DE102018216263A1

DE102018216263A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen

Info

Publication number: DE102018216263A1
Application number: DE102018216263.8A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die aufweist eine Brennstoffleitung (5) zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir (10) zu einem Anodeneinlass (6) mindestens einer Brennstoffzelle, und eine Brennstoffrezirkulationsleitung (2), die von einem Anodenauslass (3) zu der Brennstoffleitung (5) stromauf des Anodeneinlasses (6) geführt ist, und der ein Rezirkulationsgebläse (8) sowie ein stromab des Rezirkulationsgebläses (8) angeordnetes Purgeventil (11) zugeordnet ist, umfassend die Schritte:- Vorgabe eines Betriebspunktes zum Öffnen des Purgeventils (11),- Bestimmung der Brennstoffkonzentration in dem in der Brennstoffrezirkulationsleitung (2) befindlichen Anodenabgasgemisch anhand der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses (8),- Öffnen des Purgeventils (11), wenn die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses (8) das Erreichen des Betriebspunktes indiziert,- Schliessen des Purgeventils (11), wenn die Brennstoffkonzentration in dem Anodenabgasgemisch einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Außerdem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.

Description

Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, die aufweist eine Brennstoffleitung zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir zu einem Anodeneinlass mindestens einer Brennstoffzelle, und eine Brennstoffrezirkulationsleitung, die von einem Anodenauslass zu der Brennstoffleitung stromauf des Anodeneinlasses geführt ist und der ein Rezirkulationsgebläse sowie ein stromab des Rezirkulationsgebäses angeordnetes Purgeventil zugeordnet ist, umfassend die Schritte:

