DE102017220556A1 - Control method and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren zur Begrenzung der Wasserstoffkonzentration in einem Kathodenabgas eines einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen (3) umfassenden Brennstoffzellensystems (1), das eine Anodengasversorgung (5) zur anodenseitigen Versorgung des Brennstoffzellenstapels (2) mit Wasserstoff und eine Kathodengasversorgung (4) mit einer Kathodenzuleitung (6) und mit einer Kathodenabgasleitung (7) zur kathodenseitigen Versorgung des Brennstoffzellenstapels (2) mit einem Kathodengas aufweist, insbesondere in einem sauerstoffverarmten Betrieb. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bestimmen einer Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas, Zuführen von Wasserstoff über eine Verbindungsleitung (8) von der Anodengasversorgung (5) zu der stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Kathodenzuleitung (6), Abreagieren des der Kathodenzuleitung (6) zugeführten Wasserstoffs mit dem Kathodengas in einer Reaktionsvorrichtung, Erhöhen des Luftmassenstroms und Variieren der zugeführten Menge des Wasserstoffs zu der Kathodenzuleitung (6) in Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1).The invention relates to a control method for limiting the hydrogen concentration in a cathode exhaust gas of a fuel cell stack (2) comprising a plurality of fuel cells (3) comprising fuel cell system (5) for anode-side supply of the fuel cell stack (2) with hydrogen and a Cathode gas supply (4) having a cathode feed line (6) and with a cathode exhaust gas line (7) for cathode-side supply of the fuel cell stack (2) with a cathode gas, in particular in an oxygen depleted operation. The method comprises the steps of: determining a hydrogen concentration in the cathode exhaust gas, supplying hydrogen via a connecting line (8) from the anode gas supply (5) to the cathode feed line (6) arranged upstream of the fuel cell stack (2), reacting the cathode feed line (6) supplied hydrogen with the cathode gas in a reaction apparatus, increasing the air mass flow and varying the supplied amount of hydrogen to the cathode supply line (6) in dependence on the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas. In addition, the invention relates to a fuel cell system (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren zur Begrenzung der Wasserstoffkonzentration in einem Kathodenabgas eines Brennstoffzellensystems. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a control method for limiting the hydrogen concentration in a cathode exhaust gas of a fuel cell system. Moreover, the present invention relates to a fuel cell system.
Bei Brennstoffzellensystemen, die einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen umfassen, ist üblicherweise eine Anodengasversorgung zur anodenseitigen Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff und eine Kathodengasversorgung zur kathodenseitigen Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem Kathodengas, das üblicherweise aus Luft gebildet ist, vorgesehen. Die Kathodengasversorgung umfasst dabei eine Kathodenzuleitung, die stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, und eine stromabwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Kathodenabgasleitung. Dabei wird über einen der Kathodenzuleitung zugeordneten Verdichter die Luft dem Brennstoffzellenstapel zugeführt.In fuel cell systems comprising a fuel cell stack having a plurality of fuel cells, an anode gas supply for anode-side supply of the fuel cell stack with hydrogen and a cathode gas supply for cathode-side supply of the fuel cell stack with a cathode gas, which is usually formed of air, is usually provided. The cathode gas supply in this case comprises a cathode feed line, which is arranged upstream of the fuel cell stack, and a cathode exhaust gas line arranged downstream of the fuel cell stack. In this case, the air is supplied to the fuel cell stack via a compressor associated with the cathode feed line.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der
Bei der in der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu reduzieren und dabei insbesondere ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas gesteuert werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.The invention is therefore based on the object to reduce the above-mentioned disadvantages, and in particular to provide a method by which the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas can be controlled. It is another object of the invention to provide an improved fuel cell system.
