DE102019216657A1

DE102019216657A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Info

Publication number: DE102019216657A1
Application number: DE102019216657.1A
Authority: DE
Inventors: Ingo Brauer; Felix Guenther; Michael Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-04-29
Also published as: KR20220091518A; US20220376279A1; JP7370462B2; WO2021083634A1; JP2022553685A; CN114631210A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens einer Brennstoffzelle (2) über einen Anodengaspfad (3) ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt und aus der Brennstoffzelle (2) austretendes Anodengas über einen Rezirkulationspfad (4) rückgeführt wird, wobei zur Reduzierung eines im Anodengas enthaltenen Stickstoffanteils ein im Rezirkulationspfad (4) angeordnetes Spülventil (5) geöffnet und der Rezirkulationspfad (4) gespült wird. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe mindestens eines Sensors (6) die Ist-Zusammensetzung des Anodengases ermittelt und durch Vergleich der ermittelten Ist-Zusammensetzung mit einer Soll-Zusammensetzung und/oder einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Ist-Zusammensetzung wird der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) bestimmt.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät (7) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
Stand der Technik
Mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems der vorstehend genannten Art kann unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst hierzu mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt. Wird eine Polymermembran (PEM = „Proton Exchange Membran“) als Elektrolyt verwendet, handelt es sich um eine PEM-Brennstoffzelle bzw. um ein PEM-Brennstoffzellensystem.
Elektrische Energie, die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems gewonnen wird, kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der benötigte Wasserstoff wird in diesem Fall in einem geeigneten Tank an Bord des Fahrzeugs mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen.
Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems altern die Brennstoffzellen, insbesondere durch Dünnung der Membranen und/oder durch Abnahme der Wirksamkeit von Platin-Belegungen. Dies hat zur Folge, dass sich über die Lebensdauer der Brennstoffzellen die Menge an Stickstoff, die von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert, erhöht. Damit ändert sich das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff im Anodenbereich, und zwar zu Lasten des Wasserstoffgehalts. Entsprechend sinkt die Effizienz des Brennstoffzellensystems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu steigern.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, wird mindestens einer Brennstoffzelle über einen Anodengaspfad ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt und aus der Brennstoffzelle austretendes Anodengas wird über einen Rezirkulationspfad rückgeführt. Zur Reduzierung eines im Anodengas enthaltenen Stickstoffanteils wird ein im Rezirkulationspfad angeordnetes Spülventil geöffnet und der Rezirkulationspfad wird gespült. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe mindestens eines Sensors die Ist-Zusammensetzung des Anodengases ermittelt und durch Vergleich der ermittelten Ist-Zusammensetzung mit einer Soll-Zusammensetzung und/oder einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Ist-Zusammensetzung wird der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle bestimmt.
Die Erfindung macht sich den zuvor erwähnten Zusammenhang zwischen der Alterung der Brennstoffzelle und der damit einhergehenden Stickstoffanreicherung des Anodengases zunutze. Ist die Zusammensetzung des Anodengases bekannt, kann hierüber auf den Alterungszustand der Brennstoffzelle schlossen werden. Wird festgestellt, dass der Alterungszustand bedenklich ist, so dass ein effizienter Betrieb des Systems nicht mehr möglich ist, kann ein Austausch vorgenommen werden. Auf diese Weise wird die Effizienz des Systems wieder gesteigert.
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass in Kenntnis der Ist-Zusammensetzung des Anodengases das Spülen des Rezirkulationspfads nach Bedarf vorgenommen werden kann. In der Folge reduziert sich die Anzahl der Spülvorgänge bzw. die Spülintervalle werden länger. Entsprechend verringert sich auch der mit jedem Spülen einhergehende Verlust an Wasserstoff. In Kenntnis der Ist-Zusammensetzung des Anodengases kann demnach zugleich der Spülvorgang optimiert werden, was zu einer weiteren Effizienzsteigerung führt.
Zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung des Anodengases wird vorzugsweise ein definierter Betriebspunkt angefahren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die ermittelten Werte vergleichbar sind. Der anzufahrende Betriebspunkt kann beispielsweise über die Systemleistung, das Druckniveau und/oder den Gasmassenstrom im Anoden- und/oder im Kathodenbereich definiert sein.
