum Zeitpunkt t₂, n₁ die gesamte Stoffmenge (H₂, N₂ und evtl. H₂O) zum Zeitpunkt t₁ und n₂ die gesamte Stoffmenge zum Zeitpunkt t₂ ist. (Die Bestimmung der Gaszusammensetzung im Anodenkreis und damit der N₂-Stoffmengenanteile erfolgt über ein weites Modell (bzw. in Kombination aus zwei oder mehreren Modellen) und kann als bekannt vorausgesetzt werden.) $$\begin{array}{c}\Delta {\text{n}}_{\text{N2}}={\text{x}}_{\text{N2}\text{,2}}{\text{n}}_2-{\text{x}}_{\text{N2}\text{,1}}{\text{n}}_1={\text{x}}_{\text{N2}\text{,2}}\left({\text{n}}_1+\Delta \text{n}\right)-{\text{x}}_{\text{N2}\text{,1}}{\text{n}}_1=\left({\text{x}}_{\text{N2}\text{,2}}-{\text{x}}_{\text{N2}\text{,1}}\right){\text{n}}_1+\\ {\text{x}}_{\text{N2}\text{,2}}\Delta \text{n}=\Delta {\text{x}}_{\text{N2}}{\text{n}}_1+{\text{x}}_{\text{N2}\text{,2}}\Delta \text{n}\end{array}$$

  
• Alternativ können zur Bestimmung von ṅ_N2 bzw. Δn_N2 auch anderen Modelle verwendet werden, die diesen Wert direkt berechnen z.B. Stickstoff-Diffusionsmodelle.
• Da Einfluss der Änderung des Stickstoffanteils im Anodenkreis durch Diffusion durch den Stapel in den meisten Fällen gering ist, kann ṅ_N2 in der Bilanzierung in Gleichung (1) bzw. (3) in guter Näherung auch vernachlässigt werden.
• Der so ermittelte Tankmassenstrom ṁ_Tank entspricht dem Momentanverbrauch an Wasserstoff und kann als solcher genutzt werden, um ihn einem Fahrer anzuzeigen und/oder um eine prognostizierte Reichweite des Fahrzeugs zu ermitteln. Ferner kann der Tankmassenstrom ṁ_Tank in einem Modell der Strahlpumpe 26 verwendet werden, um weitere Parameter für die Steuerung des Brennstoffzellensystems zu bestimmen.
• Modellierung der Strahlpumpe
• Der Massenstrom des über die Rezirkulationsleitung 25 rezirkulierten Anodenabgases ṁ_s (also H₂, N₂ und H₂O) entspricht dem durch die Saugdüse 264 der Strahlpumpe 26 angesaugten Massenstrom ṁ_s und kann als ein multidimensionales Kennfeld beschrieben werden. Insbesondere kann gemäß Gleichung (12) der rezirkulierte Massenstrom ṁ_s als Funktion von Druck p_d, Temperatur T_d und Massenstrom ṁ_d des druckseitig in die Strahlpumpe 26 strömenden Wasserstoffstroms (Treibstrom); Druck p_s, Temperatur T_s und H₂- Stoffmengenanteil x_s des saugseitig über die Rezirkulationsleitung 25 in die Strahlpumpe 26 rezirkulierten Anodenabgases, und sowie des Drucks p_e des aus der Strahlpumpe 26 austretenden Anodengases dargestellt werden (s.a. 2). $${\dot{m}}_s=f\left(p_d,T_d,{\dot{m}}_d,p_s,T_s,x_s,p_e\right)$$

  
• Dabei entspricht der Treibmassenstrom ṁ_d dem oben bestimmten Tankmassenstrom ṁ_Tank. Ein mögliches Kennfeld, bei dem die notwendigen Daten reduziert werden können, stellen dabei die Körting-Kennfelder dar.
• Bestimmung des Treibdüseneintrittsdrucks p_d
• Der Treibmassenstrom ṁ_d kann ferner zur Bestimmung des Treibdüsendrucks p_d verwendet werden, um somit auf eine direkte Messung mittels Drucksensor verzichten zu können. Es sind verschiedene Ansätze zur Bestimmung des Treibdüsendrucks p_d möglich. Beispielweise ist die Bestimmung des Treibdüsendrucks p_d anhand empirischer Gleichungen oder Kennfelder möglich, die aus Messdaten gewonnen werden und den Druck p_d als Funktion des Treibmassenstroms ṁ_d darstellen.
• Alternativ kann der Treibdüsendruck p_d analytisch in Abhängigkeit des Treibmassenstroms ṁ_d mit den folgenden Gleichungen berechnet werden. Hierbei muss der Druck jedoch iterativ berechnet werden. Bei der Berechnung des Treibdüsendrucks p_d wird eine Fallunterscheidung zwischen dem Vorliegen einer kritischen Strömung und einer unterkritischen Strömung anhand von Gleichung (13) gemacht. Sofern der Saugdruck p_s kleiner oder gleich dem kritischen Druck p_krit ist p_krit ≥ p_Saug), liegt eine kritische Strömung vor, für die Gleichung (14) gilt. Andernfalls liegt eine unterkritische Strömung vor und es gilt Gleichung (15). $$\frac{{\text{p}}_{\text{krit}}}{{\text{p}}_{\text{d}}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\kappa }+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\kappa }}{\mathrm{\kappa }-1}}$$

  

  

  
• Energiegleichung zum Strahlpumpenmodell
• Der Tankmassenstrom ṁ_Tank (= Treibmassenstrom ṁ_d) kann ferner verwendet werden, um über die Energiegleichung der Strahlpumpe (16) bzw. (17) weitere Größen zu berechnen. Beispielsweise kann die Temperatur T_e am Strahlpumpenaustritt berechnet und damit ein Temperatursensor eingespart werden. Der Term Q̇̇_innen berücksichtigt die Wärme, die im Bauteil (Strahlpumpe) gespeichert oder vom Bauteil abgegeben wird.

