DE102021204367A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend:- Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (100),- Aufzeichnen eines Brennstoffdurchsatzes (D(t)) durch einen Bereich (H, M, L) eines Anodensystems (20) während des Abstellvorganges,- Beenden des Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (100),- Aufkumulieren einer Brennstoffmenge (KD(t)), die währendes des Abstellvorganges durch den Bereich (H, M, L) des Anodensystems (20) durchgeleitet wurde, aus dem aufgezeichneten Brennstoffdurchsatz (D(t)),- Berechnen eines Druckverlaufes (p(t)) in dem Bereich (H, M, L) des Anodensystems (20) währendes des Abstellvorganges in Abhängigkeit von der aufkumulierten Brennstoffmenge (KD(t)),- Anheben des berechneten Druckverlaufes (p(t)) um eine Druckdifferenz (dp) zwischen einem gewünschten Enddruck (peSoll) und einem Enddruck (pelst) gemäß dem berechneten Druckverlauf (p(t)),- Bestimmen eines Abschaltzeitpunktes (tab) zum Abschalten der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von dem angehobenen Druckverlauf (p(t) + dp) und einem Anfangsdruck (palst) im Bereich (H, M, L) des Anodensystems (20).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise um einen geeigneten Abschaltzeitpunkt zum Abschalten einer Brennstoffzufuhr zu bestimmen, nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffbasierte, bspw. wasserstoffbasierte, Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist mehrere zu einem Stapel, sog. Stack, zusammengefügte Brennstoffzellen. Brennstoffzellensysteme brauchen Luft und Brennstoff, bspw. Wasserstoff, für die chemische Reaktion. Die Abwärme des Stacks wird mittels eines Kühlkreises abgeführt und an dem Hauptfahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben.
  • Der Brennstoff, bspw. Wasserstoff, wird in einem Hochdrucktank gespeichert. Der Tank wird durch ein Absperrventil geschlossen. Zwischen dem Absperrventil und einem folgenden Druckminderer herrscht ein Druck bis ung. 840 bar. Nach dem Druckminderer herrscht ein Druck zwischen 10 bar und 30 bar. Nach einem folgenden Druckregler liegt ein Druck zwischen 1 bar und 4 bar vor. Der Druckregler weist i.d.R. eine Druckabsperrfunktion auf. Ist das nicht der Fall, wird ein zusätzliches Absperrventil an der Stelle platziert. Drucksensoren sind in allen Druckbereichen zur Diagnose und Regelung vorhanden.
  • Der Tank, das Absperrventil, der Druckminderer und der Druckregler bilden Komponenten eines Anodensystems. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems werden die Absperrventile des Anodensystems geöffnet. Beim Abstellen des Systems werden die Absperrventile des Anodensystems geschlossen. Dabei herrscht aufgrund der hohen Dichtheit des Anodensystems ein hohes Druckniveau im Anodensystem, z.B. bis ung. 700 bar im Hochdruckbereich und zwischen 15 bar und 30 bar im Mitteldruckbereich. Aus diesem Grund werden hohe Anforderungen an die Komponenten des Anodensystems bzgl. der Druckbeständigkeit für die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems gestellt, z.B. für 130.000 Stunden. Diese Anforderungen haben eine erhebliche Auswirkung auf die verwendeten Materialien sowie die Auslegung und somit die Kosten der Komponenten des Anodensystems.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vor, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise um einen geeigneten Abschaltzeitpunkt zum Abschalten einer Brennstoffzufuhr zu bestimmen, mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung sieht gemäß einem Aspekt vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise um einen geeigneten Abschaltzeitpunkt zum Abschalten einer Brennstoffzufuhr zu bestimmen. Das Verfahren kann bspw. während einer Kalibrierungsphase des Brennstoffzellensystems, insbesondere einmalig, und/oder während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems, insbesondere mehrmalig, durchgeführt werden. Das Verfahren kann somit zum Kalibrieren und/oder zum Betreiben des Brennstoffzellensystems im Normalbetrieb, gemeint ist im Normalbetrieb eines brennstoffbetriebenen Fahrzeuges, durchgeführt werden.
  • Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • - Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems,
    • - Aufzeichnen eines Brennstoffdurchsatzes durch einen Bereich, bspw. einen Mitteldruckbereich, welches z. B. zwischen einem Druckminderer und einem Druckregler liegen kann, oder durch einen anderen Bereich, eines Anodensystems während des Abstellvorganges,
    • - Beenden des Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems,
    • - Aufkumulieren einer Brennstoffmenge, die während des Abstellvorganges durch den Bereich des Anodensystems durchgeleitet wurde, aus dem aufgezeichneten Brennstoffdurchsatz,
    • - Berechnen eines Druckverlaufes, insbesondere eines Druckabfalls, in dem mindestens einen Bereich des Anodensystems währendes des Abstellvorganges in Abhängigkeit von der aufkumulierten Brennstoffmenge, insbesondere unter der Annahme, dass beim Einleiten des Abstellvorganges die Brennstoffzufuhr unterbrochen wurde,
    • - Anheben des berechneten Druckverlaufes um eine Druckdifferenz zwischen einem gewünschten Enddruck im Bereich des Anodensystems und einem Enddruck gemäß dem berechneten Druckverlauf,
    • - Bestimmen eines Abschaltzeitpunktes zum Abschalten der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von dem angehobenen Druckverlauf und einem Anfangsdruck im Bereich des Anodensystems,
    und insbesondere Verwenden des bestimmten Abschaltzeitpunktes zum Abschalten der Brennstoffzufuhr, vorzugsweise bei mindestens einem nachfolgenden Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems.
  • Die Brennstoffzufuhr kann mithilfe eines Absperrventils nach einem Brennstofftank abgeschaltet werden.
  • Der Anfangsdruck in dem mindestens einen Bereich des Anodensystems kann aus dem berechneten Druckverlauf abgeleitet werden.
  • Der Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems kann ebenfalls als ein Shut-Down-Vorgang bezeichnet werden. Der Abstellvorgang kann mindestens eine von den folgenden zwei Phasen umfassen, wie z.B. eine Trocknungsphase eines Anodenraumes in einem Stack des Brennstoffzellensystems und/oder eine Bleed-Down-Phase zum Verbrauchen des verbleiben Brennstoffes im Anodenraum des Stacks.
  • Bei bekannten Verfahren wird mit dem Einleiten des Abstellvorganges das Absperrventil nach dem Tank nicht sofort geschlossen. Es wird zumeist abgewartet, um sicherzustellen, dass zumindest die Trocknungsphase des Anodenraumes abgeschlossen ist. Danach wird der verbleibende Brennstoff im Anodenraum des Stacks während der Bleed-Down-Phase verbraucht. Bei der Bleed-Down-Phase wird der Stack zumeist über einen Bleed-Down-Widerstand kurzgeschlossen. Somit kann es dazu kommen, dass der Abstellvorgang eine relativ lange Zeit in Anspruch nimmt und dabei mehr Brennstoff verbraucht wird, der nicht effektiv ausgenutzt werden kann, als unbedingt benötigt wird, um den Abstellvorgang ordnungsgemäß abzuschließen.
  • Die Erfindung sieht vor, dass, zumindest einmalig in einer Kalibrierungsphase des Systems, der Abstellvorgang von
    1. a) Anfang (gemeint ist der Zeitpunkt, wenn die elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem nicht mehr benötigt wird, bspw. beim Abstellen des brennstoffbetriebenen Fahrzeuges) bis
    2. b) Ende (gemeint ist der Zeitpunkt, wenn der Stack trocken ist und keinen Brennstoff auf der Anodenseite aufweist)
    überwacht und ausgewertet wird, um einen verbesserten Abschaltzeitpunkt zum Abschalten der Brennstoffzufuhr beim Abstellen des Brennstoffzellensystems zu ermitteln.
  • Ein passender Abschaltzeitpunkt ist theoretisch ein solcher Zeitpunkt, wenn nach dem Schließen des Absperrventils der verbleibende Brennstoff im Anodensystem ausreicht, um den Abstellvorgang ordnungsgemäß abzuschließen, d. h. um die Trocknungsphase des Anodenraumes, wie gewünscht, durchzuführen und die Bleed-Down-Phase ordnungsgemäß abzuschließen.