Die das Steuerungsverfahren betreffende Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Begrenzung der Wasserstoffkonzentration in einem Kathodenabgas eines einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellensystems, das eine Anodengasversorgung zur anodenseitigen Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff und eine Kathodengasversorgung mit einer Kathodenzuleitung und mit einer Kathodenabgasleitung zur kathodenseitigen Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem Kathodengas aufweist, insbesondere in einem sauerstoffverarmten Betrieb, gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieses umfasst dabei die Schritte:
- - Bestimmen einer Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas,
- - Zuführen von Wasserstoff über eine Verbindungsleitung von der Anodengasversorgung zu der stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Kathodenzuleitung,
- - Abreagieren des der Kathodenzuleitung zugeführten Wasserstoffs mit dem Kathodengas in einer Reaktionsvorrichtung,
- - Erhöhen des Luftmassenstroms, und
- - Variieren der zugeführten Menge des Wasserstoffs zu der Kathodenzuleitung in Abhängigkeit von der Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas.
- Determining a hydrogen concentration in the cathode exhaust gas,
- Supplying hydrogen via a connecting line from the anode gas supply to the cathode feed line arranged upstream of the fuel cell stack,
- Reacting the hydrogen supplied to the cathode feed line with the cathode gas in a reaction device,
- - increasing the air mass flow, and
- Varying the supplied amount of hydrogen to the cathode supply line depending on the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas.
Während es im Normalmodus des Brennstoffzellensystems möglich ist, den vom Verdichter geförderten Massenstrom annähernd beliebig zu erhöhen, indem auf der Luftseite des Brennstoffzellensystems die Überstöchiometrie erhöht wird, ist im luftverarmten Betrieb, beispielsweise bei einem Froststart, die vom Verdichter zugeführte Sauerstoffmenge hart an die Stromstärke der Brennstoffzelle gekoppelt, so dass es nicht ohne weiteres möglich ist, den Verdichter mehr Luft fördern zu lassen. Durch die Zuführung des Wasserstoffs in die Kathodenzuleitung kann nun der in der Luft enthaltene Sauerstoff mit dem zugeführten Wasserstoff abreagieren. Hiermit lässt sich der Luftmassenstrom des Verdichters, der sonst von der aus dem Brennstoffzellenstapel angeforderten Leistung abhängig ist, unabhängig hiervon erhöhen. Damit steht dann insbesondere mehr molekularer Stickstoff für die Verdünnung des in dem Kathodenabgas enthaltenen Wasserstoffs bereit. Auch bietet dies dabei bedeutsame Vorteile, wenn der Verdichter an der Pumpgrenze betrieben wird. Zudem kann dann auf die Verwendung eines Wastegates verzichtet werden. Letztlich entsteht durch die Reaktion zwischen dem Luftsauerstoff und dem zugeführten Wasserstoff Reaktionswärme, die verwendet werden kann, das Kathodengas aufzuwärmen, was insbesondere bei einem Froststart von Vorteil ist. Im Rahmen der Erfindung ist es hierbei insbesondere auch vorgesehen, dass die Wasserstoffzufuhr zu der Kathodenzuleitung proaktiv erfolgt, also ohne zunächst die Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas zu bestimmen. Insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem luftverarmt betrieben wird, es also bekannt ist, dass in dem Kathodenabgas relativ viel Wasserstoff enthalten sein wird, kann der Wasserstoff der Kathodenzuleitung direkt zugeführt werden, ohne zunächst die Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas zu bestimmen. Dieser Schritt kann dann zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, um die Begrenzung zu steuern.While it is possible in the normal mode of the fuel cell system to increase the volume flow promoted by the compressor almost arbitrarily by the superstoichiometry is increased in the air side of the fuel cell system, in the air-starved operation, for example, a frost start, the amount of oxygen supplied by the compressor hard to the current strength of Fuel cell coupled so that it is not readily possible to let the compressor promote more air. By supplying the hydrogen into the cathode feed line, the oxygen contained in the air can now react with the supplied hydrogen. This makes it possible to increase the air mass flow of the compressor, which otherwise depends on the power demanded from the fuel cell stack, independently of this. In particular, more molecular nitrogen is then available for the dilution of the hydrogen contained in the cathode exhaust gas. This also offers significant advantages when the compressor is operated at the surge line. In addition, then can be dispensed with the use of a wastegate. Ultimately, by the reaction between the atmospheric oxygen and the supplied hydrogen reaction heat, which is used can be to warm the cathode gas, which is particularly advantageous in a frost start. In the context of the invention, it is also provided in this case in particular that the supply of hydrogen to the cathode feed line takes place proactively, ie without first determining the hydrogen concentration in the cathode waste gas. In particular, if the fuel cell system is operated in an air-depleted manner, ie it is known that relatively much hydrogen will be contained in the cathode exhaust gas, the hydrogen can be fed directly to the cathode feed line without first determining the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas. This step can then be done at a later time to control the boundary.
