DE102019211490A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Wasserstofftank zur Speisung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, umfassend die Schritte des Auffüllens des Wasserstofftanks an einer Füllstation (4), Durchführen einer Regeneration (2) des Brennstoffzellenstapels und nachfolgend Erfassen des zeitlichen Verlaufs einer Spannungs-Strom-Kennlinie (U/I-Kennlinie (1)) und daraus Bestimmen des CO-Gehalts in dem an der Füllstation (4) nachgefüllten Wasserstoff. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Wasserstofftank zur Speisung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, ausgestattet mit einer Steuereinheit (8) zur Durchführung des Verfahrens

Description

  • Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Wasserstofftank zur Speisung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, umfassend die Schritte des Auffüllens des Wasserstofftanks an einer Füllstation, Durchführen einer Regeneration des Brennstoffzellenstapels und nachfolgend Erfassen des zeitlichen Verlaufs einer Spannungs-Strom-Kennlinie (U/I-Kennlinie) und daraus Bestimmen des CO-Gehalts in dem an der Füllstation nachgefüllten Wasserstoff. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, das zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.
  • Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellenvorrichtungen finden immer weitere Verbreitung, da diese die Möglichkeit der Realisierung einer E-Mobilität bieten mit dem den Nutzern von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren der gewohnte Komfort hinsichtlich des Tankens und der mit der Füllung des Wasserstofftanks erzielbare Reichweite.
  • In der WO 2018/083781 A1 ist ein Wasserstoffverwaltungssystem beschrieben, bei dem ein Mittel zum Planen des Nachfüllens offenbart ist, das den Wasserstoffbedarf für eine Mehrzahl von Brennstoffzellenfahrzeugen und einen Wasserstoffproduktionsplan aufeinander abstimmt.
  • In der JP 2006 235 846 A ist ein Wasserstoffversorgungssystem beschrieben, in dem Wasserstoff hergestellt und verteilt wird, wobei mehrere Fahrzeuge über ein Kommunikationsnetzwerk mit der Füllstation kommunizieren, um Daten über den derzeitigen Zustand des Kraftfahrzeugs anzuzeigen, woraufhin die Füllstation diese Information abspeichert zur Produktion des erforderlichen Wasserstoffes.
  • Die DE 102 41 688 A1 beschreibt einen Steuerserver für eine Wasserstofftankstellen-Ladesteuereinheit, der in der Lage ist, durch ein Kommunikationsnetzwerk mit einer Mehrzahl von Wasserstofffahrzeugen zu kommunizieren.
  • Die Wasserstoffproduktion selber kann im Wesentlichen auf zwei Arten erfolgen, nämlich zum Einen durch Reformation aus Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen. Bei der Reformation wird CO2 freigesetzt, sodass diese Produktion nicht CO2-neutral ist. Die andere Möglichkeit der Wasserstoffherstellung besteht in der Elektrolyse, die CO2-neutral durchgeführt werden kann, wenn dazu regenerativ produzierter Strom verwendet wird. Zu beachten ist dabei, dass die Qualität des hergestellten Wasserstoffes sich je nach Herstellungsart unterscheidet, da bei der Reformation der hergestellte Wasserstoff mit Rest-Anteilen von Kohlenmonoxid (CO) versetzt ist, während sich kein Kohlenmonoxid im Wasserstoff befindet, der durch Elektrolyse produziert wird.
  • Jede der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Den Anoden und/oder den Kathoden ist in der Regel ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet ist, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion dienen. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung verschiebt sich die U/I-Kennlinie nach unten durch eine geringere Katalysatoraktivität, wobei das bei der Reformation im Wasserstoff verbleibende Kohlenmonoxid als Katalysatorgift wirkt und damit zu einem schnelleren Absinken der U/I-Kennlinie führt.