  • Die Erfindung sieht dabei vor, dass der Brennstoffdurchsatz durch mindestens einen Bereich, insbesondere einen Mitteldruckbereich, des Anodensystems aufgezeichnet wird, bis der Abstellvorgang abgeschlossen wurde.
  • Der Brennstoffdurchsatz kann durch ein Verbrauchsermittlungsverfahren ermittelt werden, z.B. durch den Öffnungszustand des Druckreglers im Anodensystem, der ebenfalls als ein Wasserstoffdosierventil bezeichnet werden kann, durch die Abnahme des Tankdruckes usw.
  • Aus dem Integral des zeitlichen Verlaufes des Brennstoffdurchsatzes wird die (auf)kumulierte Brennstoffmenge abgebildet, die der verbrauchten Brennstoffmenge bei dem überwachten Abstellvorgang entspricht.
  • Danach wird eine theoretische Betrachtung unternommen, in der die Annahme gilt, dass die Brennstoffzufuhr am Anfang des Abstellvorganges abgeschaltet wurde.
  • Die erfindungsgemäße Idee liegt darin, dass aus der verbrauchten Brennstoffmenge ein entsprechender Druckverlauf bzw. Druckabfall berechnet werden kann. Hierzu kann z.B. die ideale Gas-Gleichung o.Ä. verwendet werden.
  • Der berechnete Druckverlauf kann unter null bar fallen bzw. einen Enddruck unter null ergeben, da ja bei dem durchgeführten Abstellvorgang die Brennstoffzufuhr nicht sofort mit dem Einleiten des Abstellvorganges abgeschaltet werden.
  • Im nächsten Schritt wird der Druckverlauf rechnerisch um die Differenz zwischen dem gewünschten Enddruck (sog. Target-Enddruck, z.B. zwischen 1 bar und 3 bar) und dem theoretisch ermittelten Enddruck angehoben. Der neue, angehobene, theoretische Druckverlauf weist einen Schnittpunkt mit dem Anfangsdruck, von z.B. 15 bar, auf. Der entsprechende Zeitpunkt für diesen Schnittpunkt ist der Zeitpunkt für die Abschaltung des Absperrventils, d. h. der passende Abschaltzeitpunkt.
  • Vorteilhafterweise kann mithilfe der Erfindung der Druck im Anodensystem beim Abstellen des Brennstoffzellensystems erheblich reduziert werden, von z. B. 15 bar auf z. B. 1 bar. Auch kann mithilfe der Erfindung eine Reduzierung der Druckbelastung auf die Komponenten des Anodensystems ermöglicht werden, da das Absperrventil während des Abstellvorganges bzw. Shut-Down-Vorganges rechtzeitig geschlossen wird. Auf diese Weise kann eine Entschärfung der Anforderungen an die Komponenten des Anodensystems herbeigeführt werden, wie den Druckminderer, den Druckregler, die Drucksensoren usw. Außerdem können dadurch die Systemkosten gesenkt und der Einsatz von günstigen Materialien ermöglicht werden. Darüber hinaus kann dadurch der Mehrverbrauch von Brennstoff beim Abstellen des Systems reduziert werden.
  • Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Idee für jeden Bereich des Anodensystems, nicht nur für den mittleren Druckbereich, angewendet werden.
  • Ferner kann das Verfahren, bspw. bei mindestens einem nachfolgenden Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems, mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
    • - Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems,
    • - Überwachen der Zeit seit dem Einleiten des Abstellvorganges auf Überschreiten des bestimmten Abschaltzeitpunktes,
    • - Abschalten der Brennstoffzufuhr, wenn die Zeit den bestimmten Abschaltzeitpunkt erreicht hat,
    • - Beenden des Abstellvorganges.
  • Auf diese Weise kann ein nachfolgender Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems, bspw. im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, z. B. beim Abstellen des Fahrzeuges, effizient durchgeführt werden. Die Zeit zum Durchführen des Abstellvorganges kann reduziert werden. Der Druck im Anodensystem kann reduziert werden. Die Druckbelastung auf die Komponenten im Anodensystem kann reduziert werden. Und der Brennstoffverbrauch beim Abstellvorgang kann reduziert werden.