Als besonders vorteilhaft hat es sich auch gezeigt, wenn die Menge des zugeführten Wasserstoffs erhöht wird bei Überschreiten eines vorgebbaren Wasserstoffgrenzwertes in dem Kathodenabgas. Durch die vermehrte Zuführung von Wasserstoff in das Kathodengas, das mit dem in dem Kathodengas enthaltenen Sauerstoff reagiert, lässt sich der Massenstrom des Verdichters, der das Kathodengas zu der Kathode befördert, erhöhen. Somit erhöht sich in dem Kathodenabgas der Anteil von molekularem Stickstoff, so dass der von der Anode durch die Brennstoffzelle in die Kathode transportierte Wasserstoff verdünnt wird. Die Verdünnung wird solange fortgesetzt, bis eine der gesetzlich zulässige Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas erreicht ist.It has also proven to be particularly advantageous if the amount of hydrogen introduced is increased when a predeterminable limit value of hydrogen in the cathode exhaust gas is exceeded. By the increased supply of hydrogen into the cathode gas, which reacts with the oxygen contained in the cathode gas, the mass flow of the compressor, which conveys the cathode gas to the cathode, increase. Thus, in the cathode exhaust gas, the proportion of molecular nitrogen increases, so that the hydrogen transported from the anode through the fuel cell into the cathode is diluted. The dilution is continued until a legally permissible hydrogen concentration in the cathode exhaust gas is reached.
In diesem Zusammenhang hat es sich besonders bewährt, wenn die Verbindungsleitung zwischen einem Verdichter und dem Brennstoffzellenstapel in die Kathodenzuleitung mündet. Hierdurch kann der Massenstrom des Verdichters besonders einfach eingestellt werden. Als vorteilhaft hat es sich zudem auch gezeigt, wenn das Zuführen des Wasserstoffs zwischen dem Verdichter und einem Befeuchter erfolgt. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Bauweise erreichen, da dann die Reaktionsvorrichtung in dem Befeuchter angeordnet werden kann.In this context, it has proven particularly useful when the connecting line between a compressor and the fuel cell stack opens into the cathode feed line. As a result, the mass flow of the compressor can be adjusted particularly easily. In addition, it has also proven to be advantageous if the supply of hydrogen between the compressor and a humidifier takes place. This makes it possible to achieve a particularly compact construction, since then the reaction device can be arranged in the humidifier.
Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn das Abreagieren des zugeführten Wasserstoffs in einem als Reaktionsvorrichtung dienenden Katalysator erfolgt, der in dem Befeuchter angeordnet ist. Der Katalysator kann dabei als platinfreier Katalysator z.B. auf Nickelbasis gebildet sein. Alternativ ist es jedoch auch vorgesehen, den dem Kathodengas zugeführten Wasserstoff direkt im Brennstoffzellenstapel abreagieren zu lassen oder anstelle eines Katalysators einen Brenner zu verwenden.It has also proved to be particularly advantageous if the hydrogen reacted is reacted in a catalyst serving as a reaction device, which is arranged in the humidifier. The catalyst can be used as platinum-free catalyst e.g. be formed on nickel base. Alternatively, however, it is also provided to let the cathode gas supplied to hydrogen react directly in the fuel cell stack or to use a burner instead of a catalyst.
