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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Bestimmungsverfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Bren nstoffzel lensystems.
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Stand der Technik
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Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoffs zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser um.
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Eine PEM Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran.
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Mehrere solcher einzelner Brennstoffzellen werden in Brennstoffzellenstapel gestapelt, um eine verfügbare elektrische Spannung zu maximieren. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgen bzw. abgereicherte feuchte Luft sowie abgereichertes Anodenabgas abtransportieren.
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Systemisch hat sich zur Versorgung der PEM Anode mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem noch wasserstoffreiches Anodenabgas mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff zur Rezirkulation wieder einem Anodeneintritt zugeführt wird.
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Als Gasfördereinheiten werden häufig sogenannte „Jetpumps“ oder Hybridlösungen aus Jetpump und Gebläse verwendet.
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Zur Versorgung der PEM Kathode mit Luft wird üblicherweise Umgebungsluft mit einem Überschuss an zur Reaktion benötigtem Sauerstoff bspw. über einen Verdichter, insbesondere einen Kompressor zugeführt.
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Die Wärmeabfuhr von in einem Brennstoffzellensystem erzeugter Prozessabwärme erfolgt üblicherweise mittels Flüssigkühlung. Dazu wird Kühlmedium üblicherweise mit einer elektrisch angetriebenen Förderpumpe gefördert.
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Zur Optimierung einer Reaktionstemperatur werden in einem Brennstoffzellensystem an verschiedenen Stellen elektrische Heizer verwendet.
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Entsprechend umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Vielzahl an zu einem Brennstoffzellenstapel vorgesehenen Nebenaggregaten. Alle diese Nebenaggregate können direkt aus dem Brennstoffzellenstapel mit elektrischer Energie versorgt werden oder über einen Spannungswandler auf einem anderen Spannungsniveau versorgt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Bestimmungsverfahren und ein Brennstoffzellensystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. Bezug genommen werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen Zustand eines Brennstoffzellensystems kontinuierlich über die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu bestimmen und einem Nutzer darzustellen.
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Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, einen Zustand eines Brennstoffzellensystems während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems zum Versorgen eines externen Verbrauchers mit Elektrizität, zu bestimmen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Bestimmungsverfahren zum Bestimmen eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels vorgestellt. Das Bestimmungsverfahren umfasst einen Betriebsschritt, bei dem der Brennstoffzellenstapel mit einer vorgegebenen Last betrieben wird und einen Ermittlungsschritt, bei dem eine Kenngröße des Brennstoffzellenstapels während des Betriebsschritts ermittelt wird, wobei die Kenngröße anhand eines Stroms, einer Spannung und/oder einer Leistung des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird.
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Weiterhin umfasst das Bestimmungsverfahren einen Bestimmungsschritt, bei dem die in dem Ermittlungsschritt ermittelte Kenngröße mit einer vorgegebenen Referenzgröße abgeglichen wird, einen Zuordnungsschritt, bei dem anhand einer Abweichung der in dem Ermittlungsschritt ermittelten Kenngröße von der Referenzgröße und einer vorgegebenen Zuordnungslogik dem Brennstoffzellenstapel ein Zustandsindikator zugeordnet wird und einen Ausgabeschritt, bei dem der zugeordnete Zustandsindikator auf einer Ausgabeeinheit, insbesondere einer Anzeige, ausgegeben wird.
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Das vorgestellte Bestimmungsverfahren basiert auf der Erkenntnis, dass sich eine Bruttoleistung eines Brennstoffzellensystems aus einer einem externen Verbraucher zur Verfügung gestellten Nettoleistung und jeweiligen elektrischen Umwandlungsverlusten sowie aus der Leistung von Nebenaggregaten des Brennstoffzellensystems zusammensetzt, sodass der Zusammenhang gemäß Formel (1) gilt:
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Ein Brennstoffzellensystem wird im Betrieb in der Regel so eingeregelt, dass eine von einem externen Verbraucher angeforderte Sollleistung zur Verfügung gestellt wird.
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Die elektrischen Umwandlungsverluste innerhalb des Brennstoffzellenstapels unterliegen einer lebensdauer- und betriebszeitabhängigen Änderung. Diese Änderung wird üblicherweise als Änderung des Alterungszustandes (SOH = State of Health) beschrieben.
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Der Alterungszustand eines Brennstoffzellensystems muss bekannt sein, um die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems darauf anzupassen. Diese Anpassung der Betriebsparameter optimiert unabdingbar die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems.
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Durch reversible und irreversible Änderungen von elektrischen, strömungsmechanischen und transportkinetischen Parametern im Brennstoffzellenstapel über dessen Betriebszeit und/oder dessen Betriebsart ändert sich eine Effizienz des Brennstoffzellensystems.
