DE102021207158A1

DE102021207158A1 - Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102021207158A1
Application number: DE102021207158.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Hellmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2023-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (20) zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1), wobei das Verfahren (20) die Schritte aufweist:- Ermitteln einer aktuellen Druckdifferenz (Δpact) zwischen einer Anode (7) und einer Kathode (8) eines Brennstoffzellenstapels (6) des Brennstoffzellensystems (1),- Vergleichen der aktuellen Druckdifferenz (Δpact) mit einem vorgegebenen Grenzwert (Δpmax) und/oder einem vorgegebenen Kriterium,- Einleiten zumindest einer Betriebsmaßnahme, falls die aktuelle Druckdifferenz (Δpact) den vorgegebenen Grenzwert (Δpmax) überschreitet und/oder falls das vorgegebene Kriterium von der aktuellen Druckdifferenz (Δpact) erfüllt wird.

Description

Stand der Technik
Einige der wichtigsten Regelgrößen des Wasserstoffsystems und des Luftsystems in einem Brennstoffzellensystem sind die Drücke in der Anode und in der Kathode. Ein korrekter Druck ist wichtig für die erzielbare Leistung des Brennstoffzellenstapels in dem Brennstoffzellensystem. Auch übt er einen großen Einfluss auf das Wassermanagement aus.
Die Membran in einer Brennstoffzelle bzw. in einem Brennstoffzellenstapel trennt die Volumina von Anode und Kathode. Wenn der Druck in der Anode und in der Kathode nicht gleich ist, entsteht eine gewisse Druckbelastung an der Membran. Die sich ergebende Druckdifferenz kann bis zu einem bestimmten Maß (bspw. in Höhe von 0,5 bar Differenzdruck) toleriert werden. Folglich sind die Druckregelungen von Anode und Kathode nicht unabhängig, um zu große Druckunterschiede zu vermeiden, die den Brennstoffzellenstapel mechanisch beschädigen können. Eine Beschädigung kann sofort oder zyklisch im Verlauf der Lebensdauer geschehen. Um die Druckniveaus anzugleichen, wird ein Druckversatz definiert. Bspw. wird der Druckversatz derart definiert, dass ein Anoden-Eingangsdruck 100 mbar höher als ein Kathoden-Eingangsdruck sein darf.
Im Stand der Technik wird im Luftsystem und im Wasserstoffsystem ein Solldruck geregelt und der auftretende Differenzdruck permanent überprüft sowie mit einem fest vorgegebenen Grenzwert verglichen. Bei Erreichen des fest vorgegebenen Grenzwerts regelt das System die Leistung herunter oder leitet eine Abschaltung ein, um den Brennstoffzellenstapel vor mechanischen Schäden zu schützen.
DE 101 07 128 B4 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems. Eine Brennstoffzellen-Steuereinheit des Brennstoffzellensystems reagiert auf Eingangssignale und steuert die Drehzahl des Kompressors, des Reformers, das Luft-Strömungssteuerventil und das Wasserstoffgas-Strömungssteuerventil solcherart, dass die Drücke an der Seite der Anode und der Seite der Kathode des Brennstoffzellenpaketes und die Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite nicht jeweils zulässige Grenzwerte überschreiten, um zu verhindern, dass eine Elektrolytmembran zerreißt. Auch wird die Druckdifferenz zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer solcherart überwacht, dass die Druckdifferenz nicht einen vorbestimmten zulässigen Wert überschreitet.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.
Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Demgemäß betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

- Ermitteln einer aktuellen Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems,
- Vergleichen der aktuellen Druckdifferenz mit einem vorgegebenen Grenzwert,
- Einleiten zumindest einer Betriebsmaßnahme, falls die aktuelle Druckdifferenz den vorgegebenen Grenzwert überschreitet,

Entsprechend ist im Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung der vorgegebene Grenzwert der Druckdifferenz nicht mehr, wie aus dem Stand der Technik bekannt, fix vorgegeben, sondern wird variabel anhand zumindest einer aktuellen Betriebsbedingung des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstapels, gewählt bzw. bestimmt. Gegenüber einem fixen bzw. starren Grenzwert kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems optimiert werden, weil der flexible bzw. variable Grenzwert auch hochgesetzt werden kann, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems dies erfordert oder es förderlich scheint und die zumindest eine aktuelle Betriebsbedingung oder mehrere aktuelle Betriebsbedingungen dies zulassen. So kann die Leistung des Brennstoffzellensystems in bestimmten Anwendungen verbessert werden und gleichzeitig können zu hohe Druckdifferenzen vermieden werden, wodurch sich die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems verbessern lässt.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass es sich bei der zumindest einen aktuellen Betriebsbedingung um eine Betriebsbedingung zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels handelt. Insbesondere kann diese Betriebsbedingung der Membran mit den mechanischen Eigenschaften der Membran in Zusammenhang stehen. Denn die zulässige Druckdifferenz ist, entgegen der derzeitig aus dem Stand der Technik bekannten Vorgabe kein starrer Grenzwert, stattdessen hängt sie von den mechanischen Eigenschaften der Membran ab.