  • Weiterhin kann das Verfahren, bspw. bei mindestens einem nachfolgenden Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems, mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
    • - Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems,
    • - Überwachen der Zeit seit dem Einleiten des Abstellvorganges auf Überschreiten des bestimmten Abschaltzeitpunktes,
    • - Abschalten der Brennstoffzufuhr, wenn die Zeit den bestimmten Abschaltzeitpunkt erreicht hat,
    • - Überwachen eines aktuellen Drucks in dem Bereich des Anodensystems auf Unterschreiten einer Mindestgrenze,
    • - Einschalten der Brennstoffzufuhr, wenn der Druck die Mindestgrenze unterschritten hat, um den aktuellen Druck anzuheben,
    • - Abschalten der Brennstoffzufuhr, insbesondere, wenn eine Bleed-Down-Phase des Brennstoffzellensystems ordnungsgemäß abgeschlossen wurde,
    • - Beenden des Abstellvorganges.
  • Somit kann das Verfahren, insbesondere während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems (100), mit einer erhöhten Sicherheit und Flexibilität durchgeführt werden. Vorteilhafterweise kann dabei der tatsächlich herrschende Druck im betroffenen Bereich des Anodensystems auf eine verbesserte Weise berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass der Druck nicht unter eine bestimmte Mindestgrenze fällt. Außerdem kann somit die Möglichkeit geschaffen werden, einen theoretisch berechneten Abschaltzeitpunkt anzupassen.
  • Vorteilhafterweise kann das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
    • - Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes, insbesondere in Abhängigkeit vom Überwachen des aktuellen Drucks.
  • Zum Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes kann der bestimmte Abschaltzeitpunkt einfach um einen Pauschalbetrag erhöht werden. Zudem ist es denkbar, dass zum Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes der bestimmte Abschaltzeitpunkt neu berechnet wird. Somit kann das Verfahren auf mögliche Veränderungen im System und/oder in der Umgebung des Brennstoffzellensystems reagieren.
  • Um den Rechenaufwand in einer Steuereinheit des Brennstoffzellensystems zu reduzieren, ist es denkbar, dass das Verfahren zumindest z. T. durch eine externe Recheneinheit, insbesondere Cloud, durchgeführt wird. Dabei ist es denkbar, dass einige Verfahrensschritte und/oder Berechnungen ganz oder tlw. an die externe Recheneinheit ausgelagert werden.
  • Nach einem weiteren Vorteil kann beim Durchführen des Verfahrens, insbesondere beim Berechnen des Druckverlaufes, mindestens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, insbesondere die Temperatur und/oder die Umgebungstemperatur, berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit beim Bestimmen des geeigneten Abschaltzeitpunktes zum Abschalten einer Brennstoffzufuhr erhöht werden.
  • Das Verfahren kann vorteilhafterweise durch eine Steuereinheit des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
  • Eine entsprechende Steuereinheit stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. In einer Speichereinheit der Steuereinheit kann ein Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit der Steuereinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die Steuereinheit kann mit Sensoren des Anodensystems in einer Kommunikationsverbindung stehen, um bspw. den Brennstoffdurchsatz zu bestimmen und/oder um den Druck zu vermessen. Die Steuereinheit kann die Aktoren im Anodensystem, wie z. B. das Absperrventil, den Druckminderer und/oder den Druckregler, ansteuern, um das Verfahren durchzuführen.
  • Außerdem kann die Steuereinheit mit einer externen Recheneinheit in einer Kommunikationsverbindung stehen, um einige Verfahrensschritte und/oder Berechnungen ganz oder tlw. an die externe Recheneinheit auszulagern.