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Ein Innenwiderstand eines Brennstoffzellenstapels erhöht sich üblicherweise über eine Betriebs- und Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems. Diese Änderung kann anhand einer Änderung des Innenwiderstands charakterisiert werden.
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Es ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem Betriebsschritt, bei dem ein Brennstoffzellenstapel eines zu beurteilenden Brennstoffzellensystems mit einer vorgegebenen Last beaufschlagt wird, eine Kenngröße, insbesondere eine von dem Brennstoffzellenstapel ausgegebene Spannung und/oder ein bereitgestellter elektrischer Strom, ermittelt wird.
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Anhand eines Abgleichs der ermittelten Kenngröße mit einer vorgegebenen Referenzgröße kann eine Veränderung bzw. ein Alterungszustand, d.h. ein Verschleiß des Brennstoffzellenstapels gegenüber einem der Referenzgröße entsprechenden Zustand bestimmt werden.
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Insbesondere kann die Referenzgröße einem vorgegebenen Referenzzustand, wie bspw. einem Auslieferungszustand, entsprechen. Dazu kann die Referenzgröße während des Referenzzustands mit der vorgegebenen Last beaufschlagt werden.
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Insbesondere kann der Abgleich der ermittelten Kenngröße mit der Referenzgröße fortlaufend, d.h. zu einer Vielzahl Zeitpunkte erfolgen, um eine Veränderung der Referenzgröße über die Zeit hinweg zu erfassen und einem Nutzer abzubilden. Dazu kann eine konstante Referenzgröße oder eine sich verändernde Referenzgröße verwendet werden.
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Um eine Veränderung der Kenngröße mathematisch abzubilden, kann die Kenngröße über einen größeren Zeitraum von bspw. einigen Minuten, Stunden oder Tagen hinweg ermittelt werden, indem bspw. ein Mittelwert, eine Steigung, eine Filterfunktion oder jedes weitere technisch geeignete Maß einer Vielzahl von Messwerten einer Kenngröße für einen Abgleich mit der Referenzgröße verwendet wird.
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Anhand einer Abweichung zwischen einer jeweiligen Kenngröße und einer Referenzgröße kann ein Zustandsindikator ermittelt werden, der einem Nutzer auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige ausgegeben wird. Die Zuordnung der Abweichung zu dem Zustandsindikator erfolgt anhand einer vorgegebenen Zuordnungslogik, wie bspw. einer Zuordnungstabelle. Insbesondere kann die Zuordnungslogik eine Zuordnung von Wertebereichen der Abweichung zu einer Skala, wie bspw. einer Schulnotenskala oder einer Farbskale, wie bspw. einem Ampelschema, umfassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die vorgegebene Last eine vorgegebene Laständerung zu einer an dem Brennstoffzellenstapel aktuell vorgegebenen Last ist.
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Um eine Bestimmung eines Zustands eines Brennstoffzellensystems auch im Betrieb, d.h. bei einer von einem externen Verbraucher, wie bspw. einem Motor angeforderten Solllast zu ermöglichen, kann die vorgegebene Last relativ zu der vorgegebenen Solllast angegeben werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die vorgegebene Last durch ein Erregersignal eingestellt wird, das einen externen Verbraucher und/oder ein Nebenaggregat eines den Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems steuert.
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Um die vorgegebene Last einzustellen und entsprechend eine Bestimmung eines Zustands eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, kann der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems mit jeder geeigneten Last beaufschlagt werden. Insbesondere eignen sich zum Bestimmen des Zustands während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems ein oder mehrere Nebenaggregate, wie bspw. ein Luftverdichter, der bzw. die zusätzlich zu einem durch den Betrieb zu versorgenden Verbraucher eingeschaltet bzw. gesteuert werden.
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Durch ein Erregersignal, das speziell bzw. exklusiv zum Bereitstellen der vorgegebenen Last verwendet wird, können jeweilige Verbraucher bzw. Nebenaggregate exakt und unabhängig von weiteren Kontrollsignalen eingestellt werden, um die vorgegebene Last bereitzustellen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Erregersignal ein Leistungsmuster mit unterschiedlichen Leistungen umfasst.
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Ein Erregersignal, das ein Leistungsmuster mit unterschiedlichen Leistungen umfasst, wie bspw. eine sinusförmige Leistungskurve, eignet sich besonders um einen Zustand eines Brennstoffzellensystems repräsentativ über verschiedene Leistungszustände hinweg darzustellen. Dazu kann das Leistungsmuster insbesondere Leistungsbereiche umfassen, die geringer sind als ein Ausgangszustand und Leistungsbereiche umfassen, die höher sind als ein Ausgangszustand einer von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellten bzw. bereitzustellenden Leistung.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem Bestimmungsschritt anhand der ermittelten Kenngröße auf eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels geschlossen wird und anhand einer Phase und/oder eines Betrags der Impedanz dem Brennstoffzellenstapel ein Zustandsindikator zugeordnet wird.