  • Es ist bekannt, im Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung sogenannte Regenerationsphasen durchzuführen, in denen regenerative Degradationsprozesse umgekehrt werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein CO2-neutraler Betrieb des Kraftfahrzeuges gefördert und eine Beeinträchtigung der Brennstoffzellenvorrichtung durch im Wasserstoff enthaltenes Kohlenmonoxid vermieden oder zumindest vermindert wird. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus und schließt diese mit ein, dass die Durchführung einer Regeneration des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist, wodurch der Startwert der U/I-Kennlinie im Wesentlichen reproduzierbar festgelegt wird. Aus dem zeitlichen Verlauf der U/I-Kennlinie nach der Regeneration ergibt sich ein Referenzpunkt. Erfolgt nun ein Auffüllen des Wasserstofftanks mit durch Reformation gewonnenen Wasserstoff, ist in diesem Kohlenmonoxid enthalten, das als Katalysatorgift wirkt und ein schnelleres Absinken der U/I-Kennlinie verursacht, sodass durch den Vergleich mit der Referenz der CO-Gehalt in dem an der Füllstation nachgefüllten Wasserstoff bestimmt bzw. im Rahmen der MessgenaU/Igkeit abgeschätzt werden kann. Dadurch wird die Information gewonnen, ob der an der Füllstation nachgefüllte Wasserstoff durch Reformation oder durch Elektrolyse gewonnen wurde, sodass weiterhin vorgesehen ist, dass der aus dem Absinken der U/I-Kennlinie bestimmte CO-Gehalt benutzt wird, um die Füllstation einer Gruppe von Reformation-Füllstationen oder einer Gruppe von Elektrolyse-Füllstationen zuzuordnen.
  • Im Rahmen des Verfahrens besteht weiterhin die Möglichkeit, dass zwischen dem Ende des Auffüllens und dem Beginn der Regeneration ein Zeitintervall liegt, in dem die Brennstoffzellenvorrichtung betrieben wird. Es besteht also nicht die Notwendigkeit, unmittelbar nach dem Auffüllen die Regeneration 2 einzuleiten, sondern die Brennstoffzellenvorrichtung kann noch so lange betrieben werden, bis die hinsichtlich der Notwendigkeit einer Regeneration 2 überwachten Parameter deren Initiierung indizieren.
  • Bevorzugt ist weiterhin, dass das Auffüllen erst durchgeführt wird, wenn der Füllstand des Wasserstofftanks in den Reservebereich abgesunken ist, damit eine Verfälschung bei der Zuordnung der Füllstation zu einer der beiden Gruppen vermieden ist.
  • Ganz besonders bevorzugt ist weiterhin, dass die Zuordnung der Füllstation zu einer der Gruppen in einer Speichereinheit gespeichert wird. Dadurch ist sichergestellt, dass nicht nur die Information vorliegt, ob Kohlenmonoxid enthaltender Wasserstoff an der Füllstation getankt wurde, sondern dass diese Information auch für nachfolgende Tankvorgänge zur Verfügung steht.
  • Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass die Speichereinheit extern des Kraftfahrzeuges angeordnet ist als Teil eines Netzwerkes, in das auch andere, gleichartige Fahrzeuge ihre Daten bezüglich des CO-Gehaltes übertragen oder Daten von dort abrufen können. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Eingruppierung sehr vieler Füllstationen in kurzer Zeit möglich ist, wobei auch eine Kontrolle erfolgen kann, ob die Eingruppierung einer Füllstation unverändert zutreffend ist oder aktualisiert werden muss. Zweckmäßigerweise ist die Speichereinheit in einer Cloud angeordnet, in die die Datenübertragung kabellos ermöglicht ist, sodass über ein mit dem Kraftfahrzeug gekoppeltes Handy oder über eine dem Kraftfahrzeug zugeordnete SIM-Karte oder eine WLAN-Kommunikationseinheit eine einfache Kommunikation mit der Cloud möglich ist.
  • Als vorteilhaft hat sich weiterhin gezeigt, wenn im Navigationssystem des Kraftfahrzeuges die Zuordnung der eingruppierten Füllstation zu der zugehörigen Gruppe angezeigt wird, wobei im Navigationssystem die Präferenz zur Nutzung einer ausgewählten Gruppe vorgegeben werden kann. Bevorzugt ein Nutzer bspw. CO2-neutral gewonnenen Wasserstoff, so können im Navigationssystem die entsprechend zur Verfügung stehenden Füllstationen im Rahmen der vorliegenden Restreichweite angegeben werden. Findet sich im Rahmen der Restreichweite keine derartige Füllstation mit CO2-neutral gewonnenen Wasserstoff kann, können selbstverständlich sämtliche Füllstationen berücksichtigt werden, um ein Liegenbleiben des Kraftfahrzeuges zu vermeiden.
  • Die vorstehend genannten Vorteile, die sich durch die Durchführung des Verfahrens ergeben, gelten sinngemäß auch für ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Steuereinheit und gegebenenfalls einer Kommunikationseinheit.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • 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 Darstellung von U/I-Kennlinien für den regulären Betrieb (gepunktet dargestellt) und nach der Regeneration (gestrichelt dargestellt),
    • 2 eine zeitabhängige Darstellung des Spannungsverlaufs für einen konstanten Betriebspunkt der Brennstoffzellenvorrichtung zur Veranschaulichung der Wirkung der Regeneration und des Einflusses der CO-Vergiftung des Katalysators, und
    • 3 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufes mit Erfassung und Auswertung der Messdaten und deren Übergabe an die Cloud zur Bereitstellung bei der Auswahl einer geeigneten Füllstation.
