DE102021205569A1 - Verfahren zur Detektion eines Füllzustands - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Detektieren eines Füllzustands eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems beschrieben, wobei dem Anodengas-Pfad ein Anodengas geregelt mittels eines Dosierventils bereitgestellt wird, mit: - Bestimmen einer Folge von Werten einer Stromaufnahme des Dosierventils; und- Bestimmen, eines Zeitpunkts an dem die Folge der Werte der Stromaufnahme des Dosierventils von einem ersten Wert einen zweiten Wert annehmen, um den Füllzustand des Tanks an dem Zeitpunkt als entleert zu detektieren.

Description

  • Es wird ein Verfahren zur Detektion eines Füllzustands eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems beim Entleeren beschrieben.
  • Stand der Technik
  • Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser.
    Das Umwandeln von Wasserstoff zu elektrischer Energie bedeutet, dass Wasserstoffmoleküle anodenseitig verbraucht bzw. entfernt werden.
    Die PEM-Brennstoffzelle enthält eine Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird und eine dazwischen platzierte Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere solcher einzelner Brennstoffzellen werden zur praktischen Anwendung gestapelt, um eine resultierende elektrische Spannung zu erhöhen. Innerhalb dieses Stapels, genannt Stack, befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff und Luft versorgen bzw. die abgereicherte feuchte Luft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren.
    Zur Separation von flüssigem Wasser vom gasförmigen Teil des Anodenabgases werden spezielle Wasserabscheider verwendet. Neben der Abscheidefunktion hat der Abscheider auch die Aufgabe abgeschiedenes Wasser zu speichern. Ist der Speicher voll, erfolgt das Ausleiten des Wassers mittels des Öffnens eines so genannten Drain-Ventils bzw. Ablassventils.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Durch Diffusionsprozesse gelangt Stickstoff in den Anodenraum. Eine weitere Quelle von Stickstoff stellt der frische Brennstoff dar, der nicht zu 100% aus reinem H2 besteht. Stickstoff stellt für die Brennstoffzelle ein Inertgas dar, reduziert die Zellspannung und somit die Stackspannung, was wiederum Wirkungsgradeinbußen bedeutet. Deswegen wird während eines Fahrzyklus wiederholt auch Gas aus dem Anodenraum ausgeleitet, um den Stickstoffgehalt zu reduzieren. Diese Ausleitung kann mittels eines so genannten Purge-Ventils durchgeführt werden.
  • Eine Versorgung mit frischem Wasserstoff kann mittels eines Wasserstoffdosierventils erfolgen, welches als Proportionalventil ausgeführt sein kann. Eine Regelstrategie sieht dafür vor, mit so einem Proportionalventil, den Gasdruck innerhalb des Anodenpfads, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck einzuregeln.
  • Gründe für ein Nachversorgen mit frischem Wasserstoff können zum einen sein, dass Wasserstoff H2 durch die elektrochemische Umwandlung verbraucht wird, und zum anderen, dass sonstige Verluste von Gasmolekülen aus dem Anodenraum, durch beispielsweise zu langes Öffnen des Drain-Ventils bzw. Ablassventils, auftreten, wenn nach vollständiger Wasserentleerung Gas ausgeleitet wird. Daher soll ein zu langes Öffnen des Dain-Ventils vermieden werden.
  • Schon das Ausleiten von Wasser, zum Verringern der Wassersäule im Wasserabscheider durch Öffnen des Drainventils, erfordert einen erhöhten Zufluss von Wasserstoff durch das Wasserstoffdosierventil, um den gewünschten Anodendruck aufrecht zu erhalten. Zusätzlich oder alternativ bedingt ein Öffnen eines Purgeventils Wasserstoffverluste.
  • Entsprechend Aspekten der Erfindung wird ein Verfahren zum Detektieren eines Füllzustands eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems, ein Verfahren zur Steuerung eines Ablassventils eines Tanks, eine Detektionsvorrichtung, ein Detektions-System und eine Verwendung einer Detektionsvorrichtung, entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, angegeben, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Detektieren eines Füllzustands eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems mit den folgenden Schritten vorgeschlagen, wobei dem Anodengas-Pfad ein Anodengas geregelt mittels eines Dosierventils bereitgestellt wird: In einem Schritt wird eine Folge von Werten einer Stromaufnahme des Dosierventils bestimmt. In einem weiteren Schritt wird ein Zeitpunkt bestimmt, an dem die Folge der Werte der Stromaufnahme des Dosierventils von einem ersten Wert einen zweiten Wert annehmen, um den Füllzustand des Tanks an dem Zeitpunkt als entleert zu detektieren.