Es kann vorgesehen sein, dass eine aktuelle Betriebsbedingung eine Temperatur zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels ist. Dadurch kann der vorgegebene Grenzwert entsprechend der aktuellen Temperatur der Membran bestimmt werden, sodass hohe Differenzdrücke bei hohen Temperaturen der Membran vermieden werden können. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die mechanische Festigkeit der Membran von den Betriebsbedingungen abhängt, hauptsächlich von der aktuellen Temperatur. Eine aktuelle Temperatur der zumindest einen Membran kann bspw. als Eingabe für eine Umsetzungstabelle (auch LookUp-Tabelle genannt) dienen, welche den vorgegebenen Grenzwert bestimmt. Möglich ist auch der Einsatz eines Modells des Zusammenspiels zwischen der Temperatur und der mechanischen Festigkeit der zumindest einen Membran zur Bestimmung des vorgegebenen Grenzwerts anhand der aktuellen Temperatur der zumindest einen Membran. Die Membrantemperatur kann bspw. durch in situ Temperaturmessungen in einer Schicht des Brennstoffzellenstapels oder durch die durchschnittliche Kühlmitteltemperatur oder andere Ersatzwerte, wie bspw. eine Kathodenluftaustrittstemperatur oder ähnlich, geschätzt werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass eine aktuelle Betriebsbedingung ein Feuchtigkeitsgehalt zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels ist. Der Feuchtigkeitsgehalt kann alternativ zur Temperatur der zumindest einen Membran oder gemeinsam mit der Temperatur der zumindest einen Membran als aktuelle Betriebsbedingung herangezogen werden. Es hat sich gezeigt, dass die mechanische Festigkeit der Membran auch von dem Feuchtigkeitsgehalt der zumindest einen Membran als Betriebsbedingung abhängt. Die Membranfeuchtigkeit kann bspw. über das Impedanzverhalten des Brennstoffzellenstacks, seine Dehnung durch Quellung der zumindest einen Membran oder ein Modell des Wassermanagements abgeschätzt werden. Auch für die Bestimmung des vorgegebenen Grenzwerts anhand des Feuchtigkeitsgehalts kann wiederum eine Umsetzungstabelle oder ein Modell genutzt werden. Wenn Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt der zumindest einen Membran gemeinsam als aktuelle Betriebsbedingungen zur Bestimmung des vorgegebenen Grenzwerts der Druckdifferenz genutzt werden, kann auch eine gemeinsame Umsetzungstabelle oder ein gemeinsames Modell genutzt werden, welche bzw. welches Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt erfasst.
Wie bereits erläutert, kann der vorgegebene Grenzwert mittels einer Umsetzungstabelle oder eines Modells bestimmt werden. Die Umsetzungstabelle oder das Modell kann dabei den vorgegebenen Grenzwert anhand der aktuellen Betriebsbedingung, der wiederum auf einer aktuellen Messung, Simulation, Berechnung oder Schätzung basieren kann, liefern. Die Umsetzungstabelle und das Modell sind einfache Möglichkeiten zur Vorgabe des Grenzwerts in Abhängigkeit von der zumindest einen aktuellen Betriebsbedingung.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Betriebsmaßnahme eine Änderung eines Drucks an der Anode und/oder an der Kathode ist. Die Änderung kann insbesondere eine Erhöhung des Drucks an der Anode und/oder an der Kathode sein. Die Betriebsmaßnahme kann ansonsten zusätzlich oder alternativ eine Änderung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels sein. Insbesondere kann die Betriebsmaßnahme eine Senkung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels sein. Dies wiederum erhöht die Robustheit der zumindest einen Membran.
Außerdem oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Betriebsmaßnahme eine Änderung des vorgegebenen Grenzwerts ist. Der Grenzwert kann insbesondere im Rahmen der bereits erläuterten zumindest einen aktuellen Betriebsbedingung geändert werden.
Durch die hier angegebenen Betriebsmaßnahmen können die mit den Betriebsmaßnahmen aus dem Stand der Technik, wie Herabsetzen der Leistung und Abschalten des Brennstoffzellensystems, verbundenen Nachteile verhindert oder zumindest aufgeschoben werden. Stattdessen kann das Brennstoffzellensystem gemäß der aktuellen Betriebsbedingungen an die aktuelle Betriebssituation angepasst flexibel betrieben werden.
Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

- Ermitteln einer aktuellen Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels,
- Abgleichen der aktuellen Druckdifferenz mit einem vorgegebenen Kriterium,
- Einleiten einer Betriebsmaßnahme, falls das vorgegebene Kriterium von der aktuellen Druckdifferenz erfüllt wird,

Die Druckdifferenz kann durch Subtraktion des Drucks an der Anode von dem Druck an der Kathode oder andersherum gebildet wird. Im Sinne der Erfindung wird ein Vorzeichenwechsel als Wechsel des Vorzeichens bei dieser Subtraktion beziehungsweise bei der Druckdifferenz verstanden. Mit anderen Worten wird der Vorzeichenwechsel dahingehend verstanden bzw. ergibt er sich dann, wenn ein Druck der Anode oder Kathode, der zuvor kleiner als der jeweils andere Druck, also an der Anode oder Kathode gewesen ist, nun größer als der jeweils andere Druck wird. Bspw. ist typischerweise der Druck an der Anode höher als der Druck an der Kathode. Die Druckdifferenz kann nun bspw. dadurch gebildet werden, dass der Druck an der Anode vom Druck an der Kathode abgezogen wird. Wenn der Druck an der Anode größer ist, wie typischerweise am Eingang der Fall ist, dann ist die Druckdifferenz positiv bzw. das Vorzeichen der Druckdifferenz mathematisch anschaulich ausgedrückt ein Plus. Wird nun über den Strömungsweg hinweg der Druck an der Kathode größer als der Druck an der Anode und die Druckdifferenz an diesem Punkt berechnet, ergibt sich ein Vorzeichenwechsel. Wenn der Druck an der Kathode nun größer als der Druck an der Anode bei selber Rechenvorschrift zur Berechnung der Druckdifferenz ist, wird die Druckdifferenz negativ bzw. das Vorzeichen der Druckdifferenz ein Minus.
Das vorgeschlagene Kriterium des Vorzeichenwechsels erweitert die Druckregelstrategie um ein weiteres Regelungsziel, um ebenfalls die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu erhöhen. Denn durch die wechselnden Druckbelastungen, die durch den Vorzeichenwechsel auftreten bzw. erkannt werden können, kann die Lebensdauer der Membran verringert werden. Durch die Vermeidung derartiger Druckbelastungen durch Nutzung des neuen Kriteriums des Vorzeichenwechsels und seine entsprechende Überwachung, kann das Vorzeichen der Druckdifferenz konstant gehalten werden und die Lebensdauer der Membran und damit des Brennstoffzellensystems verlängert werden.
Das Kriterium des Vorzeichenwechsels kann zwar nicht in allen Zuständen des Brennstoffzellenstapels erfüllt werden (z.B. sog. „bleed down“, etc.), aber mit dem neuen Regelungsziel wird die Belastung und Höhe der wechselnden Druckbelastung der Membran reduziert. Wie die meisten Materialien zeigen auch die Membran und weitere Schichten der Brennstoffzelle anisotropes Verhalten und können von einem definierten Vorzeichen der mechanischen Druckbelastung profitieren. Dies hilft, die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels insgesamt durch die vorgeschlagene Betriebsstrategie zu verbessern.
Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt kann zusätzlich das Verfahren nach dem ersten Aspekt umfassen.
Außerdem betrifft die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

- Ermitteln einer aktuellen Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode,
- Vergleichen der aktuellen Druckdifferenz mit einem vorgegebenen Grenzwert,
- Einleiten zumindest einer Betriebsmaßnahme, falls die aktuelle Druckdifferenz den vorgegebenen Grenzwert überschreitet,

Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung kann das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfassen.
Schließlich betrifft die Erfindung gemäß einem vierten Aspekt ein Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung, des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt der Erfindung und/oder des Verfahrens nach dem dritten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist. Für die Durchführung eines oder verschiedener der vorgenannten Verfahren kann das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät aufweisen, welches das jeweilige Verfahren durchführt.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden bzw. für ein Kraftfahrzeug ausgelegt bzw. ausgebildet sein. Aus den nachstehenden Gründen sind die Verfahren, insbesondere das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, besonders vorteilhaft gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgabe eines fixen zulässigen Differenzdrucks.
Der Leistungsbedarf eines Kraftfahrzeugs wird stark von den Umgebungsbedingungen (Dichte der Luft) beeinflusst. Bei Geschwindigkeiten größer als 80 km/h dominiert der Luftwiderstand den Leistungsbedarf des Kraftfahrzeugs. Das heißt, dass der Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels in direkter Wechselwirkung mit den Umgebungsbedingungen steht. Weiterhin beeinflussen die Umgebungsbedingungen auch stark die maximale Kühlleistung des thermischen Systems, da der Kühler typischerweise durch den maximalen Luftdurchsatz und dessen Temperatur begrenzt ist. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen können aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen System und Umgebung große Wärmemengen an die Umgebung abgegeben werden. Das ist der Grund, warum die maximal zulässige Temperatur des Brennstoffzellenstapels zumindest für kostengünstige Anwendungen (z. B. PKW) hoch sein muss (größer als 80 °C).
