DE102019214573A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem einer Anode (1) einer Brennstoffzelle über einen Versorgungspfad (2) ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt und die Zuführung des Anodengases durch Schalten eines in den Versorgungspfad (2) integrierten Ventils (3) gesteuert wird. Erfindungsgemäß werden durch Schalten des Ventils (3) im Anodengas erzeugte Schallwellen erfasst und zur Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases herangezogen.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
  • Stand der Technik
  • Mit Hilfe einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art wird unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann eine Polymermembran als Elektrolyt dienen. Ist dies der Fall, handelt es sich um eine PEM („Proton Exchange Membran“) -Brennstoffzelle. Brennstoffzellensysteme mit derartigen Brennstoffzellen werden als PEM-Brennstoffzellensysteme bezeichnet.
  • Die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems im Wege der elektrochemischen Wandlung gewonnene elektrische Energie kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der hierzu benötigte Wasserstoff wird an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Tank mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden.
  • Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems kann es innerhalb einer Brennstoffzelle zu einer lokalen Unterversorgung mit Wasserstoff kommen. Grund hierfür kann bzw. können insbesondere das Auskondensieren von Wasser und/oder eine veränderte Gaszusammensetzung sein. Beispielsweise kann im Betrieb der Brennstoffzelle Stickstoff in den Bereich der Anode hineindiffundieren und sich mit dem Wasserstoff mischen. Steht der Brennstoffzelle keine ausreichende Menge an Wasserstoff zur Verfügung, kommt es - bei unverändertem Strombedarf zur Aufrechterhaltung des Stromflusses - zu einer Oxidation von Kohlenstoff aus einer Gasdiffusionsschicht zu Kohlenstoffdioxid. Dies wiederum kann eine Schädigung der Brennstoffzelle zur Folge haben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schädigung der Brennstoffzelle aufgrund einer Wasserstoffunterversorgung zu verhindern oder zumindest die Gefahr einer Schädigung aufgrund einer Wasserstoffunterversorgung zu verringern.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems. Bei dem Verfahren wird einer Anode einer Brennstoffzelle über einen Versorgungspfad ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt, wobei die Zuführung des Anodengases durch Schalten eines in den Versorgungspfad integrierten Ventils gesteuert wird. Erfindungsgemäß werden durch Schalten des Ventils im Anodengas erzeugte Schallwellen erfasst und zur Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases herangezogen.
  • Je nach Zusammensetzung des Anodengases breiten sich die Schallwellen unterschiedlich schnell aus und/oder werden unterschiedlich stark gedämpft. Dies hängt mit den unterschiedlichen Dichten der im Anodengas enthaltenen Gase und/oder Flüssigkeiten zusammen. Diesen Zusammenhang macht sich das vorgeschlagene Verfahren zunutze, indem von der Schallausbreitung und/oder - dämpfung auf eine konkrete Zusammensetzung des Anodengases geschlossen wird. Eine etwaige Wasserstoffunterversorgung der Brennstoffzelle kann somit sicher erkannt werden.
  • Mit Hilfe des vorgeschlagenen akustischen Diagnose-Verfahrens kann nicht nur eine Wasserstoffunterversorgung, sondern ferner ein zu hoher Stickstoffballast des Anodengases erkannt werden. Ist dies der Fall, kann durch Öffnen eines Spülventils das Anodensystem gespült und Stickstoff abgeführt werden. Die Rezirkulationspumpe des Anodensystems arbeitet somit ohne unnötigen Stickstoffballast. Zudem kann das Spülen des Anodensystems auf die wirklich notwendigen Fälle beschränkt werden, so dass der Verbrauch unverstromten Wasserstoffs minimiert wird.
  • Das vorgeschlagene akustische Diagnose-Verfahren ermöglicht eine sehr genaue Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases. Denn im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems ist die Geräuschentwicklung gering. Geräusche, die beispielsweise durch den Betrieb eines Verdichters entstehen, können zudem leicht separiert werden. Das Brennstoffzellensystem bietet demnach optimale Umgebungsbedingungen zur Durchführung des vorgeschlagenen akustischen Diagnose-Verfahrens.
  • Bevorzugt wird bzw. werden bei der Durchführung des Verfahrens die Geschwindigkeit, Intensität und/oder Frequenz der im Anodengas erzeugten Schallwellen ermittelt und zur Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases herangezogen. Um die Schallgeschwindigkeit zu ermitteln, kann die Laufzeit der Schallwellen gemessen werden. Denn der Zeitpunkt des Schaltvorgangs ist bekannt. Eine lange Laufzeit bzw. geringe Schallgeschwindigkeit lässt darauf schließen, dass Luft im Anodengas enthalten ist. Eine kurze Laufzeit wiederum deutet auf eine ausreichende Flutung mit Wasserstoff hin. Über die Intensität der eintreffenden Schallwellen kann insbesondere auf im Anodengas enthaltenes Flüssigwasser geschlossen werden, da dieses den Schall schluckt bzw. dämpft.
