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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen nutzen Reaktionsgase in Form von Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von elektrischer Leistung durch katalytische Verbindung unter Abgabe von Abwärme und Wasser. Statt reinen Sauerstoffs kann insbesondere bei der Anwendung in Fahrzeugen Luft verwendet werden. Die Reaktionsgase sind den Brennstoffzellen kontinuierlich zuzuführen, wobei Wasserstoff den Brennstoffzellen anodenseitig und Sauerstoff kathodenseitig zugeführt wird. Je nach Bauart können Anoden und Kathoden durch eine Membran voneinander separiert sein. Mehrere Brennstoffzellen können in Form eines Stapels mit gemeinsamen Versorgungs- und Abfuhrkanälen kombiniert werden, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen und den Betrieb der Brennstoffzellen zu optimieren.
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Bei dem Brennstoffzellenprozess wird der anodenseitig zugeführte Wasserstoff zumindest teilweise verbraucht, wobei kathodenseitig Wasser entsteht, das auch auf die Anode durchdiffundiert. Zur Separation von flüssigem Wasser und einem gasförmigen Teil des Anodenabgases werden üblicherweise Wasserabscheider verwendet, welche neben der Abscheidefunktion oftmals auch abgeschiedenes Wasser speichern. Ist der Speicher des Wasserabscheiders voll, erfolgt das Abführen des gespeicherten Wassers durch Öffnens eines Ablassventils, das auch als Drain-Ventil bekannt ist.
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Durch Diffusionsprozesse kann Stickstoff in die Anode gelangen. Eine weitere Quelle von Stickstoff kann auch durch einen nicht vollständig rein zugeführten Wasserstoff vorliegen. Das Vorliegen von Stickstoff in der Anode kann die Zellspannung und somit die durch den Brennstoffzellenstapel gelieferte Stackspannung reduzieren, was zu Wirkungsgradeinbußen führt. Um dies zu vermeiden wird während des Betriebs wiederholt Gas aus dem Anodenraum ausgeleitet, um dort den Stickstoffgehalt zu reduzieren. Diese Ausleitung geschieht mit einem Spülventil, das auch als Purge-Ventil bekannt ist.
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Die Versorgung der Brennstoffzellen mit Wasserstoff erfolgt nach dem Stand der Technik mittels Wasserstoffdosierventilen, die als Proportionalventil ausgeführt sein können. Eine mögliche Regelstrategie sieht vor, mit einem solchen Ventil den Gasdruck innerhalb eines Anodenpfads, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck einzuregeln. Durch Verbrauch des Wasserstoffs aufgrund der elektrochemischen Umwandlung oder durch sonstige Verluste, etwa durch zu langes Öffnen des Ablassventils oder durch Öffnen des Spülventils, wird stets frischer Wasserstoff auf dem gewünschten Solldruck nachgeliefert. Bereits das Ausleiten von Wasser führt zum Verringern der Wassersäule im Wasserabscheider durch Öffnen des Ablassventils und erfordert einen erhöhten Frischgaszufluss durch das Wasserstoffdosierventil, um den gewünschten Solldruck aufrechtzuerhalten.
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Nach dem Stand der Technik wird abgereichertes Anodenabgas, das immer noch nutzbaren Wasserstoff enthält, zu einem Wasserstoffeingang rezirkuliert. Dies wird oftmals mittels einer Kombination von Strahlpumpe und einer aktiven Gasfördereinheit erreicht. Die Strahlpumpe nutzt dabei den Druck des zugeführten, frischen Wasserstoffs, um Gas im sogenannten Anodenpfad zu rezirkulieren. Die aktive Gasfördereinheit unterstützt diesen Rezirkulationsprozess.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist wünschenswert, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems dahingehend zu verbessern, dass durch das Öffnen von Ablass- oder Spülventil keine signifikanten Leistungseinbußen entstehen. Die Aufgabe der Erfindung liegt demnach darin, eine Vorrichtung oder ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein Zustand eines Wasserabscheiders zuverlässig erkennbar ist, bei dem bei einem Ablassvorgang gerade kein Flüssigwasser mehr das Ablassventil passiert und eine zuvor entstandene Wassersäule auf ein Minimum reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, eine Wasserstoffzuleitung, eine mit der Wasserstoffzuleitung gekoppelte Strahlpumpe, eine Anodenabgasleitung, einen Wasserabscheider, ein Ablassventil, eine mit der Anodenabgasleitung und der Strahlpumpe gekoppelte Gasfördereinheit, und eine Steuereinheit, wobei der Wasserabscheider mit der Anodenabgasleitung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, Wasser aus einem Anodenabgas abzuscheiden und zu sammeln, wobei das Ablassventil mit dem Wasserabscheider gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, abgeschiedenes Wasser aus dem Wasserabscheider abzulassen, wobei die Gasfördereinheit dazu ausgebildet ist, Anodenabgas über die Strahlpumpe zu der Wasserstoffzuleitung zu rezirkulieren. Es ist vorgesehen, dass die Steuereinheit mit der Gasfördereinheit gekoppelt ist, und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, bei geöffnetem Ablassventil zumindest zeitweise eine Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit zu erfassen und bei Abfall der Leistungsaufnahme um einen vorgebbaren Anteil ein Steuersignal zu generieren und an einem Steuersignalausgang bereitzustellen, wobei das Steuersignal einen geleerten Wasserabscheider repräsentiert.