Die Kombination aus hoher Temperatur des Brennstoffzellenstapels (aufgrund der begrenzten Kühlkapazität des Fahrzeugs) und hohen Druckverlusten (aufgrund der max. Leistungsabgabe) in Anode und Kathode tritt bei PKWs nicht sehr häufig auf. Im PKW tritt der höchste Leistungsbedarf aufgrund der Abhängigkeit der Luftwiderstandsverluste von den Umgebungsbedingungen (Dichte der Luft) bei Niedrigtemperaturbetrieb auf. In diesem Fall ist die thermische Wärmeabfuhrkapazität des Fahrzeugs nicht begrenzt und ein Hochtemperaturbetrieb des Brennstoffzellenstapels ist nicht erforderlich. Im PKW wird die höchste Brennstoffzellenstapel-Temperatur für den Heißlandbetrieb benötigt. Im Heißlandbetrieb ist der Leistungsbedarf des Fahrzeugs im Vergleich zum Kaltlandbetrieb (bei gleicher Geschwindigkeit) um ca. 25 % geringer. Hohe Brennstoffzellen-Temperaturen sind auch beim Bergauffahren (mit Anhänger) erforderlich, jedoch nicht in Kombination mit dem maximalen Leistungsbedarf. Eine erhöhte Beanspruchung bei hohen Temperaturen durch hohe Druckdifferenzen (vergleichbar hoch wie die mechanischen Eigenschaften der Membran) kann bei dieser Temperatur auftreten, wenn eine konstante max. Druckdifferenz Ziel der Systemsteuerung ist, was zu einer Reduzierung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels führt. Eine Begrenzung der max. Leistung (max. Durchfluss in den Flowfields) bei niedrigeren Temperaturen, obwohl die mechanischen Eigenschaften der Membran höhere Temperaturen erlauben würden, führt zu einer reduzierten Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels und höhere Systemkosten.
Mit anderen Worten ausgedrückt: Um einen Hochlastbetrieb (mit entsprechend hohen Flüssen in den Flowfields) zu ermöglichen, muss eine hohe maximale Druckdifferenz zwischen Anode zu Kathode erlaubt sein, da die Druckverluste in Anode und Kathode unterschiedlich sind. Ansonsten ist ein Brennstoffzellenstapel mit hoher volumetrischer Leistungsdichte aufgrund des höheren Platzbedarfs für die Flowfields nicht realisierbar. Um einen Hochtemperaturbetrieb zu ermöglichen, muss eine hohe Maximaltemperatur des Brennstoffzellenstapels zugelassen werden. Andernfalls kann das thermische System nicht die gesamte Wärmemenge an die Umgebung abgeben. Die Kombination von hohen Temperaturen mit hohen Druckdifferenzen zwischen Anode zu Kathode muss zur Erhöhung der Membranlebensdauer jedoch möglichst vermieden werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eine erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems aus 1,
3 ein beispielhaftes Druck (p)-Weg (x)-Diagramm für den im Gleichstrom und gemäß dem Verfahren aus 2 betriebenen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems aus 1,
4 ein beispielhaftes Druck (p)-Weg (x)-Diagramm für den im Gegenstrom und gemäß dem Verfahren aus 2 betriebenen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems aus 1,
5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems aus 1,
6 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems aus 1,
7 eine schematische Darstellung eines noch weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems aus 1,
8 eine schematische Darstellung eines noch weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems aus 1,
9 ein beispielhaftes Druck (p)-Weg (x)-Diagramm für den im Gegenstrom betriebenen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems aus 1 gemäß dem Verfahren aus 8.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 2 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 6. Das Brennstoffzellensystem 1 ist Teil eines nicht gezeigten Kraftfahrzeugs, in dem die mittels des Brennstoffzellenstapels 6 erzeugte Energie dem Antreiben eines Elektromotors 13 zum Fortbewegen des Kraftfahrzeugs dient.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist vier unterschiedliche Systeme 2, 3, 4, 5 auf, die durch ihre Verbindungszweige mit jeweiligen Komponenten dieser Systeme 2, 3, 4, 5 gekennzeichnet sind.
Das elektrische System 2 verbindet die Anode 7 des Brennstoffzellenstapels 6, die Kathode 8 des Brennstoffzellenstapels 6, den mit einem Getriebe 14 verbundenen Elektromotor 13, einen Traktionsakku 16 sowie eine (Niederspannungs-)Batterie 15 in dem Fachmann bekannter Weise mittels einer entsprechenden Verschaltung miteinander. Die Hochvoltzweige auf hohem Spannungsniveau des elektrischen Systems 2 sind dabei fett gekennzeichnet.
Das Wasserstoffsystem 3 verbindet einen Wassertank 10 in dem Fachmann bekannter Weise mit der Anode 7 zum Versorgen der Anode 7 mit Wasserstoff sowie mit dem Luftsystem 4.
Das Luftsystem 4 verbindet einen Luftfilter 11 und die aus der Umgebung bezogene Luft, die den Luftfilter 11 passiert, in dem Fachmann bekannter Weise mit der Kathode 8, um die Kathode 8 mit Sauerstoff zu versorgen.
Schließlich stellt das Thermalsystem 5 mit einem Kühler 12 die Kühlung des Brennstoffzellenstapels 6 innerhalb seiner Kühlabschnitte 9 in dem Fachmann bekannter Weise sicher.
Einige der wichtigsten Regelziele des Wasserstoffsystems 3 und des Luftsystems 4 sind der Druck in der Anode 7 und der Kathode 8. Ein korrekter Druck ist wichtig für die Leistung des Brennstoffzellenstapels 6 und hat einen großen Einfluss auf das Wassermanagement.
Die Membranen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 6 trennen die Volumina von Anode 7 und Kathode 8. Wenn der Druck in der Anode 7 und der Kathode 8 innerhalb einer Brennstoffzelle nicht gleich ist, entsteht eine gewisse Druckbelastung auf der Membran. Diese Druckdifferenz kann nur bis zu einem bestimmten Maß toleriert werden. Folglich sind die Druckregelungen von Anode 7 und Kathode 8 nicht unabhängig voneinander, um zu große Druckunterschiede zu vermeiden, die den Brennstoffzellenstapel 6 mechanisch beschädigen können.
