DE102021209344A1 - Method for starting a fuel cell stack of a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellenstacks (101) eines Brennstoffzellensystems (1), wobei das Brennstoffzellensystems (1) einen Brennstoffzellenstack (101), einen Luftpfad (10), eine Abgasleitung (12) und einen Brennstoffleitung (20) mit Rezirkulationskreis (50) aufweist, wobei vor dem Start ein erstes Ventil (61) in der Luftleitung (10) und ein zweites Ventil (62) in der Abgasleitung (12) geschlossen sind und das Bypassventil (65) geöffnet ist. Es wird ein Luftverdichter (11) im Luftpfad (10) betrieben und das erste Ventil (61) und das zweite Ventil (62) werden nur dann geöffnet, wenn ein Purgeventil (41) geschlossen ist.Method for starting a fuel cell stack (101) of a fuel cell system (1), the fuel cell system (1) having a fuel cell stack (101), an air path (10), an exhaust gas line (12) and a fuel line (20) with a recirculation circuit (50), before starting, a first valve (61) in the air line (10) and a second valve (62) in the exhaust line (12) are closed and the bypass valve (65) is open. An air compressor (11) is operated in the air path (10) and the first valve (61) and the second valve (62) are only opened when a purge valve (41) is closed.
Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellenstacks eines Brennstoffzellensystems.The present invention is based on a method for starting a fuel cell stack of a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Zellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt.Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cell systems need air and hydrogen for the chemical reaction within the cells. In order to provide the required amount of energy, the fuel cells arranged within a fuel cell system are interconnected to form so-called fuel cell stacks. The waste heat from the cells is dissipated by means of a cooling circuit and released to the environment. The hydrogen required to operate fuel cell systems is usually made available to the systems from high-pressure tanks.
Bei einem Start eines Brennstoffzellensystems wird der Luftverdichter typischerweise gestartet, um für ausreichende Verdünnung des während der Anodenspülung ausgespülten Wasserstoffes zu sorgen. Nach ausreichender Anodenspülung werden die Kathodenabsperrventile (erstes Ventil im Luftpfad und zweites Ventil im Abluftpfad) geöffnet, Luft gelangt in die Kathode, und die Brennstoffzellen liefern elektrische Leistung.At a fuel cell system start-up, the air compressor is typically started to provide sufficient dilution of the hydrogen purged during the anode purge. After sufficient anode purging, the cathode shut-off valves (first valve in the air path and second valve in the exhaust path) are opened, air enters the cathode, and the fuel cells deliver electrical power.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.The subject matter of the invention is a method with the features of the independent method claim. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu eine Betriebsstrategie Starten eines Brennstoffzellenstacks eines Brennstoffzellensystems bereit zu stellen, welche sicherstellt, dass es nicht zu einer zu hohen Wasserstoff-konzentration am Auslass der Abgasleitung kommt.The method according to the invention is used to provide an operating strategy for starting a fuel cell stack of a fuel cell system, which ensures that the hydrogen concentration at the outlet of the exhaust gas line is not too high.
Eine zu hohe Wasserstoffkonzentration ist aufgrund der Gefahr von ungewollten Explosionen zu vermeiden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann nur aus einer einzigen Quelle Wasserstoff in den Abgaspfad gelangen.Too high a hydrogen concentration should be avoided due to the risk of unwanted explosions. With the method according to the invention, hydrogen can only get into the exhaust gas path from a single source.
Es kann sich nach dem Schließen des ersten und dem zweiten Ventil im Bereich der Kathode eine erste Quelle von Wasserstoff zwischen dem ersten und dem zweiten Ventil ansammeln. Mögliche Ursachen für Wasserstoff im Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ventil können folgende Gründe sein: Loch oder Riss in der PEM-Membran des Brennstoffzellenstacks, Diffusion von Wasserstoff von der Anode zur Kathode oder eine Protonenpumpe. Unter der Protonenpumpe versteht man den Vorgang, wenn H+ Protonen, die durch die Membran des Brennstoffzellenstacks von der Anode zur Kathode wandern, auf der Kathodenseite keine Sauerstoffmoleküle finden und durch die Verbindung mit Elektronen zu Wasserstoffmolekülen umgewandelt werden.A first source of hydrogen may accumulate between the first and second valves in the region of the cathode after the first and second valves are closed. Possible reasons for hydrogen in the area between the first and the second valve can be the following: Hole or crack in the PEM membrane of the fuel cell stack, diffusion of hydrogen from the anode to the cathode or a proton pump. The proton pump is the process when H+ protons, which migrate through the membrane of the fuel cell stack from the anode to the cathode, do not find any oxygen molecules on the cathode side and are converted into hydrogen molecules by combining with electrons.