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Da sich die Impedanz eines Brennstoffzellenstapels über die Zeit hinweg ändert und diese mit einem Verschleiß des Brennstoffzellenstapels korreliert, eignet sich ein Maß der Impedanz, insbesondere in Betrag und/oder eine Phase der Impedanz als Kenngröße zum Ermitteln eines Werts des erfindungsgemäß vorgesehenen Zustandsindikators.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die vorgegebene Last unter einer Normallast liegt, die für einen Normalbetrieb eines externen Verbrauchers und/oder eines Nebenaggregats eines den Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems vorgegebenen ist.
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Durch eine vorgegebene Last, die unter einer Normallast liegt, kann das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren mit minimalem Einfluss auf ein jeweiliges Brennstoffzellensystem durchgeführt werden. Bspw. kann ein Luftverdichter mit einer vorgegebenen Last betrieben werden, die eine Veränderung einer Drehgeschwindigkeit des Luftverdichters um eine Frequenz von 10 Hz bedingt, sodass eine durch die vorgegebene Last bedingte Änderung eines durch den Luftverdichter erzeugten Luftstroms keine oder lediglich minimal Auswirkung auf das Brennstoffzellensystem hat.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die vorgegebene Last mittels eines elektrischen Luftverdichters eingestellt wird, wobei, während die vorgegebene Last an dem elektrischen Luftverdichter eingestellt wird, ein Luftmassenmassenstrom durch den Brennstoffzellenstapel mittels eines Mehrgrößenreglers, der ein Bypassventil und ein Druckregelventil regelt, konstant gehalten wird.
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Um Betriebsbedingungen eines zu bestimmenden Brennstoffzellensystem während einer Durchführung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens konstant zu halten und eine Varianz von durch das Bestimmungsverfahren ermittelten Kenngrößen zu minimieren, kann insbesondere bei einer Verwendung eines Luftverdichters zum Einstellen der vorgegebenen Last, ein durch das Brennstoffzellensystem strömender Luststrom konstant eingeregelt werden. Dazu können bspw. ein Bypassventil und ein Druckregelventil mittels eines Steuergeräts das einen Mehrgrößenregler umfasst, dynamisch geregelt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem Bestimmungsschritt die Kenngröße ermittelt wird, indem nach einem Lastsprung, bei dem der Brennstoffzellenstapel mit einer vorgegebenen Last betrieben wird, eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels gemessen wird.
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Um eine Varianz von durch das Bestimmungsverfahren ermittelten Kenngrößen zu minimieren, hat es sich als sinnvoll erwiesen, eine jeweilige Kenngröße, insbesondere eine Ausgangsspannung eines jeweiligen Brennstoffzellenstapels dann zu ermitteln, wenn ein Lastsprung, also eine schnelle Änderung von Betriebsparametern aufgrund der veränderten vorgegebenen Last vorüber ist, und sich in Reaktion auf den Lastsprung ein stationärer Zustand bzw. ein quasistationärer Zustand eingestellt hat.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die ermittelte Kenngröße mittels einer Filterfunktion gefiltert wird und eine Änderung der Kenngröße über die Zeit ermittelt wird.
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Mittels einer Filterfunktion, wie bspw. einer Mittelwertbildung, einer Steigungsanalyse oder einer Hüllkurvenberechnung kann einer Veränderung der Kenngröße über die Zeit hinweg mathematisch gut erfasst werden, sodass eine Veränderung eines Zustands eines jeweiligen Brennstoffzellensystems über die Zeit hinweg gut erfasst werden kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die ermittelte Kenngröße als Referenzgröße für weitere Bestimmungsschritte in einem Speicher hinterlegt wird.
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Mittels einer dynamisch aktualisierten Referenzgröße kann eine Veränderung eines Zustands eines Brennstoffzellensystems in kurzen Intervallen erfasst werden. Entsprechend kann bspw. eine Veränderung eines Brennstoffzellensystem bei einer besonders beanspruchenden Tätigkeit, wie bspw. einer Arbeit unter besonders belastenden Umgebungsbedingungen, bestimmt werden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Kontrollgerät, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens durchzuführen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens,
- 2 einen Zusammenhang von Betriebsparametern gemäß dem vorgestellten Bestimmungsverfahren,
- 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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In 1 ist ein Bestimmungsverfahren 100 dargestellt. Das Bestimmungsverfahren 100 umfasst einen Betriebsschritt 101, bei dem der Brennstoffzellenstapel mit einer vorgegebenen Last betrieben wird und einen Ermittlungsschritt 103, bei dem eine Kenngröße des Brennstoffzellenstapels während des Betriebsschritts 101 ermittelt wird, wobei die Kenngröße anhand eines Stroms, einer Spannung und/oder einer Leistung des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird.