  • Gemäßes eines weiteren Aspekts stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer, wie z. B. die Recheneinheit der Steuereinheit, den Computer veranlassen, das Verfahren durchführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Steuereinheit beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung,
    • 2 einen beispielhaften Ablauf eines Teils eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 eine exemplarische Darstellung eines Brennstoffdurchsatzes währendes eines Abstellvorganges eines Brennstoffzellensystems,
    • 4 einen beispielhaften Ablauf eines weiteren Teils eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 5 eine exemplarische Darstellung einer aufkumulierten Brennstoffmenge aus einem aufgezeichneten Brennstoffdurchsatz währendes eines Abstellvorganges eines Brennstoffzellensystems,
    • 6 eine exemplarische Darstellung eines berechneten Druckverlaufes entsprechend einer aufkumulierten Brennstoffmenge aus einem Brennstoffdurchsatz währendes eines Abstellvorganges eines Bren nstoffzel lensystems,
    • 7 eine exemplarische Darstellung eines berechneten Druckverlaufes und eines angehobenen Druckverlaufes,
    • 8 eine exemplarische Darstellung eines Schnittpunktes zwischen einem angehobenen Druckverlauf und einem Anfangsdruck,
    • 9 einen beispielhaften Ablauf eines weiteren Teils eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 10 eine exemplarische Darstellung eines realen Druckverlaufes in einem Bereich des Anodensystems,
    • 11 einen beispielhaften Ablauf eines weiteren Teils eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
    • 12 eine exemplarische Darstellung eines realen Druckverlaufes in einem Bereich des Anodensystems im Vergleich zu einem Verlauf einer bestimmten Mindestgrenze für den Druck.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
  • Die 1 zeigt ein mögliches Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack 101 zusammengefügt werden. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 zumindest vier Subsysteme 10, 20, 30, 40, darunter: ein Kathodensystem 10, um einen Kathodenraum K des Stacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem 20, um einen Anodenraum A des Stacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem 30, um den Stack 101 zu temperieren, und ein elektrisches System 40, um die erzeugte elektrische Leistung vom Stack 101 abzuführen.
  • Das Anodensystem 20 weist mehrere Komponenten auf. Zu den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, gehören ein Brennstofftank 21, ein Absperrventil 22, ein Druckminderer 23 und ein Druckregler 24. Der Druckregler 24 kann außerdem über eine Absperrfunktion verfügen. Wenn der Druckregler 24 über keine Absperrfunktion verfügt, kann ein separates Absperrventil am Eingang in den Anodenraum A vorgesehen werden.
  • Zwischen dem Absperrventil 22 und dem Druckminderer 23 befindet sich ein Hochdruckbereich H des Anodensystems 20, in welchem im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 ein Druck bis ung. 840 bar herrscht. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 kann in dem Hochdruckbereich H des Anodensystems 20 ein Druck von ung. 700 bar vorliegen.
  • Zwischen dem Druckminderer 23 und dem Druckregler 24 befindet sich ein Mitteldruckbereich M des Anodensystems 20. In dem Mitteldruckbereich M herrscht im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 ein Druck zwischen ung. 10 bar und ung. 30 bar. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 kann in dem Mitteldruckbereich M des Anodensystems 20 ein Druck zwischen ung. 15 bar und ung. 30 bar vorliegen.
  • Zwischen dem Druckregler 24 und dem Anodenbereich A des Stacks 101 befindet sich ein weiterer Druckbereich L des Anodensystems 20, in welchem ein Druck zwischen ung. 1 bar und ung. 4 bar vorliegt.
  • Weiterhin werden Drucksensoren PS1, PS2, zumindest in dem Hochdruckbereich und/oder in dem Mitteldruckbereich platziert.
  • Aufgrund von hohen Drücken im Anodensystem 20 werden hohe Anforderungen an die Komponenten des Anodensystems 20 gestellt, die für die Brennstoffversorgung zuständig sind. Diese Komponenten müssen eine Druckbeständigkeit für die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 100, z.B. für 130.000 Stunden, bereitstellen.
  • Weitere Komponenten im Anodensystem 20 sind eine Strahlpumpe 25 und eine Rezirkulationspumpe 26. Zudem können im Anodensystem ein Purgeventil 27, ein Wasserabscheider 28a, ggf. ein Wasserbehälter 28b für das abgeschiedene Wasser und/oder ein Drain-Ventil 29 vorgesehen sein.
  • Mithilfe der nachfolgenden 2 bis 12 wird ein Verfahren im Sinne der Erfindung beschrieben, welches zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100 dient, das bspw. gemäß der 1 ausgeführt sein kann. Das Verfahren wird insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt, um einen geeigneten Abschaltzeitpunkt tab zum Abschalten einer Brennstoffzufuhr zu bestimmen.
  • Das Verfahren kann einmalig, bspw. während einer Kalibrierungsphase des Brennstoffzellensystems 100, und/oder mehrmalig, bspw. während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 100, bspw. beim Abstellen des Fahrzeuges, durchgeführt werden.