Wasserstoff aus der Rezirkulationsleitung, welche über die Purgeleitung in die Abgasleitung gelangt wird im Folgenden als zweite Quelle von Wasserstoff betrachtet.Hydrogen from the recirculation line, which enters the exhaust line via the purge line, is considered below as the second source of hydrogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass eine zu hohe Wasserstoffkonzentration in der Abluftleitung vermieden wird. Eine zusätzliche Erhöhung des Luftmassenstromes über den Verdichter zur Verdünnung von den zwei Quellen ist nicht notwendig, wodurch ein energieoptimalerer Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht wird.The method according to the invention offers the advantage that an excessively high hydrogen concentration in the exhaust air line is avoided. An additional increase in the air mass flow via the compressor for dilution from the two sources is not necessary, which enables energy-optimal operation of the fuel cell system.
Unter einem Start des Brennstoffzellenstacks des Brennstoffzellensystems wird im Rahmen der Erfindung auch ein Zustandsübergänge im Rahmen des Standby-Betriebes, von Start-Stopp-Vorgängen, bei einem Gefrierstart, bei einem Kaltstart oder bei weiteren speziellen Funktionen wie z.B. Regenerationsfunktionen verstanden. Wesentliche Voraussetzung ist eine Absperrung der Kathode über ein erstes Ventil im Luftpfad und ein zweites Ventil im der Abgasleitung bzw. Zustandsübergänge von einem abgesperrten Zustand in einen offenen Zustand. Dies kann auch nur auf den Start bzw. Wiederstart bzw. das erneute Stromziehen aus einem Brennstoffzellenstack bezogen sein, wenn die Subsysteme (Luftsystem im Bypassbetrieb, Anodenrezirkulaton, Kühlsystem) bereits im Betrieb sind.A start of the fuel cell stack of the fuel cell system is also understood within the scope of the invention as a state transition in the context of standby operation, start-stop processes, a freeze start, a cold start or other special functions such as regeneration functions. An essential prerequisite is a blocking of the cathode via a first valve in the air path and a second valve in the exhaust pipe or state transitions from a blocked state to an open state. This can also only refer to the start or restart or the renewed drawing of current from a fuel cell stack if the subsystems (air system in bypass mode, anode recirculation, cooling system) are already in operation.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystems einen Brennstoffzellenstack, einen Luftpfad, eine Abgasleitung und einen Brennstoffleitung mit Rezirkulationskreis aufweist, wobei vor dem Start ein erstes Ventil in der Luftleitung und ein zweites Ventil in der Abgasleitung geschlossen sind und das Bypassventil geöffnet ist, wird ein Luftverdichters im Luftpfad betrieben und das ersten Ventil und das zweiten Ventil nur dann geöffnet, wenn ein Purgeventil geschlossen ist.In the method according to the invention for starting a fuel cell system, the fuel cell system having a fuel cell stack, an air path, an exhaust gas line and a fuel line with a recirculation circuit, with a first valve in the air line and a second valve in the exhaust gas line being closed and the bypass valve being opened before the start is, an air compressor is operated in the air path and the first valve and the second valve are only opened when a purge valve is closed.
Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass aus beiden oben beschriebenen Quellen Wasserstoff in die Abgasleitung gelangt, um die bereits genannten Vorteile zu erzielen.This measure prevents hydrogen from getting into the exhaust gas line from the two sources described above, in order to achieve the advantages already mentioned.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.Advantageous refinements and developments of the method according to the invention are specified in the dependent claims.
Es ist von Vorteil, wenn das Purgeventil nach dem Öffnen des ersten Ventils und des zweiten Ventils nur geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, da auf diese Weise eine zu hohe Wasserstoffkonzentration aufgrund verbliebener Anteile des Wasserstoffes aus der ersten Quelle in Kombination mit der zweiten Quelle von Wasserstoff vermieden werden.It is advantageous if the purge valve is only opened after opening the first valve and the second valve if the hydrogen concentration in the exhaust gas line is below a predetermined threshold value, since in this way an excessive hydrogen concentration due to remaining portions of the hydrogen from the first Source in combination with the second source of hydrogen can be avoided.
Die Einleitung von weiteren Purgevorgängen, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, ist vorteilhaft um zu hohe Wasserstoffkonzentrationen in der Abgasleitung zu vermeiden.The initiation of further purge processes when the hydrogen concentration in the exhaust gas line is below a predetermined threshold value is advantageous in order to avoid excessively high hydrogen concentrations in the exhaust gas line.