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Weiterhin umfasst das Bestimmungsverfahren 100 einen Bestimmungsschritt 105, bei dem die in dem Ermittlungsschritt 103 ermittelte Kenngröße mit einer vorgegebenen Referenzgröße abgeglichen wird, einen Zuordnungsschritt 107, bei dem anhand einer Abweichung der in dem Ermittlungsschritt 103 ermittelten Kenngröße von der Referenzgröße und einer vorgegebenen Zuordnungslogik dem Brennstoffzellenstapel ein Zustandsindikator zugeordnet wird und einen Ausgabeschritt 109, bei dem der zugeordnete Zustandsindikator auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. eine Anzeige, ausgegeben wird.
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In 2 ist ein Diagramm 200 dargestellt, das sich auf seiner Abszisse über die Zeit und auf seiner Ordinate über eine Stromstärke aufspannt.
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Eine Kurve 201 zeigt einen Verlauf eines Erregersignals, wie bspw. einer von einem Verbrauch von Nebenaggregaten eines jeweiligen Brennstoffzel lensystems.
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Eine Linie 203 zeigt einen Verlauf eines für einen externen Verbraucher bereitgestellten elektrischen Stroms, der nach einem DC/DC Wandler des Brennstoffzellensystems anliegt.
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Eine Kurve 205 zeigt einen Verlauf eines Ausgangsstroms eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems.
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Durch einen Vergleich der Linie 203 mit der Kurve 201 wird ersichtlich, dass das Erregersignal keinen Einfluss auf den Verlauf des für den externen Verbraucher bereitgestellten elektrischen Stroms hat. Dazu kann bspw. ein Steuergerät des Brennstoffzellensystem dazu konfiguriert sein, sogenannte „Balance of Plant“ Komponenten des Brennstoffzellensystem derart anzusteuern, dass nach dem DC/DC Wandler ein gleichmäßiger elektrischer Strom fließt.
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Entsprechend wird durch das Erregersignal 201 der Brennstoffzellenstapel derart angeregt, dass dieser einen dem Erregersignal 201 entsprechenden elektrischen Strom bereitstellt. Vorliegend haben das Erregersignal 201 und der Ausgangsstrom 205 des Brennstoffzellenstapels die gleiche Phase, wobei diese selbstverständlich in ihrer Phase auch versetzt zueinander sein können.
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Da der seitens des Brennstoffzellenstapels erzeugte Ausgangsstrom 205 gemäß Formel (1) sowohl den Bedarf der Nebenaggregate als auch Umwandlungsverluste umfasst, und die Umwandlungsverluste mit einem Alter bzw. einem Verschleiß des Brennstoffzellenstapels korrelieren, gibt die Höhe bzw. der Verlauf des Ausgangsstroms 205 Auskunft über einen Zustand des Brennstoffzellenstapels. Entsprechend kann anhand des Verlaufs des Ausgangsstroms 205 eine Kenngröße ermittelt werden, der ein Zustandsindikator zugeordnet werden kann.
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Um einen Nutzer über den Zustand des Brennstoffzellenstapels zu informieren, kann dieser Zustandsindikator auf einer Anzeige ausgegeben werden.
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In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 300 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasste einen Brennstoffzellenstapel 301, ein Kontrollgerät 303 und Nebenaggregate in Form eines Gebläses 305 zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 301 mit Wasserstoff, eines elektronischen Luftverdichters 307 zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 301 mit Frischluft, einer Kühlmittelpumpe 309 zum Pumpen von Kühlmittel durch das Brennstoffzellensystem 300 und verschiedenen Heizern 311 zum Temperieren des Brennstoffzellensystems 300.
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Um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 301 zu bestimmen, während dieser einen Verbraucher 313 mit elektrischen Strom versorgt, übermittelt das Kontrollgerät 303 ein Erregersignal an den Brennstoffzellenstapel 301, das bewirkt, dass die Nebenaggregate zumindest teilweise mit elektrischem Strom versorgt werden, sodass eine Veränderung von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels in Reaktion auf das Erregersignal erfasst und zum Ermitteln einer Kenngröße der Veränderung verwendet werden kann.
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Durch einen Abgleich der Kenngröße mit einer vorgegebenen Referenzgröße kann auf einen inneren Zustand des Brennstoffzellenstapels geschlossen werden und diesem entsprechend gemäß einer vorgegebenen Zuordnungslogik seitens des Kontrollgeräts 303 ein Zustandsindikator zugeordnet werden. Dieser Zustandsindikator kann anschließend von dem Kontrollgerät 303 an eine Ausgabeeinheit, wie bspw. eine Anzeige, übermittelt werden.