  

  

  
• Gemäß 1. Hauptsatz der Thermodynamik gelten ferner folgende Gleichungen, die die Wärmekapazität C_JP und die Masse m_JP der Strahlpumpe 26 berücksichtigen. Hier wird auch der Wärmeaustausch mit der Umgebung „u“ berücksichtigt.

  

  
• Die Differentialgleichung (19) kann dabei entweder numerisch oder analytisch gelöst werden. Als Startwert für die Lösung der Differentialgleichung kann die Umgebungstemperatur angenommen werden, wenn die Standzeit des Fahrzeugs ausreichend lang war. Die Faktoren kA_innen und kA_außen sind dabei Parameter, die mittels Bauteilmessungen bestimmt werden können.
• Bezugszeichenliste

100

Brennstoffzellensystem

10

Brennstoffzellenstapel

11

Einzelzelle

12

Anodenraum

13

Kathodenraum

14

Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)

15

Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)

20

Anodenversorgung

21

Anodenversorgungspfad

22

Anodenabgaspfad

23

Brennstofftank / Wasserstofftank

24

Stellmittel

25

Rezirkulationsleitung

26

Fördereinrichtung / Strahlpumpe

27

Spülventil

28

Spülleitung / Ablassleitung

30

Kathodenversorgung

31

Kathodenversorgungspfad

32

Kathodenabgaspfad

33

Verdichter

34

Elektromotor

35

Leistungselektronik

36

Turbine

37

Wastegate-Leitung

38

Wastegate-Ventil

39

Befeuchter

261

Grundkörper

262

Treibdüse

263

Druckeingang

264

Saugeingang

265

Ausgang

• 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
• DE 102004002021 B4 [0004]
• DE 102012007385 A1 [0004]
• DE 102012017567 A1 [0004]
• DE 102013003740 A1 [0004]
• DE 102014015867 A1 [0004]

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Anodenversorgung (20) mit einem Wasserstoffspeicher (23), einem den Wasserstoffspeicher (23) mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbindenden Anodenversorgungspfad (21), einem einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (21) verbindenden Rezirkulationspfad (22, 25) sowie einer Fördereinrichtung (26) zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases, wobei ein aus dem Wasserstoffspeicher (23) dem Anodenkreis zugeführter Tankmassenstrom (ṁ_Tank) durch Bilanzierung der dem Anodenkreis zu- und abgeführten Stoffströme (ṅ, ṁ) bestimmt wird, wobei der Tankmassenstrom (ṁ_Tank) in die Bilanzierung als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom (ṅ, ṁ) einfließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in die Bilanzierung ein durch den Brennstoffzellenstapel (10) verbrauchter Wasserstoff (ṁ_H2,Stack, ṅ_H2,Stack) als ein aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom einfließt, welcher insbesondere in Abhängigkeit eines von dem Brennstoffzellenstapel (10) erzeugten elektrischen Stroms berechnet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die Bilanzierung ein über Stellmittel, insbesondere Ventile, abgelassenes Anodenabgas (ṁV_entil, ṅ_Ventil) als ein aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom einfließt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die Bilanzierung ein in den Anodenkreis eindiffundierter Stickstoff (ṁ_N2, ṅ_N2) als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom einfließt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Bilanzierung des Tankmassenstroms (ṁ_Tank) Massenstromsignale und/oder Drucksignale verwendet werden, die ausschließlich von stromab der Strahlpumpe (26) angeordneten Massenstromsensoren oder Drucksensoren erhalten werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ermittelte Tankmassenstrom (ṁ_Tank) als Momentanverbrauch des Brennstoffzellensystems (100) zum Betreiben desselben verwendet wird, insbesondere einem Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs angezeigt und/oder zur Prognose einer Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung (26) als Strahlpumpe ausgebildet ist, die druckeingangsseitig mit dem Wasserstoffspeicher (23), saugseitig mit dem Rezirkulationspfad (22, 25) und ausgangsseitig mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbunden ist, und der ermittelte Tankmassenstrom (ṁ_Tank) als Eingangsparameter zur Modellierung der Strahlpumpe (26), insbesondere für die Bestimmung des rezirkulierten Stoffstroms und/oder des Stoffstroms am Eintritt in den Brennstoffzellenstapel (10), verwendet wird.
8. Brennstoffzellensystem (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) sowie eine Anodenversorgung (20) mit einem Wasserstoffspeicher (23), einem den Wasserstoffspeicher (23) mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbindenden Anodenversorgungspfad (21), einem einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (21) verbindenden Rezirkulationspfad (22, 25) sowie einer Fördereinrichtung (26) zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases, wobei das Brennstoffzellensystem (100) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
9. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8.

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