Die derart ermittelte Ist-Zusammensetzung kann mit einer Soll-Zusammensetzung und/oder einer Ist-Zusammensetzung verglichen werden, die zu einem früheren Zeitpunkt ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt worden ist. Die im Betrieb des Brennstoffzellensystems nach dem Verfahren ermittelten Ist-Zusammensetzungen werden daher bevorzugt in einem Datenspeicher abgelegt und einer Auswerteeinrichtung zur Verfügung gestellt. Gleiches gilt in Bezug auf eine Soll-Zusammensetzung, die für den Vergleich mit der ermittelten Ist-Zusammensetzung herangezogen werden soll.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird vorzugsweise mit Hilfe des Sensors der Wasserstoffgehalt des Anodengases ermittelt. Anhand des Wasserstoffgehalts kann der Stickstoffgehalt bestimmt werden und aus dem Stickstoffgehalt kann wiederum der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle abgeleitet werden. Somit reicht es grundsätzlich aus, dass zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung lediglich der Wasserstoffgehalt ermittelt wird. Der bei dem Verfahren eingesetzte Sensor ist daher bevorzugt ein Wasserstoffsensor. Derartige Sensoren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Beispielhaft wird auf die Offenlegungsschriften DE 10 2005 058 830 A1 und DE 10 2005 058 832 A1 verwiesen, bei denen es sich um frühere Anmeldungen derselben Anmelderin handelt.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe des Sensors die Ist-Zusammensetzung des im Rezirkulationspfad vorhandenen Anodengases ermittelt wird. Das heißt, dass zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung des Anodengases ein im Rezirkulationspfad angeordneter Sensor verwendet wird.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe des Sensors die Ist-Zusammensetzung des über das Spülventil abgeführten Anodengases ermittelt wird. In diesem Fall ist der Sensor bzw. ein Sensor hinter dem Spülventil und damit außerhalb des Anodenbereichs angeordnet. Der Sensor kann beispielsweise in einem Kathodenabgaspfad angeordnet sein, über den die Spülmenge zusammen mit dem Kathodenabgas aus dem System entfernt wird. Da in der Regel im Kathodenabgaspfad bereits ein Sensor zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung vorhanden ist, kann ggf. dieser Sensor zur Ermittlung des Wasserstoffgehalts genutzt werden, so dass die Durchführung des Verfahrens keine zusätzliche Sensorik erfordert.
Vorteilhafterweise wird der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle in regelmäßigen zeitlichen Abständen bestimmt. Auf diese Weise kann frühzeitig auf eine Änderung der Ist-Zusammensetzung des Anodengases bzw. auf eine Alterung der mindestens einen Brennstoffzelle reagiert werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass bei der Überwachung des Alterungszustands der mindestens einen Brennstoffzelle auch der Alterungszustand des Spülventils und/oder des Sensors berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei der Bestimmung des Alterungszustands der mindestens einen Brennstoffzelle erhöht werden.
Zur Bestimmung des Alterungszustands des Spülventils und/oder des Sensors wird vorzugsweise der Wasserstoffgehalt des über das Spülventil abgeführten Anodengases in einem definierten Zustand A mit dem Wasserstoffgehalt in einem definierten Zustand B verglichen. Das heißt, dass der Betriebszustand geändert wird bzw. zwei unterschiedliche Betriebspunkte angefahren und verglichen werden. Eine Änderung der Gaszusammensetzung kann dann auf eine veränderte Funktion einer bei der Bestimmung des Wasserstoffgehalts verwendeten Komponente zurückgeführt werden.
Der Zustand A wird vorzugsweise im lastfreien Zustand des Brennstoffzellensystems durch Absenken des Drucks auf der Kathodenseite gegenüber der Anodenseite erreicht. Dadurch wird verhindert, das Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert. Ergänzend kann das Spülventil geöffnet und der Anodenbereich gespült werden.
Der Zustand B wird vorzugsweise im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems durch Anfahren eines definierten Lastpunkts erreicht.