Die Wasserstoffkonzentration kann dabei besonders einfach durch ein Messen und/oder modeltechnisch bestimmt werden, wobei sich das Messen als besonders einfach zu realisierende Möglichkeit erwiesen hat.The hydrogen concentration can be determined in a particularly simple manner by measuring and / or model technology, with the measurement having proven to be particularly easy to implement possibility.
Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Dieses umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von stapelweise angeordneten Brennstoffzellen, eine Kathodengasversorgung, die eine Kathodenzuleitung und eine ein Kathodenabgas emittierende Kathodenabgasleitung umfasst zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem Kathodengas, und eine Anodengasversorgung zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit einem Anodengas, wobei die Anodengasversorgung zur Zuführung des Anodengases zu der Kathode über eine Verbindungsleitung mit der Kathodenzuleitung fluidleitend verbunden ist. Erfindungsgemäß ist ein Steuerungsmittel vorgesehen zur Steuerung der der Kathodenzuleitung zugeführten Menge des Anodengases in Abhängigkeit von einer in dem Kathodenabgas enthaltenen Anodengaskonzentration.The object concerning the fuel cell system is achieved according to the invention by the features of
Hierdurch wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das bei einem unter Luftverarmung betriebenen Froststart eine ausreichende Verdünnung des von der Anode auf die Kathode gepumpten Wasserstoffs gewährleistet, um die gesetzlichen Anforderungen hinsichtlich der Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas zu erreichen. Zudem wird hierdurch eine einfache Möglichkeit geschaffen, den Verdichter mit einem erhöhten Massenstrom betreiben zu können, ohne ein Wastegate verwenden zu müssen.In this way, a fuel cell system is provided, which ensures a sufficient dilution of the pumped from the anode to the cathode hydrogen in a run under air depletion of frost to achieve the legal requirements regarding the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas. In addition, this creates a simple way to operate the compressor with an increased mass flow, without having to use a wastegate.
Zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas hat es sich zudem als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn dem Steuerungsmittel eine Messzelle zugeordnet ist, die vorzugsweise in der Kathodenabgasleitung angeordnet ist.For detecting the hydrogen concentration in the cathode exhaust gas, it has also proven to be particularly advantageous if the control means is associated with a measuring cell, which is preferably arranged in the cathode exhaust gas line.
Bewährt hat es sich auch, wenn eine die Reaktion zwischen dem Kathodengas und dem zugeführten Wasserstoff begünstigende Reaktionsvorrichtung vorgesehen ist. Diese kann dabei in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel als ein Katalysator gebildet sein, der in einem der Kathodengasversorgung zugeordneten Befeuchter angeordnet ist. Hierdurch wird der zugeführte Wasserstoff in Wasser umgewandelt und durch die dabei entstehende Wärme zusätzlich das dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Kathodengas erwärmt.It has also proved useful if a reaction device favoring the reaction between the cathode gas and the supplied hydrogen is provided. This can be formed in a particularly preferred embodiment as a catalyst, which is arranged in a cathode gas supply associated with the humidifier. As a result, the supplied hydrogen is converted into water and heated by the resulting heat in addition, the fuel cell stack supplied cathode gas.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, und -
2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a fuel cell system, and -
2 a flow diagram of the method according to the invention.
Um den durch die Verbindungsleitung
Ergibt die Überprüfung in Schritt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 22
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 33
- Brennstoffzellefuel cell
- 44
- KathodengasversorgungCathode gas supply
- 55
- AnodengasversorgungAnode gas supply
- 66
- Kathodenzuleitungcathode lead
- 7 7
- KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
- 88th
- Verbindungsleitungconnecting line
- 99
- Steuerungsmittelcontrol means
- 1010
- Messzellecell
- 1111
- Verdichtercompressor
- 1212
- Befeuchterhumidifier
- 1313
- Katalysatorcatalyst
- S1-S4S1-S4
- ÜberprüfungsschrittVerification step
- B1B1
- Betriebszustand NormalmodusOperating mode Normal mode
- B2B2
- Betriebszustand luftverarmter ModusOperating mode air-depleted mode
- A1-A6A1-A6
- ErgebnisabfrageResults query
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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