  • Wie es die 2 zeigt, weist das Verfahren folgende Schritte auf:
    • 200
    Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems 100,
    201
    Aufzeichnen eines Brennstoffdurchsatzes (D(t)) durch einen Bereich H, M, L, bspw. einen Mitteldruckbereich M zwischen dem Druckminderer 23 und dem Druckregler 24, oder durch einen anderen Bereich H, L des Anodensystems 20 während des Abstellvorganges, wobei insbesondere der Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems 100 folgende Phasen aufweisen kann:
    202
    eine Trocknungsphase des Anodenraumes A im Stack 101 des Brennstoffzellensystems 100 und/oder
    203
    eine Bleed-Down-Phase zum Verbrauchen des verbleiben Brennstoffes im Anodenraum A des Stacks 101, 204 Beenden des Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems 100.
  • Die 3 zeigt einen beispielhaften aufgezeichneten Brennstoffdurchsatz D(t) als Funktion der Zeit t während des Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems 100. Der Brennstoffdurchsatz kann durch ein Verbrauchsermittlungsverfahren ermittelt werden, z.B. durch den Öffnungszustand des Druckreglers 24, der ebenfalls als ein Wasserstoffdosierventil bezeichnet werden kann, durch die Abnahme des Tankdruckes usw.
  • Wie es die 4 zeigt, weist das Verfahren folgende Schritte auf:
    • 205
    Aufkumulieren einer Brennstoffmenge KD(t), die währendes des Abstellvorganges durch den Bereich H, M, L des Anodensystems 20 durchgeleitet wurde, aus dem aufgezeichneten Brennstoffdurchsatz D(t), vgl. 5,
    206
    Berechnen eines Druckverlaufes p(t), insbesondere eines Druckabfalls, in dem Bereich H, M, L des Anodensystems 20 währendes des Abstellvorganges in Abhängigkeit von der aufkumulierten Brennstoffmenge KD(t), vgl. 6,
    insbesondere unter der Annahme, dass beim Einleiten des Abstellvorganges die Brennstoffzufuhr unterbrochen wurde,
    207
    Anheben des berechneten Druckverlaufes p(t) um eine Druckdifferenz dp zwischen einem gewünschten Enddruck peSoll im Bereich H, M, L des Anodensystems 20 und einem Enddruck pelst gemäß dem berechneten Druckverlauf p(t), vgl. 7,
    208
    Bestimmen eines Abschaltzeitpunktes tab zum Abschalten der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von dem angehobenen Druckverlauf p(t) + dp und einem Anfangsdruck palst im Bereich H, M, L des Anodensystems 20, vgl. 8.
  • Weiterhin kann der bestimmte Abschaltzeitpunkt tab zum Abschalten der Brennstoffzufuhr, vorzugsweise bei mindestens einem nachfolgenden Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems 100, verwendet werden, wie es bspw. die 9 und 11 zeigen.
  • Die Brennstoffzufuhr kann mithilfe des Absperrventils 22 nach einem Brennstofftank 21 abgeschaltet werden.
  • Der Anfangsdruck palst im entsprechenden Bereich H, M, L des Anodensystems 20 kann aus dem berechneten Druckverlauf p(t) abgeleitet werden.
  • Weiterhin können beim Berechnen des Druckverlaufes p(t), mindestens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 100, wie z. B. die Temperatur T in diesem Bereich H, M, L des Anodenbereiches 20 und/oder die Umgebungstemperatur Tu, berücksichtigt werden.
  • Ein passender Abschaltzeitpunkt tab im Sinne der Erfindung ist theoretisch ein solcher Zeitpunkt, wenn nach dem Schließen des Absperrventils 22 beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 der verbleibende Brennstoff im Anodensystem 20 ausreicht, um den Abstellvorgang ordnungsgemäß abzuschließen, d. h. um die Trocknungsphase 202 des Anodenraumes 20, wie gewünscht, durchzuführen und die Bleed-Down-Phase 203 ordnungsgemäß abzuschließen.
  • Wie es die 5 zeigt, kann aus dem Integral des zeitlichen Verlaufes des Brennstoffdurchsatzes D die kumulierte Brennstoffmenge KD berechnet werden. Die kumulierte Brennstoffmenge KD entspricht im Sinne der Erfindung der verbrauchten Brennstoffmenge KD bei dem überwachten Abstellvorgang.