- Vorgabe eines Betriebspunktes zum Öffnen des Purgeventils
- Bestimmung der Brennstoffkonzentration in dem in der Brennstoffrezirkulationsleitung befindlichen Anodenabgasgemisch anhand der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses
- Öffnen des Purgeventils, wenn die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses das Erreichen des Betriebspunktes indiziert
- Schliessen des Purgeventils, wenn die Brennstoffkonzentration in dem Anodenabgasgemisch einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert überschreitet.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.
Brennstoffzellenvorrichtungen dienen dazu, durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei in der elektrochemischen Reaktion ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, in der Regel Luft, der Brennstoffzelle als Reaktanten zugeführt werden. Dabei ist zu beachten, dass der Brennstoff in der Brennstoffzelle nicht vollständig verbraucht wird, sondern mit einem Anodenabgas die Brennstoffzelle hinsichtlich des nicht verbrauchten Anteils wieder verlässt, wobei das Anodenabgas ein Gasgemisch ist, das neben dem Brennstoff zum Beispiel auch Inertgas und Wasser umfasst. Um die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung zu erhöhen und den nicht verbrauchten Brennstoff nutzen zu können, erfolgt die Brennstoffzirkulation, bei der mittels eines Rezirkulationsgeblässes in einer Brennstoffrezirkulationsleitung das Anodenabgas wieder zu dem Anodeneinlass der Brennstoffzelle rückgeführt wird, wo es mit frischem Brennstoff gemischt erneut für die elektrochemische Reaktion bereitgestellt wird. Dabei ergibt sich allerdings die Notwendigkeit, Wassertropfen und Inertgase aus der Gasverteilungsstruktur der Brennstoffzelle auszutreiben, wozu der Vorgang des „Purge“, also eines Spülen genutzt wird, bei dem die unerwünschten Bestandteile durch das Purgeventil die Brennstoffzelle verlassen können. Da dabei auch Brennstoff ausgetragen wird, ist die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung beeinträchtigt.
In der DE 10 2007 026 004 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der die Anodenrückführleitung mit einer ersten Teilleitung und einer zweiten Teilleitung verbunden ist, wobei die zweite Teilleitung ein Rezirkulationsgebläse aufweist und der ersten Teilleitung ein Gasreservoir zugeordnet ist. Vor dem Verzweigungspunkt der Anodenrückführleitung in die erste Teilleitung und die zweite Teilleitung ist ein Flüssigwasserabscheider angeordnet, in dem zusätzlich eine Gaspurge-Funktion zur Entfernung von Inertgasen integriert ist, sodass neben Wasser auch Gasbestandteile, insbesondere Inertgase aus der Anodenrückführleitung entfernt werden können. In der Anodenrückführleitung sind zwei Ventile vorgesehen, entweder in der ersten Teilleitung stromab und stromauf des Reservoirs, oder verteilt der ersten Teilleitung und der zweiten Teilleitung zugeordnet. Bei dieser Brennstoffzellenvorrichtung werden zwei Betriebsphasen unterschieden, wobei in der ersten Betriebsphase das erste, stromab des Gasreservoirs gelegene Ventil geöffnet und das zweite Ventil gleichzeitig geschlossen ist, wohingegen das erste Ventil im Purgebetrieb geschlossen und das zweite Ventil gleichzeitig im geschlossenen Zustand in der zweiten Betriebsphase vorliegt. Im Zusammenwirken mit einer Saugstrahlpumpe wird in der ersten Betriebsphase, bei geöffnetem ersten Ventil im Gasreservoir ein Unterdruck erzeugt, der im zweiten Betriebszustand bei geschlossenem ersten Ventil und geöffneten zweiten Ventil genutzt wird, um einen kurzen, intensiven Purge zu erreichen.
In der US 2017/0309933 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der in der Brennstoffrezirkulationsleitung stromab des Rezirkulationsgebläses ein Purgeventil angeordnet ist. Im Hinblick auf den Startvorgang einer Brennstoffzellenvorrichtung wird erläutert, dass bei bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen ein Purge durchgeführt wird, selbst wenn der Startvorgang möglich wäre, ohne den Brennstoff und Stickstoff aus dem Kreislauf zu entfernen, sodass damit ein Verlust von Effizienz verbunden ist. Dieses Dokument schlägt daher ein Verfahren vor, bei dem der Stickstoffpartialdruck berechnet wird, der mit einem Zustand korrespondiert, in dem ein Start der Brennstoffzellenvorrichtung ohne Purge möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, dessen Effizienz weiter gesteigert ist, also der Verlust von Brennstoff weitergehend reduziert werden kann. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß Anspruch 9 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Wenn der Purge von Brennstoff unmittelbar nach dem Anodenauslass der Brennstoffzelle erfolgt, kann eine Änderung hinsichtlich des Zustandes des Anodenabgases, wie dieser durch den Druck, die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit beschrieben wird, nicht mehr erfolgen und es wird viel Brennstoff ausgetragen, der damit für die weitere Nutzung in der elektrochemischen Reaktion verloren ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt eine gezielte Anordnung des Purgeventils stromab des Rezirkulationsgebläses vor, das hinsichtlich seiner erforderlichen Leistung von den Eigenschaften des Gasgemisches in der Brennstoffrezirkulationsleitung abhängt, wobei insbesondere bei einer hohen Dichte des Gasgemisches mit einer hohen Brennstoffkonzentration eine höhere Leistungsaufnahme erforderlich ist. Die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses kann daher genutzt werden, um die Brennstoffkonzentration in dem Anodenabgas zu bestimmen. Damit besteht die Möglichkeit, einen Betriebspunkt zum Öffnen des Purgeventils vorzugeben, nämlich wenn beispielsweise die Brennstoffkonzentration hinreichend gering ist und dies durch eine entsprechend verminderte Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses erkannt wird. Dies ist ein geeigneter Zeitpunkt zum Öffnen des Purgeventils, das solange offengehalten werden kann, bis die Brennstoffkonzentration in dem Anodenabgasgemisch einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert wieder überschreitet, was ebenfalls durch die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses erkennbar ist.
Bevorzugt ist weiterhin, wenn bei Vorliegen einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer in der Brennstoffleitung angeordneten regelbaren Saugstrahlpumpe, in die die Brennstoffrezirkulationsleitung mündet, beim Öffnen des Purgeventils die Förderleistung der Saugstrahlpumpe reduziert wird. Dadurch ergibt sich in dem Anodenabgas eine „harte“ Front, an der sich die Konzentration des Brennstoffes stark ändert, da von der regelbaren Saugstrahlpumpe weniger Anodenabgasgemisch dem Anodeneinlass zugeführt wird, der damit weitgehend oder nahezu ausschließlich aus dem Brennstoffreservoir gespeist wird mit einer entsprechend hohen Brennstoffkonzentration.
Diese Änderung in der Brennstoffkonzentration vor und hinter der harten Gemischfront ist wiederum durch die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses detektierbar, sodass vorzugsweise das Purgeventil geschlossen wird, wenn eine starke Erhöhung der Brennstoffkonzentration in der Brennstoffrezirkulationsleitung beim Passieren einer Gemischfront durch das Rezirkulationsgebläse festgestellt wird.
Vorgesehen ist weiterhin, dass die Förderleistung der Saugstrahlpumpe beim Schließen des Purgeventils entsprechend den Brennstoffanforderungen der Brennstoffzelle geregelt wird, also die beim Öffnen des Purgeventils erfolgende Reduktion hinsichtlich der Förderleistung der Saugstahlpumpe nicht oder nicht vollständig wieder aufgehoben wird, sondern die Förderleistung der Saugstrahlpumpe als ein Parameter zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff bereitgestellt ist.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn zumindest für einen Teil der Zeitdauer zwischen dem Öffnen und dem Schließen des Purgeventils die Leistung des Rezirkulationsgebläses erhöht wird, um so eine schnellere und vom Betriebspunkt nahezu unabhängig kurze Zeitdauer eines Purge-Vorganges zu erreichen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass neben der Bestimmung der Brennstoffkonzentration des Anodenabgasgemisches anhand der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses ergänzend Sensoren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in der Brennstoffrezirkulationsleitung eingesetzt werden und/oder modellbasiert die Brennstoffkonzentration in der Brennstoffrezirkulationsleitung bestimmt wird.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile realisieren sich auch bei einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie bei einem Kraftfahrzeug mit einer solchen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine stark schematisierte Darstellung der Anodenseite einer Brennstoffzellenvorrichtung, und
2 eine zeitabhängige Darstellung der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses, einschließlich eines Purgevorganges (oben), sowie den zeitabhängigen Verlauf der Brennstoffkonzentration in der Anodenrezirkulationsleitung (unten).

