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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Hierzu wird einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, der in mobilen Anwendungen in einem geeigneten Tank mitgeführt wird. Als Sauerstofflieferant kann Umgebungsluft dienen, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird. In einem Brennstoffzellensystem werden zur Leistungssteigerung eine Vielzahl von Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels auch „Stack“ genannt eingesetzt.
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Die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels erfordert einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau. Daher wird die der Kathode über einen Zuluftpfad zugeführte Umgebungsluft zuvor mit Hilfe eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichters verdichtet. Zur Erfassung des Luftmassenstroms durch den Luftverdichter ist üblicherweise ein Luftmassenstromsensor, insbesondere ein heißfilmbasierter Luftmassenstromsensor („HFM“), in den Zuluftpfad integriert. Da dieser nicht für hohe Temperaturen ausgelegt ist, wird er stromaufwärts des Luftverdichters angeordnet. Ein weiterer Luftmassenstromsensor kann vor dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein, um den Luftmassenstroms durch den Brennstoffzellenstapel zu erfassen. Aufgrund der dort herrschenden hohen Temperaturen kann jedoch kein heißfilmbasierter Luftmassenstromsensor zum Einsatz gelangen.
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Aus dem Stand der Technik sind druckbasierte Luftmassenstromsensoren („PFM“) bekannt, welche neben dem Druck auch die Temperatur erfassen. Auf Basis dieser Messwerte kann dann mit Hilfe der folgenden Formel, die auf der Bernoulli Gleichung, der idealen Gasgleichung und der Kontinuitätsgleichung beruht, der Luftmassenstrom berechnet werden:
wobei
- m = Luftmassenstrom
- Δp = Differenzdruck
- PS = Referenzdruck
- RS = Gaskonstante für Luft
- T = Temperatur
- Aeff = effektiver Strömungsquerschnitt an der Messstelle
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Die Erfassung des Luftmassenstroms durch den Brennstoffzellenstapel mit Hilfe eines solchen druckbasierten Luftmassenstromsensors weist prinzipbedingt eine hohe Messtoleranz bei geringen Luftmassenströmen auf. Dies erschwert die Regelung des Brennstoffzellensystems im Teillastbereich. Hinzu kommt ein Abdriften des Luftmassenstromsensors über seine Lebensdauer, so dass die Messtoleranz über die Zeit zunimmt.
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Die vorliegende Erfindung versucht hier Abhilfe zu schaffen, um die Regelung des Brennstoffzellensystems im Teillastbereich zu vereinfachen.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird einem Brennstoffzellenstapel über einen Zuluftpfad Luft zugeführt. Zur Regelung des Brennstoffzellensystems wird der Luftmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel ermittelt, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
- - Messen des in den Zuluftpfad eingeleiteten Gesamt-Luftmassenstroms mit Hilfe eines Luftmassenstromsensors,
- - Freigeben eines den Brennstoffzellenstapel umgehenden Bypasspfads durch Öffnen eines Bypassventils,
- - Ermitteln des über den Bypasspfad geführten Teil-Luftmassenstroms und
- - Berechnen der Differenz aus Gesamt-Luftmassenstrom und Teil-Luftmassenstrom.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird demnach der Luftmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel nicht direkt gemessen, sondern berechnet. Hierzu wird von dem in den Zuluftpfad eingeleiteten Gesamt-Luftmassenstrom ein Teil-Luftmassenstrom abgezweigt, so dass der durch den Brennstoffzellenstapel geführte Luftmassenstrom der Differenz zwischen dem Gesamt-Luftmassenstrom und dem Teil-Luftmassenstrom entspricht. Da der Gesamt-Luftmassenstrom mit Hilfe eines Luftmassenstromsensors gemessen wird, ist diese Größe bekannt. In Kenntnis des über den Bypasspfad geführten Teil-Luftmassenstroms kann dann der Luftmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel berechnet werden. Auf diese Weise kann auf einen weiteren druckbasierten Luftmassenstromsensor stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels verzichtet werden, so dass die im Teillastbereich des Brennstoffzellensystems üblicherweise auftretenden hohen Messtoleranzen vermieden werden.