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Das Brennstoffzellensystem weist bevorzugt mehrere Brennstoffzellen auf, die zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert sind. Bei dem Einsatz in Kraft- oder Nutzfahrzeugen ist es besonders vorteilhaft, Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen zu verwenden, bei denen die Anode durch eine Membran von der Kathode getrennt ist. Alternativ könnten selbstverständlich auch andere Formen von Brennstoffzellen realisiert sein, die unter anderem Festoxid- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen umfassen können.
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Neben den vorangehend genannten, anodenseitig angeordneten Komponenten sind auch kathodenseitig angeordnete Komponenten notwendig, für den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht besonders relevant. Beispielsweise können die Brennstoffzellen kathodenseitig mit einer Luftzufuhreinheit gekoppelt sein, die einen oder mehrere Verdichter aufweisen könnte, welche stromaufwärts des Brennstoffzellensystems druckbeaufschlagte Luft in einen Kathodenpfad einleitet. Der oder die Verdichter könnten durch einen Elektromotor betrieben werden, der mit einer Spannung versorgt wird, die von dem Brennstoffzellensystem selbst und/oder einer externen Spannungsquelle, etwa einer Pufferbatterie, bereitgestellt wird. Zusätzlich dazu könnte auch eine Turbine vorgesehen sein, die stromabwärts der Brennstoffzellen in dem Kathodenpfad angeordnet ist und den oder die Verdichter unterstützt.
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Die Wasserstoffzuleitung führt dem Brennstoffzellensystem Wasserstoff zu und kann folglich mit einer Wasserstoffquelle verbunden sein. Stromabwärts der Wasserstoffquelle ist die Strahlpumpe vorgesehen, welche Anodenabgas in die Wasserstoffzuleitung mischt. Das Anodenabgas, welches noch einen Anteil unverbrauchten Wasserstoffs aufweisen kann, wird dadurch in den Anodenpfad zurückgeführt und geht der Verwertung in der Brennstoffzelle nicht verloren.
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Die Strahlpumpe könnte eine Treibdüse zum Einbringen des Wasserstoffs in eine Mischkammer zum Erzeugen eines Gemischs aus frischem Wasserstoff und rezirkuliertem Anodenabgas aufweisen. Die Art der Strahlpumpe ist für die Erfindung unerheblich. Beispielhaft wird hierzu auf
DE102016210020A1 verwiesen, in der Strahlpumpen erläutert werden. Zum Unterstützen der Strahlpumpe ist die Gasfördereinheit vorgesehen, die auch als Rezirkulationsgebläse bekannt sein kann. Sie könnte während des Spülvorgangs zugeschaltet werden oder dann, wenn die Strahlpumpe voraussichtlich eine unzureichende Leistung liefern würde.
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Wie vorangehend erwähnt führt die Anodenabgasleitung Anodenabgas von dem Brennstoffzellensystem fort. Dort ist der Wasserabscheider vorgesehen, der Wasser aus dem Anodenabgas entfernt. Erfindungsgemäß kann der Zustand des Wasserabscheiders detektiert werden, in dem der Wasserabscheider praktisch vollständig geleert ist bzw. die darin gebildete Wassersäule auf ein Minimum reduziert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit erfasst und untersucht wird.