  • Der beim Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung benötigte Wasserstoff kann im Wesentlichen auf zwei Wegen gewonnen werden, nämlich zum einen durch Reformation aus Erdgas oder einem anderen Kohlenwasserstoff oder durch Elektrolyse. Der durch Elektrolyse hergestellte Wasserstoff ist CO2-neutral, wenn regenerativ gewonnener Strom für die Elektrolyse verwendet wird. Dieser durch Elektrolyse gewonnene Wasserstoff enthält des Weiteren kein Kohlenmonoxid, während bei der Reformation von Kohlenwasserstoffen Rest-Anteile von CO im Wasserstoff verbleiben. Dieses Kohlenmonoxid wirkt als Katalysatorgift und bewirkt ein schnelleres Absinken der U/I-Kennlinie über einen bestimmten Zeitraum.
  • Das Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Wasserstofftank zur Speisung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, bei dem zunächst der Wasserstofftank an einer Füllstation aufgefüllt wird, nutzt aus, dass bei einem Brennstoffzellenstapel eine sogenannte Regeneration 2 erforderlich ist, durch die reversible Degenerationsprozesse rückgängig gemacht werden, wobei die Regeneration 2 gleichfalls Auswirkung auf die U/I-Kennlinie 1 hat, diese insbesondere auf ihren Ausgangswert 3 anhebt. Bei dem Erfassen des zeitlichen Verlaufs der U/I-Kennlinie 1 kann erkannt werden, ob neben den normalen Degradationsmechanismen zusätzlich eine CO-Vergiftung wirkt, also die U/I-Kennlinie 1 schneller abfällt, sodass daraus geschlossen werden kann, ob der an der für Füllstation 4 nachgefüllte Wasserstoff durch Reformation oder durch Elektrolyse gewonnen worden ist.
  • In der 1 sind zwei U/I-Kennlinien 1 dargestellt, wobei die gepunktete Linie den Verlauf bei wirkender Degradation 6 angibt, während die gestrichelte Linie den Verlauf nach der Regeneration 2 zeigt.
  • Die 2 zeigt bei der zeitabhängigen Darstellung des Spannungsverlaufs die Spannungserhöhung nach einer Regeneration 2 auf einen Ausgangswert 3. Ausgehend von diesem Ausgangswert 3 ergibt sich ein erwarteter Verlauf einer normalen Degradation 5 ohne die Wirkung einer CO-Vergiftung, während die CO-Vergiftung zu einer schnelleren Degradation 6 führt.
  • Das Auffüllen des Wasserstofftanks mit Wasserstoff, der aus einem Reformationsprozess gewonnen wurde, ist damit technisch nachteilhaft und sollte vermieden werden, wobei der Nutzer des Kraftfahrzeugs an der Füllstation 4 keine Information über die Qualität bzw. die Herstellungsart erhält. Durch die Auswertung entsprechend der 2 kann der CO-Gehalt in dem an der Füllstation 4 nachgefüllten Wasserstoffs bestimmt werden. Damit besteht die Möglichkeit, dass der aus dem Absinken der U/I-Kennlinie 1 bestimmte CO-Gehalt benutzt wird, um die Füllstation 4 einer Gruppe von Reformation-Füllstationen oder einer Gruppe von Elektrolyse-Füllstationen zuzuordnen, wobei die Zuordnung der Füllstation 4 zu einer der Gruppe in einer Speichereinheit gespeichert wird. Diese Speichereinheit muss nicht in dem Kraftfahrzeug selber angeordnet sein, sondern kann alternativ oder auch ergänzend extern des Kraftfahrzeuges angeordnet sein als Teil eines Netzwerkes, in das auch andere, gleichartige Fahrzeuge ihre Daten bzgl. des CO-Gehaltes übertragen können.
  • Es besteht also die Möglichkeit, die Speichereinheit in einer Cloud 7 anzuordnen, in die die Datenübertragung kabellos ermöglicht ist. Die zur Verfügung stehenden Informationen können auch im Navigationssystem des Kraftfahrzeuges ausgewertet werden, mit einer Zuordnung der eingruppierten Füllstationen 4 zur dazugehörigen Gruppe, wobei auch eine Darstellung auf der von dem Navigationssystem genutzten Karte möglich ist.