  • Dann wird eine Annahme getroffen, dass die Brennstoffzufuhr am Anfang des Abstellvorganges, d. h. bereits im Schritt 200 abgeschaltet wurde.
  • Die erfindungsgemäße Idee liegt dabei darin, dass aus der verbrauchten Brennstoffmenge KD ein entsprechender Druckverlauf p(t) bzw. Druckabfall berechnet werden kann, wie es die 6 verdeutlicht. Hierzu kann z.B. die ideale Gas-Gleichung o.Ä. verwendet werden
  • Im nächsten Schritt 207 wird der Druckverlauf p(t) rechnerisch um die Differenz dp zwischen dem gewünschten Enddruck peSoll, einem sog. Target-Enddruck, z.B. in einem Bereich zwischen 1 bar und 3 bar, und dem theoretisch ermittelten Enddruck pelst angehoben.
  • Wie es die 8 zeigt, weist der neue, angehobene, theoretische Druckverlauf p(t) + dp einen Schnittpunkt Pab mit dem Anfangsdruck palst, z.B. in Höhe von 15 bar, auf. Der entsprechende Zeitpunkt tab für diesen Schnittpunkt Pab ist der Zeitpunkt tab für die Abschaltung des Absperrventils 22, d. h. der passende Abschaltzeitpunkt tab zum Abschalten der Brennstoffzufuhr im Sinne der Erfindung.
  • Mithilfe der Erfindung kann beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 der Druck p im Anodensystem 20, insbesondere an den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, erheblich reduziert werden. Die Druckbelastung der Komponenten des Anodensystems 20 kann dadurch ebenfalls reduziert werden. Somit können die Anforderungen an die Komponenten des Anodensystems 20 herabgesetzt werden, sodass die Systemkosten gesenkt und der Einsatz von günstigen Materialien ermöglicht werden kann. Zudem kann mithilfe der Erfindung der Mehrverbrauch von Brennstoff beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100 reduziert werden.
  • Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Idee für jeden Bereich H, M, L des Anodensystems 20, nicht nur für den mittleren Druckbereich M, anwendbar.
  • Die 9 zeigt einen möglichen Ablauf bei mindestens einem nachfolgenden Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems 100:
    • 300
    Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems 100,
    301
    Überwachen der Zeit t seit dem Einleiten des Abstellvorganges auf Überschreiten des bestimmten Abschaltzeitpunktes tab,
    302
    Abschalten der Brennstoffzufuhr, wenn die Zeit t den bestimmten Abschaltzeitpunkt tab erreicht hat, insbesondere durch Schließen des Absperrventils 22,
    303
    Beenden des Abstellvorganges.
  • Die 10 zeigt einen realen Druckverlauf pr im Brennstoffzellensystem 100 beim Durchführen des Verfahrens gemäß 9.
  • Die 11 zeigt einen möglichen Ablauf bei mindestens einem nachfolgenden Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems 100:
    • 400
    Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems 100,
    401
    Überwachen der Zeit t seit dem Einleiten des Abstellvorganges auf Überschreiten des bestimmten Abschaltzeitpunktes tab,
    402
    Abschalten der Brennstoffzufuhr, wenn die Zeit t den bestimmten Abschaltzeitpunkt tab erreicht hat, insbesondere durch Schließen des Absperrventils 22,
    403
    Überwachen eines aktuellen Drucks p in dem Bereich H, M, L des Anodensystems 20 auf Unterschreiten einer Mindestgrenze Pmin, die beispielhaft in der 12 gezeigt ist,
    404
    Einschalten der Brennstoffzufuhr, wenn der Druck p die Mindestgrenze Pmin unterschritten hat, um den aktuellen Druck p anzuheben, insbesondere durch Öffnen des Absperrventils 22,
    405
    Abschalten der Brennstoffzufuhr, insbesondere, wenn eine Bleed-Down-Phase 203 des Brennstoffzellensystems 100 ordnungsgemäß abgeschlossen wurde,
    407
    Beenden des Abstellvorganges.
  • Vor dem Schritt 407 oder nach dem Schritt 407 kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
    • 406
    Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes tab, insbesondere in Abhängigkeit vom Überwachen des aktuellen Drucks p.