  • Ferner bevorzugt wird bzw. werden bei der Durchführung des Verfahrens die zur Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases ermittelte Geschwindigkeit, Intensität und/oder Frequenz der im Anodengas erzeugten Schallwellen mit der Geschwindigkeit, Intensität und/oder Frequenz von Schallwellen in bekannten Zusammensetzungen verglichen. Durch Vergleich können dann die nötigen Rückschlüsse gezogen werden. Je mehr Vergleichswerte vorliegen, desto genauer kann die Zusammensetzung des Anodengases bestimmt werden.
  • Bei der Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise ein stromabwärts des Ventils angeordneter Druckaufnehmer zum Erfassen der im Anodengas erzeugten Schallwellen verwendet. Der Druckaufnehmer kann sowohl eintrittsseitig als auch austrittsseitig in Bezug auf die Anode angeordnet sein. Über die konkrete Anordnung des Druckaufnehmers kann die Länge der Messstrecke bestimmt werden. Soll die Zusammensetzung des Anodengases anhand der Intensität bzw. Dämpfung der sich im Anodengas ausbreitenden Schallwellen bestimmt werden, kann sich eine längere Messtrecke als vorteilhaft auswirken, da über die Länge eine stärkere Dämpfung erreicht wird. Eine zu lange Messstrecke kann aber auch dazu führen, dass die Schallwellen so stark gedämpft werden, dass keine Messung mehr möglich ist. Die Anordnung des Druckaufnehmers ist daher auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustimmen.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein bereits vorhandener Druckaufnehmer zum Erfassen der im Anodengas erzeugten Schallwellen verwendet. In diesem Fall kann das Verfahren ohne zusätzlichen apparativen Aufwand durchgeführt werden. Alternativ kann aber auch ein zusätzlicher Druckaufnehmer zum Erfassen der im Anodengas erzeugten Schallwellen verwendet werden. Da Messgeräte für Absolutdrücke weniger gut geeignet sind, wird vorzugsweise ein Mikrofon als Druckaufnehmer eingesetzt. Mikrofone mit der geforderten Robustheit gegenüber Umweltbedingungen, insbesondere für den Ultraschallbereich, finden sich beispielsweise bei handelsüblichen Einparkhilfen von Fahrzeugen.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass ein Proportionalventil als Ventil zum Steuern der Zuführung des Anodengases verwendet wird. Bei Verwendung eines Proportionalventils kann das Verfahren auch im Stationärbetrieb eines Fahrzeugs durchgeführt werden, das mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems angetrieben wird. Das Ventil wird hierzu derart schnell in Öffnungs- oder Schließrichtung geschaltet und wieder in die Ausgangsposition zurückgefahren, dass der stationäre Zustand nicht beeinträchtigt wird. Sofern das Ventil nicht als Proportionalventil ausgelegt ist, wird vorzugsweise das vorgeschlagene akustische Diagnose-Verfahren bei Anfahr- und/oder Haltevorgängen des Fahrzeugs durchgeführt. Durch den (ggf. pulsweitenmodulierten) Öffnungs- und/oder Schließvorgang des Ventils wird ein Schaltgeräusch über das im Versorgungspfad vorhandene Anodengas in Strömungsrichtung ausgesandt und von dem weiter stromabwärts angeordneten Druckaufnehmer, vorzugsweise Mikrofon, aufgenommen.
  • Die Schaltzeiten des Ventils werden vorzugsweise an die Zusammensetzung des Anodengases angepasst. Wurde beispielsweise eine Wasserstoffunterversorgung detektiert, kann zur Flutung des Anodensystems mit Wasserstoff das Ventil wiederholt geschaltet werden. Im umgekehrten Fall, das heißt bei einer ausreichenden Versorgung mit Wasserstoff, kann das Intervall für eine erneute Flutung verlängert werden. Auf diese Weise kann die Zusammensetzung des Anodengases beeinflusst und einer Wasserstoffunterversorgung entgegen gewirkt werden.
  • Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Schaltzeiten eines Spülventils in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Anodengases festgelegt werden. Weist das Anodengas eine hohe Stickstoffbelastung auf, können kürzere Spülintervalle gewählt werden. Im umgekehrten Fall können die Spülintervalle verlängert werden, um den Verbrauch an unverstromtem Wasserstoff zu minimieren.