  • Auch kann im Navigationssystem die Präferenz zur Nutzung einer ausgewählten Gruppe vorgegeben werden, sodass im Rahmen der zur Verfügung stehenden Restreichweite vorzugsweise eine Füllstation 4 angefahren werden kann, deren Wasserstoff durch Elektrolyse, also ohne Rest-Anteile von Kohlenmonoxid, gewonnen ist.
  • Dieser entsprechende Ablauf ist in der 3 dargestellt. Diese zeigt, dass ausgehend von einem Tankvorgang in einer Füllstation 4 eine Regeneration 2 durchgeführt wird, die die Bestimmung des CO-Gehaltes 9 ermöglicht, z.B. im Steuergerät der Brennstoffzellenvorrichtung. Diese Kenntnis kann geteilt werden und der Cloud 7, aus der vor einem neuen Tankvorgang die Daten, auch an anderen Kraftfahrzeugen 20 über die Füllstation 4 abgerufen werden kann. In dem Bestimmen des CO-Gehalts in einer Steuereinheit 8 des Kraftfahrzeugs, die über eine Kommunikationseinheit mit der externen Speichereinheit in der Cloud 7 kommuniziert, um im Falle eines erforderlichen Tankvorganges aus der Cloud 7 die Informationen über die Füllstationen 4 abzurufen und bei der Auswahl der Füllstation 4 zu berücksichtigen.
  • Zu beachten ist weiterhin, dass die Regeneration 2 nicht unmittelbar nach dem Ende des Auffüllens durchgeführt werden muss, und dass das Auffüllen vorzugsweise erst durchgeführt wird, wenn der Füllstand des Wasserstofftanks in den Reservebereich abgesunken ist, um eine Verfälschung durch Kohlenmonoxid zu vermeiden, das mit dem zuvor stattgefundenen Füllvorgang in den Wasserstofftank gelangt ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    U/I-Kennlinie
    2
    Regeneration
    3
    Ausgangswert
    4
    Füllstation
    5
    normale Degradation
    6
    Degradation mit CO-Vergiftung
    7
    Cloud
    8
    Steuereinheit
    9
    Bestimmung CO-Gehalt
    10
    System aus anderer Kraft
  • 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
    • WO 2018/083781 A1 [0003]
    • JP 2006235846 A [0004]
    • DE 10241688 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Wasserstofftank zur Speisung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, umfassend die Schritte des Auffüllens des Wasserstofftanks an einer Füllstation (4), Durchführen einer Regeneration (2) des Brennstoffzellenstapels und nachfolgend Erfassen des zeitlichen Verlaufs einer Spannungs-Strom-Kennlinie (U/I-Kennlinie (1)) und daraus Bestimmen des CO-Gehalts in dem an der Füllstation (4) nachgefüllten Wasserstoff.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Absinken der U/I-Kennlinie (1) bestimmte CO-Gehalt benutzt wird, um die Füllstation (4) einer Gruppe von Reformation-Füllstationen oder einer Gruppe von Elektrolyse-Füllstationen zu zuordnen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ende des Auffüllens und dem Beginn der Regeneration (2) ein Zeitintervall liegt, in dem die Brennstoffzellenvorrichtung betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffüllen erst durchgeführt wird, wenn der Füllstand des Wasserstofftanks in den Reservebereich abgesunken ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Füllstation (4) zu einer der Gruppen in einer Speichereinheit gespeichert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit extern des Kraftfahrzeuges angeordnet ist als Teil eines Netzwerkes, in das auch andere, gleichartige Kraftfahrzeuge ihre Daten bezüglich des CO-Gehaltes übertragen können.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit in einer Cloud (7) angeordnet ist, in die die Datenübertragung kabellos ermöglicht ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Navigationssystem des Kraftfahrzeuges die Zuordnung der eingruppierten Füllstationen (4) zu der zugehörigen Gruppe angezeigt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Navigationssystem die Präferenz zur Nutzung einer ausgewählten Gruppe vorgegeben werden kann.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Wasserstofftank zur Speisung eines Brennstoffzellenstapels mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist, ausgestattet mit einer Steuereinheit (8) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
DE102019211490.3A 2019-08-01 2019-08-01 Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug Withdrawn DE102019211490A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102017221319A1 (de) * 2017-10-13 2019-04-18 Hyundai Motor Company System und Verfahren zum Abtasten eines Wasserstoff-Befüllungszustands eines Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs

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