2 zeigt ein Verfahren 20 zum Steuern eines Brennstoffzellensystems 6, mittels dem zu große Druckunterschiede zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 vermieden werden können. Dazu wird ein fester Grenzwert Δp_max vorgegeben.
Im Verfahren 20 der 2 wird mittels der Druckregelung 17 des Wasserstoffsystems 3 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ein aktueller Druck p_A,act an der Anode 7 gemäß einer Sollvorgabe geregelt. Ferner wird mittels der Druckregelung 18 des Luftsystems 4 ein aktueller Druck p_C,act an der Kathode 8 gemäß einer Sollvorgabe geregelt. Die tatsächlich aktuell herrschenden Drücke p_A,act, p_C,act können gemessen werden oder durch ein entsprechendes Modell geschätzt werden.
In einem weiteren Schritt 21 des in 2 gezeigten Verfahrens wird schließlich laufend die Druckdifferenz Δp_act zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 ermittelt bzw. überwacht. Die Druckdifferenz Δp_act ist die Differenz zwischen dem Druck p_A,act an der Anode 7 und dem Druck p_C,act an der Kathode 8.
In dem darauffolgenden Schritt 22 des in 2 gezeigten Verfahrens wird die Druckdifferenz Δp_act laufend mit dem vorgegebenen Grenzwert der maximal zulässigen Druckdifferenz Δp_max verglichen.
Wenn die Druckdifferenz Δp_act den vorgegebenen Grenzwert Δp_max erreicht, regelt das Brennstoffzellensystem 1 in dem Schritt 23 die Leistung herunter oder leitet eine Abschaltung ein, um den Brennstoffzellenstapel 1 vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Anderenfalls wird der Betrieb in Schritt 24 mit Wiederholung der vorangehenden Schritte 21 und 22 fortgesetzt.
Das konkrete Design des Brennstoffzellenstapels 6 bestimmt die Strömungsrichtung in der Anode 7 und der Kathode 8, wobei die im Folgenden vorgestellten Verfahren bei jeder Strömungsrichtung anwendbar sind und auf keine Strömungsrichtung beschränkt sind. Lediglich beispielhaft wird die Erfindung anhand bestimmter Strömungsrichtungen bzw. Designs von Brennstoffzellenstapeln 6 erläutert.
Verschiedene Designs von Brennstoffzellenstapeln 6 sind bekannt und werden für Automobilanwendungen, die sich für die Erfindung in besonders hohem Maße eignen, entwickelt. Darunter befinden sich unter anderem der Gleichstrom (im Englisch auch als Co-Flow bezeichnet) von Anode 7 und Kathode 8, der Gegenstrom (im Englischen auch als Counter-Flow bezeichnet) von Anode 7 und Kathode 8 und der Querstrom (im Englischen auch als Cross-Flow bezeichnet) von Anode 7 und Kathode 8.
Die Strömungsrichtung bestimmt die (lokal auftretende) Druckdifferenz in der Brennstoffzelle in der Ebene über der Membran. Die Druckdifferenz ist aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Membranmaterials begrenzt. Im Betrieb hängt die Druckdifferenz vom Druckunterschied zwischen der Anode 7 und der Kathode 8, dem Druckverlust in der Anode 7 (aufgrund der Anodenströmung), dem Druckverlust in der Kathode 8 (aufgrund der Kathodenströmung) und der Strömungsrichtung der Anode 7 relativ zur Kathode 8 im Brennstoffzellenstapel 6 ab. Der Durchfluss in der Anode 7 und der Kathode 8 wiederum hängt hauptsächlich von der aktuellen Leistung des Brennstoffzellenstapels 6 ab.
3 zeigt ein Druck (p)-Weg (x)-Diagramm, welches die Drücke p (auf der linken Ordinatenachse abgetragen) an der Anode 7 und an der Kathode 8 in einem im Gleichstrom betriebenen Brennstoffzellenstapel 6 entlang des Strömungswegs x illustriert. Die Verläufe von Druck p_C an der Kathode 8 und Druck P_A an der Anode 7 sind jeweils bei zwei typischen Lastpunkten, nämlich geringer Last („Low-Load“) und hoher Last („High-Load“), gezeigt. Die Pfeile an den Druckverläufen zeigen die Strömungsrichtung entlang des normierten Wegs x an.
Gezeigt ist in 3 auch der Verlauf des Differenzdrucks Δp (auf der rechten Ordinatenachse abgetragen), welcher sich aus der Differenz zwischen dem Druck P_A an der Anode 7 und dem Druck an der Kathode p_C ergibt. Der Differenzdruck Δp ist jeweils für die Druckverläufe bei geringer Last Δp_Low-Load und hoher Last Δp_High-Load abgetragen. Vorliegend verlaufen in diesem beispielhaften Szenario beide Differenzdrücke Δp_Low-Load und Δp_High-Load im positiven Bereich des Differenzdrucks bzw. oberhalb von 0 oder, mit anderen Worten, mit positivem Vorzeichen.