Bevorzugt wird der Wasserstoffgehalt in Zustand A und in Zustand B zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Systems ermittelt und als Referenz hinterlegt. Zu einem späteren Zeitpunkt können dann beide Betriebspunkte erneut vermessen werden.
Da sich der Zustand A unabhängig vom Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle einstellen lässt, kann über den Vergleich der in beiden Betriebszuständen durchgeführten Messungen auf die Stickstoffmenge geschlossen werden, die über die Membran von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert.
Des Weiteren wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können insbesondere die Sensordaten des bei dem Verfahren eingesetzten Sensors ausgewertet werden. Ferner kann das Ergebnis der Auswertung und/oder eine Referenz im Steuergerät hinterlegt werden, so dass die zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Vergleiche ermöglicht werden. Insbesondere kann bzw. können eine Soll-Zusammensetzung und/oder frühere Ist-Zusammensetzung in dem Steuergerät abgelegt werden. Das Steuergerät umfasst hierzu bevorzugt einen Datenspeicher. Zugleich kann das Steuergerät eine Auswerteeinrichtung aufweisen, um die erforderliche Auswertung der Sensordaten zu ermöglichen. Ferner kann das Steuergerät über eine Steuerleitung mit dem Spülventil verbunden sein, um in Abhängigkeit vom Ergebnis der Auswertung das Spülventil anzusteuern bzw. zu öffnen und somit den Rezirkulationspfad zu spülen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das in der Zeichnung schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 1 dient dem Antrieb eines Fahrzeugs. Es stellt lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 2 bzw. mehrere Brennstoffzellen 2 in einer gestapelten Anordnung. Einer Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 1 wird über einen Kathodengaspfad 10 Luft als Kathodengas zugeführt, während einer Anode 9 des Brennstoffzellensystems 1 über einen Anodengaspfad 3 Wasserstoff als Anodengas zugeführt wird.
Die der Kathode 8 zugeführte Luft wird der Umgebung entkommen. Zuvor wird die Luft mit Hilfe eines im Kathodengaspfads 10 angeordneten Verdichters 12 verdichtet. Über eine ebenfalls im Kathodengaspfad 10 angeordnete Kühleinrichtung 17 wird die Luft nach dem Verdichten wieder heruntergekühlt und mit Hilfe einer nachgeschalteten Befeuchtungseinrichtung 18 zusätzlich befeuchtet. Der Verdichter 12, die Kühleinrichtung 17 und/oder die Befeuchtungseinrichtung 18 ist bzw. sind optional. Aus der mindestens einen Brennstoffzelle 2 austretendes Kathodenabgas wird über einen Kathodenabgaspfad 11 abgeführt. Das Kathodenabgas wird dabei einer im Kathodenabgaspfad 11 angeordneten Abgasturbine 13 zugeführt, die einen Elektromotor 14 zum Antreiben des im Kathodengaspfad 10 angeordneten Verdichters 12 unterstützt. Die Abgasturbine 13 ist ebenfalls optional. Der Kathodengaspfad 10 und der Kathodenabgaspfad 11 sind vorliegend in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Bypassventils 16 über einen Bypasspfad 15 verbindbar.
Der als Anodengas dienende Wasserstoff wird in Tanks 19 bevorratet und mit Hilfe einer im Anodengaspfad 3 angeordneten Saugstrahlpumpe 20 der Anode 9 zugeführt. Anodengas, das aus der mindestens einen Brennstoffzelle 2 wieder austritt, wird über einen Rezirkulationspfad 4 in den Anodengaspfad 3 rückgeführt, so dass es dem System nicht verloren geht. Im Rezirkulationspfad 4 ist hierzu ein Rezirkulationsgebläse 22 angeordnet, das jedoch nicht zwingend erforderlich ist.
Da sich das Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, das aus dem Kathodenbereich in den Anodenbereich diffundiert, muss von Zeit zu Zeit der Rezirkulationspfad 4 gespült werden. Hierzu ist im Rezirkulationspfad 4 stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses 22 ein Spülventil 5 angeordnet. Im Anodengas enthaltenes flüssiges Wasser kann zuvor mit Hilfe eines stromaufwärts des Spülventils 5 im Rezirkulationspfad 4 angeordneten Wasserabscheiders 21 entfernt.