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Bevorzugt werden zum Ermitteln des über den Bypasspfad geführten Teil-Luftmassenstroms folgende Schritte durchgeführt:
- - Messen des Drucks vor und hinter dem Bypassventil sowie
- - Berechnen des Teil-Luftmassenstroms auf Basis der Druckdifferenz zwischen den gemessenen Drücken unter Berücksichtigung der Temperatur im Messbereich und des Öffnungsquerschnitts des Bypassventils.
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In Kenntnis des Drucks vor und hinter dem Bypassventil sowie in Kenntnis der Temperatur kann der Teil-Luftmassenstrom mit Hilfe der eingangs genannten Formel berechnet werden. Der effektive Strömungsquerschnitt Aeff entspricht dabei dem Öffnungsquerschnitt des Bypassventils, so dass auch diese Größe bekannt ist.
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Des Weiteren bevorzugt werden zum Ermitteln des über den Bypasspfad geführten Teil-Luftmassenstroms mindestens ein Drucksensor und/oder ein Druck-/Temperatursensor verwendet. Beispielsweise kann der Druck vor und/oder hinter dem Bypassventil mit Hilfe eines einfachen Drucksensors gemessen werden. Sofern gleichzeitig die Temperatur erfasst werden soll, kann auch mindestens ein Druck-/Temperatursensor eingesetzt werden. Zum Ermitteln des über den Bypasspfad geführten Teil-Luftmassenstroms ist demnach ebenfalls kein Luftmassenstromsensor, insbesondere kein druckbasierter Luftmassenstromsensor, erforderlich, so dass hohe Messtoleranzen im Teillastbereich des Brennstoffzellensystems vermeidbar sind. Mit Hilfe einfacher Druck- und/oder Druck-/Temperatursensoren kann das Verfahren zudem einfach und kostengünstig umgesetzt werden.
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Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird vorzugsweise der Gesamt-Luftmassenstrom stromaufwärts eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichters gemessen. Dies ermöglicht den Einsatz eines heißfilmbasierten Luftmassensensors. Auf die Verwendung eines druckbasierten Luftmassenstromsensors kann somit in Gänze verzichtet werden.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, dem über einen Zuluftpfad mit integriertem Luftmassensensor Luft zuführbar ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Bypasspfad mit integriertem Bypassventil zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels, wobei stromaufwärts und stromabwärts des Bypassventils jeweils mindestens ein Drucksensor und/oder Druck-/Temperatursensor angeordnet sind.
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Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems lassen sich die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erzielen. Insbesondere kann der Luftmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel ohne den Einsatz eines druckbasierten Luftmassenstromsensors ermittelt werden, der prinzipbedingt im Teillastbetrieb des Systems hohe Messtoleranzen aufweist. Entsprechend kann die Regelung des Brennstoffzellensystems im Teillastbetrieb verbessert werden. An die Stelle des druckbasierten Druckmassenstromsensors treten einfache Druck- und/oder Druck-/Temperatursensoren.
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Bevorzugt ist mindestens ein Drucksensor oder Druck-/Temperatursensor im Zuluftpfad oder im Bypasspfad stromaufwärts des Bypassventils angeordnet. Sofern ein Druck-/Temperatursensor verwendet wird, kann nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur stromaufwärts des Bypassventils gemessen werden.
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Ferner bevorzugt ist mindestens ein Drucksensor oder Druck-/Temperatursensor im Bypasspfad stromabwärts des Bypassventils oder in einem Abluftpfad angeordnet, der über den Bypasspfad mit dem Zulaufpfad verbunden ist. Sofern ein Druck-/Temperatursensor verwendet wird, können mit diesem einen Sensor der Druck und die Temperatur gemessen werden.
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Da die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich einen Temperaturmesswert erfordert, kann stromaufwärts des Bypassventils ein Drucksensor und stromabwärts ein Druck-/Temperatursensor angeordnet sein. Der umgekehrte Fall ist ebenso möglich. Je nachdem, ob die Temperatur vor oder nach dem Bypassventil gemessen wird, kann dieser Messwert weiteren Funktionen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise weiteren Regelungs-, Überwachungs- und/oder Diagnosefunktionen. Gegebenenfalls kann auch auf einen bereits vorhandenen Druck-/Temperatursensor zurückgegriffen werden, so dass der messtechnische Aufwand weiter verringert wird.