Eine in der Mitte des Graphen befindliche gestrichelte Linie würde ansonsten einen Vorzeichenwechsel einer der Druckdifferenzen Δp_Low-Load und Δp_High-Load bei einem Differenzdruck von Δp = 0 bar anzeigen, wenn eine der beiden Verläufe der Druckdifferenzen Δp_Low-Load und Δp_High-Load die gestrichelte Linie kreuzen würde. Die bidirektionalen Pfeile veranschaulichen jeweils den Solldruckversatz Δp_A,C bei geringer Last und hoher Last von der Anode 7 zu der Kathode 8. Das Druckniveau bei hoher Last ist bekanntlich höher als bei geringer Last, wie der 3 entnommen werden kann.
In 3 wird die gem. dem Verfahren 20 aus 2 vorgegebene maximale Druckdifferenz Δp_max in Höhe von 0,5 bar bei der Betriebsstrategie des Gleichstroms nicht überschritten und auch ein Vorzeichenwechsel findet nicht statt, obwohl die unterschiedlichen Druckverluste bei hoher Belastung bereits eine ungleichmäßige Verteilung der Druckdifferenz Δp entlang der Membran verursachen.
4 zeigt ein Druck (p)-Weg (x)-Diagramm, welches die Drücke p an der Anode 7 und an der Kathode 8 in einem im Gegensatz zu 3 im Gegenstrom betriebenen Brennstoffzellenstapel 6 entlang des Strömungswegs x illustriert. An dem Schnittpunkt der Verläufe von Druck p_C an der Kathode 8 und Druck p_A an der Anode 7 bei hoher Last bzw. an dem Schnittpunkt des Differenzdrucks Δp_High- _Load bei hoher Last mit der gestrichelten Linie, die den Wechsel des Vorzeichens kennzeichnet, ist zu erkennen, dass es bei diesem beispielhaften Szenario des im Gegenstrom betriebenen Brennstoffzellenstapels 6 zu einem Vorzeichenwechsel kommt. Dieser Vorzeichenwechsel sorgt für eine Druckwechselbelastung des Brennstoffzellenstapels 6, der seine Lebensdauer verringern kann. Bei dem Verlauf der Druckdifferenz Δp_Low-Load bei geringer Last tritt hingegen kein Vorzeichenwechsel auf.
In 4 wird die maximale Druckdifferenz Δp_max in Höhe von 0,5 bar bei der Betriebsstrategie des Gegenstroms und gem. dem Verfahren 20 aus 2 erfüllt, aber der Vorzeichenwechsel wird bei hoher Belastung nicht vermieden. Die unterschiedliche Strömungsrichtung bewirkt eine ungleichmäßige Verteilung der Druckdifferenz Δp entlang der Membran in allen Betriebszuständen. Bei hohen Lasten tritt ein Vorzeichenwechsel auf und belastet bei jedem Lastwechsel das Zellmembranmaterial im Bereich des Kathodeneinlasses. In Brennstoffzellenstapeln 6 mit Kreuzstrom-Durchflussrichtung kann sich das Problem der Ungleichmäßigkeit insbesondere an den Rändern der Membran noch verschärfen (nicht dargestellt).
5 zeigt ein weiteres Verfahren 20 zum Steuern eines Brennstoffzellensystems 6, welches gegenüber dem Verfahren 20 aus 2 erfindungsgemäß modifiziert ist.
Im Verfahren 20 der 5 wird weiterhin mittels der Druckregelung 17 des Wasserstoffsystems 3 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ein aktueller Druck p_A,act an der Anode 7 gemäß einer Sollvorgabe geregelt. Ferner wird mittels der Druckregelung 18 des Luftsystems 4 ein aktueller Druck p_C,act an der Kathode 8 gemäß einer Sollvorgabe geregelt. Die tatsächlich aktuell herrschenden Drücke p_A,act, p_C,act können gemessen werden oder durch ein entsprechendes Modell geschätzt werden.
In einem weiteren Schritt 21 des in 5 gezeigten Verfahrens wird außerdem ebenso laufend die Druckdifferenz Δp_act zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 ermittelt bzw. überwacht.
In dem darauffolgenden Schritt 22 des in 5 gezeigten Verfahrens wird die Druckdifferenz Δp_act laufend mit dem vorgegebenen Grenzwert der maximal zulässigen Druckdifferenz Δp_max verglichen. Anders als bei dem Verfahren 20 aus 2 wird jedoch im Verfahren 20 der 5 kein fester, sondern ein variabler Grenzwert Δp_max vorgegeben.
Der Grenzwert Δp_max wird vorliegend im Rahmen eines Bestimmungsverfahrens 30 bestimmt und für den Schritt 22 vorgegeben. Das Bestimmungsverfahren 30 beruht auf der Bestimmung der Temperatur der Membran des Brennstoffzellenstapels 6 in einem Schritt 31 und/oder auf der Bestimmung der Feuchtigkeit der Membran des Brennstoffzellenstapels 6 in einem Schritt 32. Die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit können dabei durch eine Messung an der Membran oder durch Ableiten aus einem simulierten Modell bestimmt werden.