Aus der 1 ist zu ersehen, dass bei dem zur Erläuterung der Erfindung gezeigten Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 anodenseitig eine Brennstoffrezirkulationsleitung 2 vorliegt, die von einem Anodenauslass 3 eines Brennstoffzellenstapels 4 zu der Brennstoffleitung 5 stromauf des Anodeneinlasses 6 geführt ist. Der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 ist ein Wasserabscheider 7 sowie ein Rezirkulationsgebläse 8 zugeordnet. Des Weiteren ist zu beachten, dass die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 in eine regelbare Saugstrahlpumpe 9 der Brennstoffleitung 5 mündet, sodass unterschiedliche Anteile des dem Brennstoffreservoir 10 entnommenen Brennstoffes und des Brennstoffes aus dem Anodenabgasgemisch dem Anodeneinlass 6 des Brennstoffzellenstapels 4 wieder zugeführt werden können. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 ist stromab des Rezirkulationsgebläses 8 ein Purgeventil 11 angeordnet. Optional ist stromauf des Rezirkulationsgebläses 8 ein Wasserabscheider 7 in die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 integriert.
Mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 besteht die Möglichkeit, einen Betriebspunkt zum Öffnen des Purgeventils 11 vorzugeben und anhand der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses 8 die Brennstoffkonzentration in dem in der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 befindlichen Anodenabgasgemisch zu bestimmen. Wenn die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses 8 das Erreichen des Betriebspunktes indiziert, kann das Öffnen des Purgeventils 11 erfolgen, das wieder geschlossen wird, wenn die Brennstoffkonzentration in dem Anodenabgasgemisch einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
Zu beachten ist weiterhin, dass die Möglichkeit besteht, dass beim Öffnen des Purgeventils 11 die Förderleistung der Saugstrahlpumpe 9 reduziert wird, sodass dem Brennstoffzellenstapel 4 Brennstoff aus dem Brennstoffreservoir 10 mit einer hohen Konzentration des Brennstoffes zugeführt wird, sodass sich eine Gemischfront ergibt, bei der vor der Gemischfront eine niedrigere Brennstoffkonzentration vorliegt, die sich hinter der Gemischfront sprunghaft ändert auf einen Wert mit einer hohen Brennstoffkonzentration. Da die Höhe der Brennstoffkonzentration durch die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläse 8 erkennbar ist, kann dieses Durchströmen der Gemischfront durch die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 beim Rezirkulationsgebläse 8 festgestellt werden, was zu dem Schließen des Purgeventils 11 führt (2). Dadurch ergibt sich eine Reduktion des Brennstoffverlustes während des Purgevorganges, der selber auch verkürzt werden kann, wenn zumindest für einen Teil der Zeitdauer zwischen dem Öffnen und dem Schließen des Purgeventils 11 die Leistung des Rezirkulationsgebläse 8 erhöht wird, um so das Anodenabgasgemisch mit der geringen Brennstoffkonzentration schneller aus der Brennstoffesrezirkulationsleitung 2 durch das Purgeventil 11 auszutreiben. Da das Purgeventil 11 stromab des Rezirkulationsgebläses 8 angeordnet ist, ist der Anteil der Brennstoffrezirkulationsleitung 2, in dem ein Anodenabgas mit niedriger Brennstoffkonzentration verbleibt, beim Schließen des Purgeventils 11 reduziert.
Nach dem Schließen des Purgeventils 11 kann die zuvor reduzierte Förderleistung der Saugstrahlpumpe 8 wieder erhöht, bzw. den Anforderungen der Brennstoffzelle entsprechend geregelt werden.
Ergänzend zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration anhand der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses 8 können auch Sensoren eingesetzt werden bzw. eine modellbasierte Bestimmung der Brennstoffkonzentrationen der Brennstoffrezirkulationsleitung erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffrezirkulationsleitung
3: Anodenauslass
4: Brennstoffzellenstapel
5: Brennstoffleitung
6: Anodeneinlass
7: Wasserabscheider
8: Rezirkulationsgebläse
9: Saugstrahlpumpe
10: Brennstoffreservoir
11: Purgeventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007026004 A1 [0004]
US 2017/0309933 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die aufweist eine Brennstoffleitung (5) zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir (10) zu einem Anodeneinlass (6) mindestens einer Brennstoffzelle, und eine Brennstoffrezirkulationsleitung (2), die von einem Anodenauslass (3) zu der Brennstoffleitung (5) stromauf des Anodeneinlasses (6) geführt ist, und der ein Rezirkulationsgebläse (8) sowie ein stromab des Rezirkulationsgebläses (8) angeordnetes Purgeventil (11) zugeordnet ist, umfassend die Schritte: - Vorgabe eines Betriebspunktes zum Öffnen des Purgeventils (11), - Bestimmung der Brennstoffkonzentration in dem in der Brennstoffrezirkulationsleitung (2) befindlichen Anodenabgasgemisch anhand der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses (8), - Öffnen des Purgeventils (11), wenn die Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses (8) das Erreichen des Betriebspunktes indiziert, - Schliessen des Purgeventils (11), wenn die Brennstoffkonzentration in dem Anodenabgasgemisch einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer in der Brennstoffleitung (5) angeordneten regelbaren Saugstrahlpumpe (9), in die die Brennstoffrezirkulationsleitung (2) mündet, beim Öffnen des Purgeventils (11) die Förderleistung der Saugstrahlpumpe (9) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Purgeventil (11) geschlossen wird, wenn eine starke Erhöhung der Brennstoffkonzentration in der Brennstoffrezirkulationsleitung (2) beim Passieren einer Gemischfront durch das Rezirkulationsgebläse (8) festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung der Saugstrahlpumpe (9) beim Schliessen des Purgeventils (11) entsprechend den Brennstoffanforderungen der Brennstoffzelle geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest für einen Teil der Zeitdauer zwischen dem Öffnen und dem Schliessen des Purgeventils (11) die Leistung des Rezirkulationsgebläses (8) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend Sensoren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in der Brennstoffrezirkulationsleitung (2) eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass modellbasiert die Brennstoffkonzentration in der Brennstoffrezirkulationsleitung (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.