Die Menge an Stickstoff, die aus dem Kathodenbereich in den Anodenbereich diffundiert, ist abhängig vom Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle 2, so dass über die Zeit, das heißt mit zunehmendem Alter der Brennstoffzelle 2, auch der Stickstoffanteil des Anodengases steigt, und zwar zu Lasten des Wasserstoffgehalts. Im Ergebnis sinkt die Effizienz der Brennstoffzelle 2.
Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß der Alterungszustand der Brennstoffzelle 2 anhand der Zusammensetzung des Anodengases bestimmt. Bei Bedarf kann die Brennstoffzelle 2 ausgetauscht werden. Zudem wird in Abhängigkeit vom Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle 2 der Rezirkulationspfad 4 gespült. Das heißt, dass nicht - wie sonst üblich - in modellbasierten zeitlichen Abständen gespült wird, sondern bedarfsgerecht. Dadurch verlängern sich die Spülintervalle und die Effizienz des Systems steigt.
Der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle 2 wird durch Vergleich der Ist-Zusammensetzung, das heißt der aktuell ermittelten Anodengaszusammensetzung, mit einer Soll-Zusammensetzung bestimmt. Ergibt der Vergleich eine Änderung der Zusammensetzung, kann hierüber auf eine Alterung bzw. den Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle 2 geschlossen werden. Zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung wird ein definierter Betriebspunkt angefahren, so dass die Vergleichbarkeit gewährleistet ist. Mit Hilfe eines Sensors 6, der vorliegend im Kathodenabgaspfad 11 angeordnet ist, wird dann die Ist-Zusammensetzung ermittelt. Der Vergleich der Ist-Zusammensetzung mit der Soll-Zusammensetzung wird mit Hilfe eines Steuergeräts 7 durchgeführt, in dem die Soll-Zusammensetzung als Referenz hinterlegt ist.
Alternativ zu der in der Figur dargestellten Anordnung des Sensors 6 kann dieser (Sensor 6') auch direkt im Rezirkulationspfad 4 platziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005058830 A1 [0012]
DE 102005058832 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens einer Brennstoffzelle (2) über einen Anodengaspfad (3) ein wasserstoffhaltiges Anodengas zugeführt und aus der Brennstoffzelle (2) austretendes Anodengas über einen Rezirkulationspfad (4) rückgeführt wird, wobei zur Reduzierung eines im Anodengas enthaltenen Stickstoffanteils ein im Rezirkulationspfad (4) angeordnetes Spülventil (5) geöffnet und der Rezirkulationspfad (4) gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe mindestens eines Sensors (6) die Ist-Zusammensetzung des Anodengases ermittelt wird und durch Vergleich der ermittelten Ist-Zusammensetzung mit einer Soll-Zusammensetzung und/oder einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Ist-Zusammensetzung der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Ist-Zusammensetzung des Anodengases ein definierter Betriebspunkt angefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Sensors (6) der Wasserstoffgehalt des Anodengases ermittelt wird, anhand des Wasserstoffgehalts der Stickstoffgehalt bestimmt wird und aus dem Stickstoffgehalt der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Sensors (6) die Ist-Zusammensetzung des im Rezirkulationspfad (4) vorhandenen Anodengases ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Sensors (6) die Ist-Zusammensetzung des über das Spülventil (4) abgeführten Anodengases ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand der mindestens einen Brennstoffzelle (2) in regelmäßigen zeitlichen Abständen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alterungszustand des Spülventils (5) und/oder des Sensors (6) berücksichtigt wird und zur Bestimmung des Alterungszustands des Spülventils (5) und/oder des Sensors (6) der Wasserstoffgehalt des über das Spülventil (5) abgeführten Anodengases in einem definierten Zustand A mit dem Wasserstoffgehalt in einem definierten Zustand B verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand A im lastfreien Zustand des Brennstoffzellensystems (1) durch Absenken des Drucks auf der Kathodenseite gegenüber der Anodenseite erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand B im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) durch Anfahren eines definierten Lastpunkts erreicht wird.
Steuergerät (7), das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.