  • Das zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, der über einen Versorgungspfad ein wasserstoffhaltiges Anodengas zuführbar ist. In den Versorgungspfad ist dabei ein Ventil integriert, mittels dessen die Zuführung des Anodengases steuerbar ist. Erfindungsgemäß ist stromabwärts des Ventils ein Druckaufnehmer, insbesondere ein Mikrofon, zum Erfassen von Schallwellen angeordnet, die durch Schalten des Ventils im Anodengas erzeugt werden.
  • Das ferner vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. kann nach diesem Verfahren betrieben werden. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems lassen sich demnach die gleichen Vorteile wie mit dem Verfahren erzielen. Insbesondere kann eine Wasserstoffunterversorgung detektiert werden, so dass ggf. durch Fluten des Anodensystems mit Wasserstoff eine Schädigung der Brennstoffzelle verhindert werden kann.
  • Der Druckaufnehmer bzw. das Mikrofon kann sowohl eintrittsseitig als auch austrittsseitig in Bezug auf die Anode angeordnet sein. Von der konkreten Anordnung hängt die Länge der Messstrecke ab. Diese muss auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.
  • Bevorzugt ist der Druckaufnehmer stromaufwärts eines Spülventils angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Verfahren bei geschlossenem Spülventil durchführbar ist.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass das in den Versorgungspfad integrierte Ventil zum Steuern der Zuführung von Anodengas zur Anode ein Proportionalventil ist. Dieses ermöglicht die Durchführung des Verfahrens selbst dann, wenn sich das Fahrzeug im Stationärbetrieb befindet.
  • Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Schaltimpulses und unterschiedlicher Impulsantworten, sowie
    • 4 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung des Verfahrensablaufs.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Das in der 1 schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem dient der Gewinnung elektrischer Energie. Diese wiederum kann in einem Fahrzeug als Antriebsenergie genutzt werden.
  • Das dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10 mit mehreren Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode 1 und eine Kathode 9 aufweisen. Den Anoden 1 der Brennstoffzellen ist in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Ventils 3 Wasserstoff als Anodengas zuführbar. Das Ventil 3 ist in einen Versorgungspfad 2 integriert, der die Anoden 1 mit einem Wasserstofftank 8 verbindet. Eintrittsseitig ist zudem ein Druckaufnehmer 4 angeordnet, dessen Funktion weiter unten erläutert wird. Austrittsseitig ist ein Spülventil 5 vorgesehen. Durch Öffnen des Spülventils kann in das Anodensystem hineindiffundierter Stickstoff abgeführt werden. Zur Rückführung unverstromten Wasserstoffs ist ein Rezirkulationspfad 6 vorgesehen, der die Austrittsseite mit der Eintrittsseite verbindet. Im Rezirkulationspfad 6 ist ein Gebläse 7 vorgesehen.
  • Die Kathoden 9 der Brennstoffzellen sind über einen Zuluftpfad 11 mit Luft bzw. Sauerstoff versorgbar. Im Zuluftpfad 11 ist hierzu ein weiteres Gebläse 12 angeordnet. Ferner ist im Bereich des Zuluftpfads 11 ein Luftbefeuchter 13 vorgesehen, in den austrittsseitig abfließendes Reaktionswasser einleitbar ist. Alternativ kann das Reaktionswasser auch über ein Abflussventil 14 abgeführt werden.
  • Mit Schalten des in den Versorgungspfads 2 integrierten Ventils 3 werden Geräusche erzeugt, die sich im Anodengas vom Ventil 3 in Richtung des Druckaufnehmers 4 als Schallwellen ausbreiten. Mit Hilfe des Druckaufnehmers 4 können die Schallwellen erfasst werden. Da der Schaltzeitpunkt des Ventils 3 bekannt ist, kann die Laufzeit der Schallwellen und über die Laufzeit die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Schallgeschwindigkeit, die abhängig von der Dichte eines Gases oder Gasgemischs ist, lässt einen Rückschluss auf die Zusammensetzung des Anodengases zu.
  • Die an der Reaktion in einer Brennstoffzelle beteiligten Gase weisen zwar ähnliche Kompressibilitäten, aber unterschiedliche Dichten auf. Dies macht sich das vorgeschlagene Verfahren zunutze, da sich je nach Zusammensetzung des Anodengases die Schallwellen unterschiedlich schnell im Anodengas ausbreiten. Ein Schallimpuls benötigt beispielsweise zum Durchlaufen einer Messstrecke von 30 cm in reinem Wasserstoff - bei c = 1280 m/s - 234 µs und in Luft - bei c= 343 m/s - 875 µs. Im Anodengas enthaltene Wassertröpfchen führen zu einer noch deutlicheren Senkung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf etwa 10-20 m/s. Somit kann von der Schallgeschwindigkeit auf die Gaszusammensetzung geschlossen werden. Alternativ oder ergänzend kann neben der Schallgeschwindigkeit die Intensität und/oder Frequenz eines Schallimpulses ermittelt und zur Auswertung genutzt werden.