    Vorteilhafterweise kann mit diesem Verfahren ein Füllzustand des Tanks im Anodengas-Pfad detektiert werden, indem beim Drainvorgang, d. h. wenn ein Ablassventil des Tanks geöffnet ist und ein Wasser-Inhalt des Tanks auf diese Weise entleert wurde, die Stromaufnahme des Dosierventils, das den Druck des Anodengases auf einen konstanten Wert regelt, ausgewertet wird.
    Mit anderen Worten, kann die Stromaufnahme des Dosierventils mit ihrem charakteristischen Verlauf bei dem Verfahren verwendet werden, den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem sich kein Wasser mehr in dem Tank befindet und Anodengas durch das Ablassventil entweichen kann.
  • D. h. bei dem Verfahren wird die Stromaufnahme des elektrischen Aktorstroms zur Ansteuerung des Dosierventils ausgewertet, um einen Füllzustand des Tanks zu bestimmen. Denn der Aktorstrom des Dosierventils ist eine Stellgröße zur Regelgröße eines Drucks des Anodengases im Anodengas-Pfad. Der elektrische Aktorstrom ist proportional zum Öffnungsgrad des Dosierventils und somit zum zudosierten Anodengas-Strom bzw. Wasserstoffvolumenstrom.
    Befindet sich das Brennstoffzellen-System in einem stationären Betriebsmodus und der Tank, insbesondere eines Wasserabscheiders, wird durch Öffnen des Ablassventils unter Ausfluss von Wasser entleert, muss das Dosierventil nur gering gegenregeln, um das durch das Wasservolumen vergrößerte Gasvolumen im Anodengas-Pfad wieder auf einen Solldruck zu regeln. Ist nach Ablauf eines Zeitintervalls alles Wasser entleert und das Ablassventil nicht geschlossen, entweicht Anodengas aus dem Anodengas-Pfad. In der Folge muss das Wasserstoff-Dosierventil mit einem höheren Strom angesteuert werden, um den Solldruck zu halten. Dieser so veränderte Aktorstrom, bzw. die Stromaufnahme des Dosierventils, kann mittels einer Detektionsvorrichtung präzise und mit hoher Messfrequenz, wie beispielsweise 2 kHz, erfasst werden, wodurch mit dem Verfahren der Füllzustand des Tanks als entleert bestimmt werden kann.
    Ein ermittelter Zeitpunkt bei dem der Füllzustand des Tanks als entleert bestimmt wurde, kann gespeichert werden und für andere Verfahren oder Steuergeräte für das Brennstoffzellen-System und/oder Systeme in die das Brennstoffzellen-System integriert ist, zur Verfügung gestellt werden.
    Dabei können insbesondere Laständerungen des Brennstoffzellensystems, die während des beschriebenen Entleerens des Tanks auftreten, und zu einer veränderte Stromaufnahme des Dosierventils führen können, bei der Bestimmung des ersten Wertes und des zweiten Werts zum Detektieren des Füllzustand berücksichtigt werden. Denn eine Veränderung der Last des Brennstoffzellensystems verändert eine Menge des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigten Wasserstoffs, der mittels des Dosierventils bereitgestellt wird, so dass Veränderungen der Stromaufnahme des Dosierventils, die auf eine Lastveränderung zurückzuführen sind, bei Detektieren des Füllzustands entsprechend berücksichtigt werden können, um eine Fehldetektion des Füllzustand aufgrund dieser Änderungen der Stromaufnahme des Dosierventils zu vermeiden. Dazu können Veränderungen der Stromaufnahme des Dosierventils, die auf eine Lastveränderung zurückzuführen sind unberücksichtigt bleiben und/oder entsprechend von einer Gesamt-Veränderung der Stromaufnahme des Dosierventils abgezogen werden, um die Veränderung der Stromaufnahme des Dosierventils, aufgrund des Entleerens des Tanks, zu berücksichtigen.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der erste Wert und/oder der zweite Wert eine gemittelte Teilfolge der Folge von Werten der Stromaufnahme des Dosierventils ist.
    Vorteilhafterweise kann die gemittelte Teilfolge so bestimmt werden, dass Veränderungen gut erkannt werden, Störungen aber herausgefiltert werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Füllzustand des Tanks als entleert detektiert wird, wenn zusätzlich eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert eine Solldifferenz überschreitet.
    Vorteilhafterweise kann durch die Festlegung einer solchen Solldifferenz erreicht werden, dass das System den Füllzustand des Tanks als entleert robust detektiert.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der zweite Wert größer als der erste Wert ist.
    D. h. die Stromaufnahme des Dosierventils kann bei der Nachregelung des Anodengas-Drucks zunehmen, um das Ventil weiter zu öffnen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Füllzustand des Tanks als entleert bestimmt wird, wenn zusätzlich ein Ablassventil des Tanks als geöffnet bestimmt wird.