In einem darauffolgenden Schritt 33 des Bestimmungsverfahrens 30 wird die Information 34, die die zulässige Druckdifferenz Δp_max enthält, auf Basis der Temperatur und/oder Feuchtigkeit der Membran bestimmt und für die Nutzung im Schritt 22 übertragen. Der Schritt 33 kann eine Umsetzungstabelle oder ein Modell nutzen, welches für die bestimmte Temperatur und/oder Feuchtigkeit der Membran eine zulässige Druckdifferenz Δp_max ermittelt.
Erreicht nun die Druckdifferenz Δp_act den gemäß dem Bestimmungsverfahren 30 vorgegebenen Grenzwert Δp_max, regelt das Brennstoffzellensystem 1 in dem Schritt 23 die Leistung herunter oder leitet eine Abschaltung ein, um den Brennstoffzellenstapel 1 vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, wie es auch im Verfahren 20 der 2 der Fall ist. Anderenfalls wird der Betrieb in Schritt 24 mit Wiederholung der vorangehenden Schritte 21 und 22 fortgesetzt. Der Schritt 24 wird im Verfahren 20 gem. 5 weitaus häufiger vorkommen als bei dem Verfahren 20 aus 2, weil der Grenzwert Δp_max an die Betriebsparameter der Membran angepasst und damit variabel bestimmt und vorgegeben werden kann.
6 zeigt ein gegenüber dem Verfahren 20 aus 2 erfindungsgemäß modifiziertes Verfahren 20, welches bis auf den Schritt 23 zum Verfahren 20 aus 2 identisch ist. Der Schritt 23 aus dem Verfahren 20 der 2 wurde durch den Schritt 25 ersetzt. Der Schritt 25 aus 6 kann außerdem auch statt des mit Bezug auf 5 beschriebenen Schrittes 23 im Verfahren 20 der 5 Anwendung finden.
Anstelle eines Herunterfahrens der Leistung oder des Einleitens einer Abschaltung des Brennstoffzellensystems 1, wie beim Schritt 23 aus 2, wird im Schritt 25 der 6 versucht der Schritt 23 zu vermeiden oder hinauszuzögern. Insoweit kann der Schritt 23 dem Schritt 25 folgen, falls der Schritt 25 als Betriebsmaßnahme nicht ausreicht. Der Schritt 23 kann verschiedene Betriebsmaßnahmen vorsehen, die an die jeweilige Betriebssituation angepasst gewählt werden können.
Zu diesen Betriebsmaßnahmen gehört bspw. das Ändern eines Drucks p an der Anode 7 und/oder an der Kathode 8. Dazu kann die Druckdifferenz Δp_act unmittelbar geändert werden, sodass sie den vorgegebenen Grenzwert Δp_max nicht überschreitet. Ferner gehört dazu das Ändern der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 6 als eine weitere Betriebsmaßnahme. Durch ein Ändern der Temperatur kann der variable Grenzwert Δp_max höher ausfallen bzw. bestimmt werden, sodass die aktuelle Druckdifferenz Δp_act größer ausfallen darf. Schließlich kann als Betriebsmaßnahme eine Änderung des vorgegebenen Grenzwerts Δp_max in einem vorgegebenen Rahmen ermöglicht werden.
7 zeigt ein Verfahren 20, welches das Verfahren 20 aus 6 mit einer Überprüfung eines Vorzeichenwechsels in Schritt 41 im Rahmen eines Vorzeichenprüfverfahrens 40 kombiniert. Ein Vorzeichenwechsel, wie er mit Bezug auf 4 zuvor erläutert worden ist, wird hier als zusätzliches Kriterium herangezogen, um eine Druckwechselbelastung des Brennstoffzellenstapels 6 zu verhindern und so die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 1 zu erhöhen. Alternativ kann auch nur das Kriterium des Vorzeichenwechsels Anwendung finden.
Dazu wird in Schritt 41 das Vorzeichen der ermittelten Druckdifferenz Δp_act durch Anwenden einer sign- bzw. Vorzeichen-Funktion ermittelt. Wenn das Vorzeichen sich nicht geändert hat, im beispielhaften Fall der 7 weiter positiv ist, dann wird der Betrieb in Schritt 24 mit Wiederholung der vorangehenden Schritte 21, 22 und 41 fortgesetzt. Anderenfalls wird in Schritt 42 übergegangen, der die Maßnahmen des zuvor erläuterten Schrittes 23 und/oder Schrittes 25 umfassen kann, um einen Vorzeichenwechsel zu vermeiden.
8 zeigt nun eine Kombination aus dem Verfahren 20 der 7 und dem Verfahren 20 der 5. Hierbei werden die variable Bestimmung des Grenzwerts Δp_max durch das Verfahren 30, die Betriebsmaßnahmen gemäß Schritt 25 und die Überprüfung des Vorzeichenwechsels im Schritt 41 bzw. die das Vorzeichenprüfverfahren 40 gemeinsam angewendet, um das Brennstoffzellensystem 1 zu steuern.