Die Durchführung eines ersten Purgevorganges vor dem Öffnen des ersten Ventils und dem Öffnen des zweiten Ventils ist vorteilhaft, wenn eine Spülung der Anode aufgrund von einem zu hohen Anteil unerwünschter Restgase, wie z.B. Stickstoff benötigt wird. In diesem Fall sollte die Wasserstoffkonzentration vor dem Öffnen des ersten und des zweiten Ventils unter einen vorgegebenen Schellenwert abgesunken sein.Carrying out a first purge process before opening the first valve and opening the second valve is advantageous if the anode needs to be flushed due to an excessive proportion of unwanted residual gases, such as nitrogen. In this case, the hydrogen concentration should have fallen below a predetermined threshold value before the first and second valves open.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Bestimmung einer ersten Abklingzeit, welche der Zeitspanne entspricht, die benötigt wird bis die Wasserstoffkonzentration nach dem Öffnen des ersten Ventils und zweiten Ventils den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, und durch die Bestimmung einer zweiten Abklingzeit, welche der Zeitspanne entspricht, die benötigt wird bis die Wasserstoffkonzentration nach dem Öffnen des Purgeventils den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, da die erste Abklingzeit und die zweite Abklingzeit für eine Vorsteuerung und/oder Trajektorienplanung genutzt werden können. Dies ist aufgrund der höheren Genauigkeit unter der Berücksichtigung des jeweiligen Massenstroms bzw. der Drehzahlen des Verdichters besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise werden die Abklingzeiten über Lebenszeit bzw. Betriebszeit mittels des H2-Sensors gelernt und adaptiv angepasst.A further advantage results from the determination of a first decay time, which corresponds to the period of time that is required until the hydrogen concentration falls below the predetermined threshold value after the opening of the first valve and second valve, and from the determination of a second decay time, which corresponds to the period of time which is required until the hydrogen concentration falls below the predetermined threshold value after opening the purge valve, since the first decay time and the second decay time can be used for pilot control and/or trajectory planning. This is particularly advantageous due to the higher accuracy, taking into account the respective mass flow or the speeds of the compressor.
The decay times are preferably learned and adaptively adjusted over the lifetime or operating time using the H2 sensor.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.The method according to the invention can be used in particular in fuel cell-powered motor vehicles. However, use in other fuel cell-powered means of transportation, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or in stationary fuel cell-powered objects is also conceivable.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und -
2 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention and -
2 a flow chart of the individual steps of a method according to the invention.
In der
Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet sein, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Wärmetauscher 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 kühlt.The
Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter 7 und/oder ein Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.Additional components such as a
Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Abgasleitung 12 auf, in welcher Wasser bzw. Wasserdampf, sowie weitere Bestandteile der Luft aus dem Luftpfad 10, nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstack 101 über einen Auslass 18 in die Umgebung transportiert werden. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können oder über eine Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 transportiert werden.Furthermore, the fuel cell system 1 has an
Der Luftpfad 10 ist über eine Bypassleitung 66 mit der Abgasleitung 12 verbunden. Innerhalb der Bypassleitung 66 ist ein Bypassventil 65 angeordnet, um die Luft aus dem Luftpfad 10 am Brennstoffzellenstack 101 vorbei zur Abgasleitung 12 zu leiten.The
Zwischen der Bypassleitung 66 und der Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 ist im Luftpfad 10 ein erstes Ventil 61 und in der Abgasleitung 12 ein zweites Ventil 62 angeordnet. Durch das Schließen des ersten Ventils 61 und des zweiten Ventils 62 kann für die Kathode 105 jeglicher Sauerstoffzufuhr aus der Umgebung unterbunden werden bzw. eine Sauerstoffverarmung bzw. Inertisierung (zur Degradationsminderung/Stack-Komponentenschonung) durchgeführt werden oder auch die Kathode 105 auf einem festen Druckniveau gehalten werden.Between the
In der Abgasleitung 12 ist ein Wasserstoffsensor 60 angeordnet, welcher die Konzentration von Wasserstoff in der Abgasleitung 12 messen kann.A
Das Brennstoffzellensystem 1 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der
Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anodenseite 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.A high-
Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.In order to always supply the
Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder ein Gebläse 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Gebläse 52 sind möglich.To drive the flow in the
Das Brennstoffzellensystem 1 entspricht dem in
In einem Verfahrensschritt 100 wird beim Starten des Brennstoffzellensystems 1 der Luftverdichters 11 im Luftpfad 10 betrieben und das ersten Ventil 61 und das zweiten Ventil 62 nur dann geöffnet werden, wenn ein Purgeventil 41 geschlossen ist.In a
In einem Verfahrensschritt 200 wird überprüft, ob die Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung 12 unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Das Purgeventil 41 erhält eine Freigabe zum Öffnen, wenn die Wasserstoffkonzentration unter dem vorgegebenen Schwellwert liegt, ansonsten ist das Purgeventil 41 gesperrt.In a
In einem Verfahrensschritt 300 wird ein erster Purgevorgang eingeleitet und dadurch das Purgeventil 41 geöffnet, wenn gemäß Schritt 200 eine Freigabe zum Öffnen des Purgeventils 41 vorliegt.In a
Weitere Purgevorgänge dürfen nach dem ersten Purgevorgang nur eingeleitet werden, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung 12 unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.Further purge processes may only be initiated after the first purge process if the hydrogen concentration in the
In einem optionalen Verfahrensschritt 50 kann vor dem Öffnen des ersten Ventils 61 und dem Öffnen des zweiten Ventils 62 ein vollständiger erster Purgevorgang durchgeführt wird. In dem vollständigen ersten Purgevorgang wird das Purgeventil 41 geöffnet und nach einer gewissen Zeit geschlossen, um eine Anodenspülung durchzuführen, welche den Rezirkulationskreis 50 von störenden Gasen zu entleeren.In an
Vor dem Öffnen des ersten Ventils 61 und dem Öffnen des zweiten Ventils 62 wird überprüft, ob die Wasserstoffkonzentration durch den Purgevorgang in der Abgasleitung 12 unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.Before the opening of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Wasserstoffkonzentration durch den Wasserstoffsensor 60, welcher stromabwärts der Purgeleitung in der Abgasleitung 12 angeordnet ist, gemessen.According to one exemplary embodiment, the hydrogen concentration is measured by the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch eine Vorsteuerung und/oder Trajektorienplanung umgesetzt werden, welche auch eine Ansteuerung der Ventile aufgrund von hinterlegten Abklingzeiten ermöglicht, so dass nicht in jedem Fall die Wasserstoffkonzentration durch den Wasserstoffsensor 60 gemessen werden muss, sondern auch eine Anforderung zum Öffnen oder Schließen der entsprechenden Ventile aufgrund von Abklingzeiten, welche in einem Steuergerät hinterlegt sind, möglich sind. Die Abklingzeiten können vorzugsweise auch über die Betriebszeit bzw. über die Lebenszeit gerlernt und adaptiert werden.According to a further exemplary embodiment, precontrol and/or trajectory planning can also be implemented, which also enables the valves to be activated on the basis of stored decay times, so that the hydrogen concentration does not have to be measured by
Es wird dazu eine erste Abklingzeit bestimmt wird, welche der Zeitspanne entspricht, die benötigt wird bis die Wasserstoffkonzentration nach dem Öffnen des ersten Ventils 61 und zweiten Ventils 62 den vorgegebenen Schwellwert erreicht.For this purpose, a first decay time is determined, which corresponds to the period of time that is required until the hydrogen concentration after the off NEN of the
Des Weiteren wird eine zweite Abklingzeit bestimmt wird, welche der Zeitspanne entspricht, die benötigt wird bis die Wasserstoffkonzentration nach dem Öffnen des Purgeventils 41 den vorgegebenen Schwellwert erreicht.Furthermore, a second decay time is determined, which corresponds to the period of time that is required until the hydrogen concentration reaches the predetermined threshold value after the
Hierbei ist es möglich, dass die erste und/oder zweite Abklingzeit für unterschiedliche Massenströme bzw. Drehzahlen des Verdichters 11 bestimmt werden.It is possible here for the first and/or second decay time to be determined for different mass flows or speeds of the
Die durch Messungen bestimmt erste Abklingzeit und zweite Abklingzeit werden dann nachfolgend für eine Vorsteuerung und/oder Trajektorienplanung genutzt.The first decay time and second decay time determined by measurements are then subsequently used for pre-control and/or trajectory planning.
Bei der Trajektorienplanung werden die Trajektorien für die Sollwerte bereits so berechnet, dass diese möglichst realistisch bzw. nahe an den Umsetzungsmöglichkeiten des Systems sind. Beispielsweise wird hier die Dynamik der Systemumschaltungen durch die Abklingzeiten begrenzt. Dies wird in den Sollwerten berücksichtigt was zu einer größeren Regelstabilität des Systems führt.During trajectory planning, the trajectories for the target values are already calculated in such a way that they are as realistic as possible or as close as possible to the implementation possibilities of the system. For example, the dynamics of system switching are limited here by the decay times. This is taken into account in the setpoints, which leads to greater control stability of the system.
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