    Vorteilhafterweise kann durch diese zusätzliche Berücksichtigung der Stellung des Ablassventils des Tanks die Detektion des Füllzustand als entleert robuster gemacht werden, da auch Laständerungen des Brennstoffzellensystems eine Stromaufnahme des Dosierventils beeinflussen können. D. h. mit diesem Verfahren kann eine Zuverlässigkeit der Detektion weiter verbessert werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Dosierventil als Proportionalventil ausgeführt ist.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass mittels des Dosierventils und einer Regelschaltung ein Anodengas-Druck innerhalb des Anodengas-Pfades auf einen Solldruck geregelt wird.
    Die Regelschaltung kann die Stromaufnahme des Dosierventils steuern, um den Solldruck im Anodengas-Pfad zu regeln.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Tank ein Tank eines Wasserabscheiders ist, der im Anodengas-Pfad des Brennstoffzellen-Systems angeordnet ist, um Wasser aus dem Anodengas abzuscheiden.
  • Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Ablassventils eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems vorgeschlagen, wobei das Ablassventil, basierend auf einem der vorher beschriebenen Verfahren als entleert detektierten Füllzustand, geschlossen wird.
    Vorteilhafterweise kann durch diesen Aspekt des Verfahrens ein Verlust des Anodengases minimiert werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass bei dem Verfahren zur Steuerung des Ablassventils das Ablassventil mit einer Verzögerung geschlossen wird, wenn der Tank als entleert detektiert wird, um innerhalb der Verzögerung definiert Anodengas aus dem Anodengas-Pfad des Brennstoffzellen-Systems auszuleiten.
    Gemäß diesem Aspekt des Verfahrens kann zusätzlich zum Entleeren des Tanks das Anodengas im Anodengas-Pfad gespült werden, in dem es durch das Ablassventil entweichen kann und frisches Anodengas mittels des Dosierventils dem Anodengas-Pfad zugeführt wird.
  • Es wird eine Detektionsvorrichtung vorgeschlagen, die eingerichtet ist, mit einer Stromaufnahme eines Dosierventils als Eingangssignal, einen Füllzustand eines Tanks in dem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems, gemäß einem der vorher beschriebenen Verfahren, zu detektieren.
    Mit einer so eingerichteten Detektionsvorrichtung kann das Verfahren leicht in unterschiedliche Systeme integriert werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Detektionsvorrichtung eingerichtet ist, ein Signal von einem Ablassventil, zum Detektieren des Füllzustands, zu empfangen.
    Mittels des Signals von dem Ablassventil kann die Detektionsvorrichtung den Füllzustand des Tanks zuverlässiger bestimmen, da mit diesem Signal nur solche Veränderungen der Stromaufnahme des Dosierventils ausgewertet werden können, bei denen das Ablassventil geöffnet ist. Dadurch können Veränderungen der Stromaufnahme des Dosierventils aufgrund von unterschiedlichen Lasten des Brennstoffzellen-Systems unberücksichtigt bleiben.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Detektionsvorrichtung eingerichtet ist, ein Ausgangs-Signal zu generieren, wenn der Füllzustand als entleert detektiert wird.
    Ein solches Ausgangs-Signal kann anderen Anwendungen und/oder Einrichtungen des Brennstoffzellen-Systems und/oder einem System, in das das Brennstoffzellen-System eingebettet ist, bereitgestellt werden.
  • Es wird ein Detektions-System mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung einer Stromaufnahme eines Dosierventils in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems und einer der oben beschriebenen Detektionsvorrichtungen, zum Detektieren eines Füllzustands eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems, vorgeschlagen.
  • Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Detektions-System einen Eingangsanschluss für ein Signal von einem Ablassventil des Tanks aufweist.
  • Es wird eine Verwendung einer der oben beschriebenen Detektionsvorrichtungen, zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Systems, vorgeschlagen.
  • Ausführungsbeispiele
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der 1 sowie in den folgenden Ausführungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt die
    • 1 schematische Verläufe unterschiedlicher Signale beim Betrieb eines Brennstoffzellen-Systems.
  • Die 1 skizziert schematische einen Verlauf eines Füllstands 100 eines Tanks in einem Anoden Gas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems und einen Verlauf einer Schaltstellung 200 eines Ablassventils eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems und einen Verlauf einer Folge von Werten einer Stromaufnahme eines Dosierventils zur Bereitstellung eines Anoden Gases in dem Anodengas-Pfad des Brennstoffzellen-Systems.
    Dabei sind die unterschiedlichen Zeitverläufe 100, 200, 300 über eine Zeitachse t aufgetragen.