9 zeigt das Druck (p)-Weg (x)-Diagramm für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 gem. 4 mit dem Unterschied, dass das Steuerverfahren 20 aus 8 für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 angewendet worden ist. Um den bei dem Betrieb gemäß 4 auftretenden Vorzeichenwechsel der Druckdifferenz Δp_High-Load bei hoher Last zu vermeiden, wurde in der 9 der Druckversatz Δp_A,C verändert, sodass es nunmehr zu keinem Vorzeichenwechsel kommt.
Das Einstellen des Druckversatzes Δp_A,C von der Anode 7 zu der Kathode 8 funktioniert stets für das Kontrollieren eines Vorzeichenwechsels, steht aber auch im Konflikt mit der Anforderung, den maximal zulässigen Differenzdruck Δp_max einzuhalten. Die Auswirkung des variablen Druckversatzes Δp_A,C ist in 9 verdeutlicht. In diesem Beispiel wird der Druckversatz Δp_A,C im Hochlastbetrieb erhöht und ein Wechsel des Vorzeichens wird vermieden. Das gesamte Druckverhalten ist im Vergleich zu 4 verbessert, obwohl der Brennstoffzellenstapel 6 die gleichen Eigenschaften aufweist. Die maximale Druckdifferenz Δp bleibt im zulässigen Bereich (bspw. max. 0,5 bar) und gleichzeitig wird der Vorzeichenwechsel vermieden.
Neben dem Einstellen eines variablen Druckversatzes Δp_A,C ist es in Schritt 42 zusätzlich oder alternativ möglich, das Gesamtdruckniveau des Brennstoffzellenstapels 6 zu erhöhen, was die Druckverlustgradienten reduziert und die Druckdifferenz Δp und das Risiko des Vorzeichenwechsels reduziert. Möglich ist es auch, den Lastgradienten zu begrenzen, um die Druckniveaus von Anode 7 und Kathode 8 in Übereinstimmung zu halten.
Da die Kontrollziele für den Vorzeichenwechsel und die maximale Druckdifferenz in Konflikt stehen können, kann eine Priorisierung im Verfahren 20 der 8 vorgenommen werden. Insbesondere kann es die höchste Priorität sein, innerhalb der zulässigen Druckdifferenz Δp_max zu bleiben. Die nachrangige Priorität kann es sein, Änderungen des Vorzeichens zu vermeiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10107128 B4 [0004]

Claims

Verfahren (20) zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1), wobei das Verfahren (20) die Schritte aufweist: - Ermitteln einer aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) zwischen einer Anode (7) und einer Kathode (8) eines Brennstoffzellenstapels (6) des Brennstoffzellensystems (1), - Vergleichen der aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) mit einem vorgegebenen Grenzwert (Δp_max), - Einleiten zumindest einer Betriebsmaßnahme, falls die aktuelle Druckdifferenz (Δp_act) den vorgegebenen Grenzwert (Δp_max) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Grenzwert (Δp_max) unter Einbeziehung von zumindest einer aktuellen Betriebsbedingung des Brennstoffzellensystems (1) bestimmt wird.
Verfahren (20) nach Anspruch 1, wobei eine aktuelle Betriebsbedingung eine Temperatur zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels (6) ist.
Verfahren (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine aktuelle Betriebsbedingung ein Feuchtigkeitsgehalt zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels (6) ist.
Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Grenzwert (Δp_max) mittels einer Umsetzungstabelle oder eines Modells bestimmt wird.
Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Betriebsmaßnahme eine Änderung eines Drucks (p) an der Anode (7) und/oder an der Kathode (8) und/oder einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (6) ist.
Verfahren (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Betriebsmaßnahme eine Änderung des vorgegebenen Grenzwerts (Δp_max) ist.
Verfahren (20) zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1), wobei das Verfahren (20) die Schritte aufweist: - Ermitteln einer aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) zwischen einer Anode (7) und einer Kathode (8) eines Brennstoffzellenstapels (6), - Abgleichen der aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) mit einem vorgegebenen Kriterium, - Einleiten einer Betriebsmaßnahme, falls das vorgegebene Kriterium von der aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) erfüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium ein Vorzeichenwechsel der aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) ist.
Verfahren (20) nach Anspruch 7, wobei das Verfahren (20) ferner das Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Verfahren (20) zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (1), wobei das Verfahren (20) die Schritte aufweist: - Ermitteln einer aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) zwischen einer Anode (7) und einer Kathode (8), - Vergleichen der aktuellen Druckdifferenz (Δp_act) mit einem vorgegebenen Grenzwert (Δp_max), - Einleiten zumindest einer Betriebsmaßnahme, falls die aktuelle Druckdifferenz (Δp_act) den vorgegebenen Grenzwert (Δp_max) überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsmaßnahme eine Änderung eines Drucks (p) an der Anode (7) und/oder an der Kathode (8), eine Änderung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels (6) und/oder eine Änderung des vorgegebenen Grenzwerts (Δp_max) ist.
Brennstoffzellensystem (1), wobei das Brennstoffzellensystem (1) zum Durchführen zumindest eines der Verfahren (20) gemäß der Ansprüche 1 bis 6, 7 bis 8 oder 9 eingerichtet ist.