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Des Weiteren bevorzugt ist der in den Zuluftpfad integrierte Luftmassenstromsensor stromaufwärts eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichters angeordnet. Da dort die Temperaturen deutlich geringer als hinter bzw. stromabwärts des Luftverdichters sind, kann ein heißfilmbasierter Luftmassenstromsensor verwendet werden. Auf einen für hohe Temperaturen geeigneten druckbasierten Luftmassenstromsensor kann somit in Gänze verzichtet werden.
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Vorteilhafterweise ist in den Zuluftpfad ein Absperrventil integriert. Wird dieses geschlossen und das Bypassventil geöffnet, kann der gesamte Luftmassenstrom über den Bypasspfad geführt werden. Dies ermöglicht die Kalibrierung der Druck- und/oder Druck-/Temperatursensoren gegeneinander sowie gegen den Luftmassenstromsensor. Im reinen Bypassbetrieb können ein oder mehrere Betriebspunkte zur Kalibrierung angefahren werden. Beispielsweise kann die Drehzahl des Luftverdichters variiert werden. Eine Nullpunkt-Kalibrierung kann bei ausgeschaltetem Luftverdichter durchgeführt werden.
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Die Kalibrierung kann in periodischen Abständen erfolgen, vorzugsweise in Systembetriebszuständen, die den Normalbetrieb nicht beeinträchtigen, beispielsweise im Standby-Modus eines Start-Stopp-Betriebs, da in diesem Modus der Luftverdichter im Bypassbetrieb weiterbetrieben wird. In diesem Fall muss der Normalbetrieb nicht unterbrochen werden und die Kalibrierung erfordert keinen wesentlich erhöhten Energieaufwand.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
- 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anode 14 sowie einer Kathode 13.
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Der Anode 14 wird über einen Anodenkreis 20 Wasserstoff aus einem Tank 17 sowie rezirkulierter Wasserstoff zugeführt. Zur Rezirkulation sind im Anodenkreis 20 eine Saugstrahlpumpe 21 sowie ein Gebläse 22 angeordnet. Der dem Tank entnommene Wasserstoff wird mit Hilfe eines Wärmetauschers 18 temperiert und mit Hilfe eines Dosierventils 19, das der Saugstrahlpumpe 21 vorgeschaltet ist, in den Anodenkreis 20 eingebracht. Zum Spülen des Anodenkreises 20 ist ein Purgeventil 26 vorgesehen. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 anfallendes Produktwasser kann mit Hilfe eines Wasserabscheiders 23 separiert und in einem Behälter 24 gesammelt werden. Zum Entleeren des Behälters 24 ist ferner ein Drainventil 25 vorgesehen, das zum Entleeren geöffnet wird.
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Der Kathode 13 wird über einen Zuluftpfad 3 Luft zugeführt. Diese wird der Umgebung entnommen und über einen Luftfilter 15 einem Luftverdichter 9 zugeführt. Mit Hilfe des Luftverdichters 9 werden der Luftmassenstrom sowie das Druckniveau eingestellt. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, ist dem Luftverdichters 9 ein Wärmetauscher 16 nachgeschaltet, mit dessen Hilfe die Luft vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 2 gekühlt wird. Hinter dem Wärmetauscher 16 zweigt ein Bypasspfad 5 ab, in dem ein Bypassventil 6 angeordnet ist. Bei geöffnetem Bypassventil 6 strömt Luft aus dem Zuluftpfad 3 über den Bypasspfad 5 in einen Abluftpfad 10 ab. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann auf diese Weise umgangen werden. Um bei Stillstand des Systems zu verhindern, dass Luft und damit Sauerstoff in die Katode 13 gelangt, ist vor dem Brennstoffzellenstapel 2 ein Absperrventil 11 in den Zuluftpfad 3 integriert. Ein weiteres Absperrventil 12, das dem gleichen Zweck dient, ist im Ablaufpfad 10 angeordnet.