  • Zum Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes tab kann der bestimmte Abschaltzeitpunkt tab bspw. einfach um einen Pauschalbetrag dt erhöht werden. Zudem ist es denkbar, dass zum Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes tab der bestimmte Abschaltzeitpunkt tab gemäß dem Verfahren gemäß 2 und 4 neu berechnet werden kann.
  • Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (100), vorzugsweise um einen geeigneten Abschaltzeitpunkt (tab) zum Abschalten einer Brennstoffzufuhr zu bestimmen, aufweisend: - Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (100), - Aufzeichnen eines Brennstoffdurchsatzes (D(t)) durch einen Bereich (H, M, L) eines Anodensystems (20) während des Abstellvorganges, - Beenden des Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (100), - Aufkumulieren einer Brennstoffmenge (KD(t)), die währendes des Abstellvorganges durch den Bereich (H, M, L) des Anodensystems (20) durchgeleitet wurde, aus dem aufgezeichneten Brennstoffdurchsatz (D(t)), - Berechnen eines Druckverlaufes (p(t)) in dem Bereich (H, M, L) des Anodensystems (20) währendes des Abstellvorganges in Abhängigkeit von der aufkumulierten Brennstoffmenge (KD(t)), - Anheben des berechneten Druckverlaufes (p(t)) um eine Druckdifferenz (dp) zwischen einem gewünschten Enddruck (peSoll) und einem Enddruck (pelst) gemäß dem berechneten Druckverlauf (p(t)) , - Bestimmen eines Abschaltzeitpunktes (tab) zum Abschalten der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von dem angehobenen Druckverlauf (p(t) + dp) und einem Anfangsdruck (palst) im Bereich (H, M, L) des Anodensystems (20).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: - Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (100), - Überwachen der Zeit (t) seit dem Einleiten des Abstellvorganges auf Überschreiten des bestimmten Abschaltzeitpunktes (tab), - Abschalten der Brennstoffzufuhr, wenn die Zeit (t) den bestimmten Abschaltzeitpunkt (tab) erreicht hat, - Beenden des Abstellvorganges.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: - Einleiten eines Abstellvorganges des Brennstoffzellensystems (100), - Überwachen der Zeit (t) seit dem Einleiten des Abstellvorganges auf Überschreiten des bestimmten Abschaltzeitpunktes (tab), - Abschalten der Brennstoffzufuhr, wenn die Zeit (t) den bestimmten Abschaltzeitpunkt (tab) erreicht hat, - Überwachen eines aktuellen Drucks (p) in dem Bereich (H, M, L) des Anodensystems (20) auf Unterschreiten einer Mindestgrenze (Pmin), - Einschalten der Brennstoffzufuhr, wenn der Druck (p) die Mindestgrenze (Pmin) unterschritten hat, um den aktuellen Druck (p) anzuheben, - Abschalten der Brennstoffzufuhr, insbesondere, wenn eine Bleed-Down-Phase (203) des Brennstoffzellensystems (100) ordnungsgemäß abgeschlossen wurde, - Beenden des Abstellvorganges.
  4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist: - Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes (tab), insbesondere in Abhängigkeit vom Überwachen des aktuellen Drucks (p), wobei insbesondere zum Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes (tab) der bestimmte Abschaltzeitpunkt (tab) um einen Pauschalbetrag (dt) erhöht wird, wobei bevorzugt zum Anpassen des bestimmten Abschaltzeitpunktes (tab) der bestimmte Abschaltzeitpunkt (tab) gemäß Anspruch 1 neu berechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstellvorgang eine Trocknungsphase (202) des Anodensystems (20) und/oder einen Bleed-Down-Phase (203) des Brennstoffzellensystems (100) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach Anspruch 1 durch eine externe Recheneinheit, insbesondere Cloud, durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach Anspruch 1 während einer Kalibrierungsphase des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere einmalig, und/oder während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere mehrmalig, durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems (100) durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere beim Berechnen des Druckverlaufes (p(t)), mindestens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere die Temperatur (T) und/oder die Umgebungstemperatur (Tu), berücksichtigt wird.
  10. Steuereinheit, aufweisend eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, und eine Recheneinheit, wobei beim Ausführen des Codes durch die Recheneinheit, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  11. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführen.
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