    In einer ersten zeitlichen Phase zwischen 0 und T1 ist die Schaltstellung des Ablassventils 200 offen (1), wodurch der Füllstand in dem Tank gemäß dem Verlauf 100 bis auf 0 abnimmt. Da in diesem Moment das Anodengas durch das offene Ablassventil entweichen kann, muss für einen konstanten Anodengas-Druck im Anodengas-Pfad weiteres Anodengas zugeführt werden, wodurch eine Stromaufnahme 300 eines Dosierventils, dass das Anodengas Druck-geregelt zuführt, zunimmt.
    In einer zweiten zeitlichen Phase zwischen T1 und T2 ist das Ablassventil weiterhin geöffnet (1) geschaltet 200, so das Anodengas entweichen kann, um zum Beispiel das Anodengas zu spülen. Der Füllstand 100 bleibt weiterhin null. In einer dritten zeitlichen Phase zwischen T2 und T3 ist das Ablassventil geschlossen (0) geschaltet 200, und der Füllstand 100 nimmt, abhängig vom Betrieb des Brennstoffzellen-Systems bis zu einem maximalen Wert zum Zeitpunkt T3 zu, solange das Ablassventil geschlossen (0) geschaltet 200 ist. Da in dieser Phase der Anodengas-Pfad abgedichtet ist, nimmt das Dosierventil weniger Strom 300 auf bis in einer folgenden Phase das Ablassventil wieder geöffnet wird.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Detektieren eines Füllzustands eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems, wobei dem Anodengas-Pfad ein Anodengas geregelt mittels eines Dosierventils bereitgestellt wird, aufweisend: Bestimmen einer Folge von Werten einer Stromaufnahme des Dosierventils (300); und Bestimmen eines Zeitpunkts (T1) an dem die Folge der Werte der Stromaufnahme des Dosierventils von einem ersten Wert einen zweiten Wert annehmen, um den Füllzustand des Tanks an dem Zeitpunkt als entleert zu detektieren.
  2. Verfahren entsprechend dem Anspruch 1, wobei der erste Wert und/oder der zweite Wert eine gemittelte Teilfolge der Folge von Werten der Stromaufnahme des Dosierventils (300) ist.
  3. Verfahren entsprechend Anspruch 1 oder 2, wobei der Füllzustand des Tanks als entleert detektiert wird, wenn zusätzlich eine Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert eine Solldifferenz überschreitet.
  4. Verfahren entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllzustand des Tanks als entleert bestimmt wird, wenn zusätzlich ein Ablassventil des Tanks als geöffnet bestimmt wird.
  5. Verfahren entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des Dosierventils und einer Regelschaltung ein Anodengas-Druck innerhalb des Anodengas-Pfades auf einen Solldruck geregelt wird.
  6. Verfahren entsprechend einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Tank ein Tank eines Wasserabscheiders ist, der im Anodengas-Pfad des Brennstoffzellen-Systems angeordnet ist, um Wasser aus dem Anodengas abzuscheiden.
  7. Verfahren zur Steuerung eines Ablassventils eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems, wobei das Ablassventil, basierend auf einem, entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6 als entleert detektierten, Füllzustand geschlossen wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Ablassventil mit einer Verzögerung geschlossen wird, wenn der Tank als entleert detektiert wird, um innerhalb der Verzögerung definiert Anodengas aus dem Anodengas-Pfad des Brennstoffzellen-Systems auszuleiten.
  9. Detektionsvorrichtung, die eingerichtet ist, mit einer Stromaufnahme eines Dosierventils als Eingangssignal, einen Füllzustand eines Tanks in dem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, zu detektieren.
  10. Detektionsvorrichtung entsprechend Anspruch 9, das eingerichtet ist, ein Signal von einem Ablassventil, zum Detektieren des Füllzustands, zu empfangen.
  11. Detektionsvorrichtung entsprechend Anspruch 9 oder 10, die eingerichtet ist, ein Ausgangs-Signal zu generieren, wenn der Füllzustand als entleert detektiert wird.
  12. Detektions-System mit: einer Messeinrichtung zur Bestimmung einer Stromaufnahme eines Dosierventils in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems; und einer Detektionsvorrichtung entsprechend Anspruch 9 bis 11, zum Detektieren eines Füllzustands eines Tanks in einem Anodengas-Pfad eines Brennstoffzellen-Systems.
  13. Detektions-System entsprechend Anspruch 12, das einen Eingangsanschluss für ein Signal von einem Ablassventil des Tanks aufweist.
  14. Verwendung einer Detektionsvorrichtung entsprechend Anspruch 9 bis 12, zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Systems.
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DE102023203562A1 (de) 2023-04-19 2024-10-24 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

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