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Zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 2 ist dieser darüber hinaus an einen Kühlkreis 27 angeschlossen.
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Zur Bestimmung des Luftmassenstroms durch den Luftverdichter 9 ist stromaufwärts des Luftverdichters 9 ein Luftmassenstromsensor 4 in den Zuluftpfad 3 integriert. Hierbei kann es sich insbesondere um einen heißfilmbasierten Luftmassenstromsensor 4 handeln, da stromaufwärts des Luftverdichters 9 keine hohen Temperaturen zu erwarten sind. Mit Hilfe dieses Luftmassenstromsensors 4 kann ein Referenzwert geschaffen werden, der die Bestimmung des Luftmassenstroms durch den Brennstoffzellenstapel 2 ohne Verwendung eines weiteren Luftmassenstromsensors ermöglicht. Stattdessen finden einfache Drucksensoren 7 und/oder Druck-/Temperatursensoren 8 Einsatz.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist in den Bypasspfad 5 stromaufwärts des Bypassventils 6 ein einfacher Drucksensor 7 integriert. Dieser misst den Druck vor dem Bypassventil 6. Stromabwärts des Bypassventils 6 ist in dem Bypasspfad 5 ein Druck-/Temperatursensor 8 integriert. Dieser misst den Druck sowie die Temperatur stromabwärts des Bypassventils 6. Anhand dieser Messwerte kann der Luftmassenstrom über das Bypassventil 6 errechnet werden. Da ferner - aufgrund der Messungen des Luftmassenstromsensors 4 - der Luftmassenstrom durch den Luftverdichters 9 bekannt ist, kann hieraus der Luftmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel 2 berechnet werden. Denn der Teil-Luftmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel 2 entspricht der Differenz aus dem gemessenen Gesamt-Luftmassenstrom und dem Teil-Luftmassenstrom, der über den Bypasspfad 5 geführt wird.
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In Abwandlung zur Darstellung der 1 kann auch eine Druck-/Temperatursensor 8 stromaufwärts des Bypassventils 6 angeordnet werden (siehe Bezugszeichen in Klammern). In diesem Fall kann der stromabwärts des Bypassventils 6 angeordnete Sensor ein einfacher Drucksensor 7 sein (siehe Bezugszeichen in Klammern). Denn die Temperatur muss nur einmal gemessen werden.
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Eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 ist in der 2 dargestellt. Dieses unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 1 der 1 durch die Anordnung der Sensoren 7, 8 zur Druckmessung stromaufwärts und stromabwärts des Bypassventils 6. Stromabwärts des Bypassventils 6 ist vorliegend ein einfacher Drucksensor 7 angeordnet, und zwar nicht im Bypasspfad 5, sondern im Abluftpfad 10. Denn dort herrscht im Wesentlichen der gleiche Druck wie im Bypasspfad 5. Der Sensor stromaufwärts des Bypassventils 6 muss in diesem Fall ein kombinierter Druck-/Temperatursensor 8 sein. Da jedoch die Messung der Temperatur im Abluftpfad 10 Vorteile für bestimmte Regelungs-, Überwachungs- und/oder Diagnosefunktionen aufweist, wird vorzugsweise im Abluftpfad 10 ebenfalls ein kombinierter Druck-/Temperatursensor 8 eingesetzt (siehe Bezugszeichen in Klammern).
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Eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 ist der 3 zu entnehmen. Hier wurde im Unterschied zum Brennstoffzellensystem 1 der 1 der stromaufwärts des Bypassventils 6 angeordnete Drucksensor 7 aus dem Bypasspfad 5 in den Zuluftpfad 3 verschoben. Diese Anordnung kann wiederum Vorteile für andere Regelungs-, Überwachungs- und/oder Diagnosefunktionen haben. Sofern die Temperatur eine relevante Messgröße darstellt, kann anstelle des Drucksensors 7 auch ein Druck-/Temperatursensor 8 eingesetzt werden (siehe Bezugszeichen in Klammern).