  • Ist die Zusammensetzung des Anodengases bekannt, kann eine etwaige Unterversorgung mit Wasserstoff detektiert und durch Fluten des Systems mit Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 8 kompensiert werden.
  • In der 2 ist ein weiteres zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Brennstoffzellensystem zu entnehmen. Dieses unterscheidet sich von dem der 1 durch die Anordnung des Druckaufnehmers 4. In der 2 ist der Druckaufnehmer 4 nicht eintrittsseitig, sondern austrittsseitig in Bezug auf die Anoden 1 der Brennstoffzellen angeordnet.
  • 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Schallimpulses 15, der - je nach Medium, in dem sich der Schallimpuls 15 ausbreitet - zu der Impulsantwort 16 oder 17 führt. Die Impulsantworten 16 und 17 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Laufzeiten t1 und t2 sowie hinsichtlich ihrer Signalform. Die Impulsantwort 16 steht beispielhaft für die Ausbreitung des Schallimpulses 15 in reinem Wasserstoff und die Impulsantwort 17 für die Ausbreitung des Schallimpulses 15 in Flüssigwasser enthaltendem Wasserstoff. Aufgrund dieser Unterschiede kann von der jeweiligen Impulsantwort auf die Zusammensetzung des Gases geschlossen werden. Der genaue Ablauf des Verfahrens wird anhand der 4 erläutert.
  • Gemäß dem in der 4 dargestellten Verfahrensablauf wird in einem ersten Verfahrensschritt 100 durch Schalten des Ventils 3 ein Schallimpuls 15 erzeugt und ausgesandt. Der Schallimpuls 15 breitet sich im Anodengas in Richtung eines Druckaufnehmers 4 aus (siehe auch 1 oder 2). Die Antwort des Schallimpulses 15 wird in einem Verfahrensschritt 200 mit Hilfe des Druckaufnehmers 4 aufgenommen und im Weiteren Verfahrensschritt 300 einer Auswertung unterzogen. Die Auswertung erfolgt durch Abgleich mit Impulsantworten 16, 17, 18, die unterschiedlichen Gaszusammensetzungen zuzuordnen sind und sich hinsichtlich Laufzeit und Signalform unterscheiden. Über die Laufzeit und/oder die Signalform kann somit auf die Zusammensetzung des Anodengases geschlossen werden. Ist diese in Ordnung (+) können die Schaltzeiten des Ventils 3 verlängert werden. Ist diese nicht in Ordnung (-), kann beispielsweise das Spülventil 5 geöffnet werden, um zu viel Wasser und/oder Stickstoff abzuführen.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem einer Anode (1) einer Brennstoffzelle über einen Versorgungspfad (2) ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt und die Zuführung des Anodengases durch Schalten eines in den Versorgungspfad (2) integrierten Ventils (3) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schalten des Ventils (3) im Anodengas erzeugte Schallwellen erfasst und zur Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases herangezogen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit, Intensität und/oder Frequenz der im Anodengas erzeugten Schallwellen ermittelt und zur Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases herangezogen wird bzw. werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Zusammensetzung des Anodengases die ermittelte Geschwindigkeit, Intensität und/oder Frequenz der im Anodengas erzeugten Schallwellen mit der Geschwindigkeit, Intensität und/oder Frequenz von Schallwellen in bekannten Zusammensetzungen verglichen wird bzw. werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärts des Ventils (3) angeordneter Druckaufnehmer (4) zum Erfassen der im Anodengas erzeugten Schallwellen verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein bereits vorhandener Druckaufnehmer (4) oder ein zusätzlicher Druckaufnehmer (4), insbesondere ein Mikrofon, zum Erfassen der im Anodengas erzeugten Schallwellen verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Proportionalventil als Ventil (3) verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeiten des Ventils (3) an die Zusammensetzung des Anodengases angepasst werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeiten eines Spülventils (5) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Anodengases festgelegt werden.
  9. Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode (1), der über einen Versorgungspfad (2) ein wasserstoffhaltiges Anodengas zuführbar ist, wobei in den Versorgungspfad (2) ein Ventil (3) integriert ist, mittels dessen die Zuführung des Anodengases steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Ventils (3) ein Druckaufnehmer (4), insbesondere ein Mikrofon, zum Erfassen von Schallwellen angeordnet ist, die durch Schalten des Ventils (3) im Anodengas erzeugt werden.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer (4) eintrittsseitig oder austrittsseitig in Bezug auf die Anode (1) angeordnet ist.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer (4) stromaufwärts eines Spülventils (5) angeordnet ist.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (3) ein Proportionalventil ist.
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DE102006045921A1 (de) * 2006-09-28 2008-04-03 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle

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