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Die Aufnahmeleistung ist für einen definierten Systembetriebspunkt davon abhängig, ob Gas einen Anodenpfad verlässt. Wird beispielsweise das Ablassventil geöffnet und gelangt Gas aus der Anodenabgasleitung durch das Ablassventil nach außen, wird die Funktion der Strahlpumpe unterstützt. Folglich muss die zur Unterstützung der Strahlpumpe vorgesehene Gasfördereinheit für diesen Betriebszustand eine geringere mechanische Leistung aufbringen, sodass folglich auch ihre Leistungsaufnahme rasch abnimmt. Befindet sich das Brennstoffzellensystem in einem stationären Betrieb und wird der Wasserabscheider durch Öffnen des Ablassventils unter Ausfluss von Wasser entleert, ist zum Aufrechterhalten des Solldrucks in der Anode nur eine geringe Gegenregelung erforderlich, um das durch das Wasservolumen vergrößerte Anodengasvolumen auf den gewünschten Solldruck zu bringen. Ist nach einer gewissen Zeit das gesamte Wasser aus dem Wasserabscheider ausgelassen und das Ablassventil noch nicht geschlossen, kann Gas aus der Anodenabgasleitung durch den Wasserabscheider und das Ablassventil nach außen geraten. In der Folge muss eine stärkere Wasserstoffzufuhr erfolgen, um den Solldruck in der Anode aufrechtzuerhalten. Folglich erbringt die Strahlpumpe eine höhere Leistung, welche nicht durch die gasförmige Einheit aufgewandt wird.
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Durch Erfassen der Leistungsaufnahme kann ein Abfall der Leistungsaufnahme um den vorgebbaren Anteil präzise detektiert werden. Wird dieser detektiert ist dies ein Indiz dafür, dass der Wasserabscheider vollständig geleert ist. Der Leistungsunterschied, der sich einstellt, ist ausgeprägter, je größer die Öffnung des Ablassventils ist und folglich je stärker der einsetzende Gasstrom aus dem Ablassventil ist. Durch Bereitstellen des Steuersignals kann diese Erkenntnis dazu genutzt werden, beispielsweise das Ablassventil nach Entleerung des Wasserabscheiders wieder zu schließen. Zusätzlich kann es dazu verwendet werden, komplexe Modelle zum Bestimmen der im Wasserabscheider befindlichen Wassermenge kontinuierlich zu kalibrieren.
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Im Detail könnte die Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit, nachdem das Ablassventil wieder geschlossen ist, etwas geringer sein als vor dem Öffnen. Als Ursache hierfür könnte die sich ändernde Gaskonzentration in der Anode durch das Ausleiten von Gas genannt werden. Die Reduktion der Leistungsaufnahme könnte abhängig von der Menge des ausgeleiteten Wassers und des Gases sowie von der Konzentration und der Temperatur zu Beginn des Ablassvorgangs bestimmt sein.
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Der vorgebbare Anteil könnte mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 25% der Leistungsaufnahme betragen. Wie vorangehend erläutert kann der Anteil, um den die Leistungsaufnahme sinkt, von der Größe des durchströmten Querschnitts des Ablassventils sein. Zudem kann der Anteil auch von einer Ansteuerung des Ablassventils abhängig sein. Bei einem Großteil von Anwendungen des Brennstoffzellensystems in Kraftfahrzeugen kann ein Anteil von in etwa 25% eine realistische Größe sein, die einfach, zuverlässig und unter Ausschluss von Messrauschen detektierbar ist.
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Weiterhin könnte die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, das Ablassventil zum Öffnen und/oder Schließen anzusteuern und eine Erfassung der Leistungsaufnahme nach dem Ansteuern zum Öffnen des Ablassventils durchzuführen. Steuert die Steuereinheit das Ablassventil zum Öffnen an, kann die Steuereinheit direkt Kenntnis darüber haben, wann das Ablassventil geöffnet wird und folglich die Erfassung der Leistungsaufnahme zu diesem Zeitpunkt bzw. direkt davor starten. Gleichermaßen ist sinnvoll, das Ablassventil durch die Steuereinheit auch schließen zu lassen, da die Steuereinheit durch die vorangehend dargestellte Erfassung des gewünschten, geleerten Zustands des Wasserabscheiders unmittelbar Kenntnis über diesen Zustand hat und diesen folglich auch unmittelbar zum Schließen des Ablassventils umsetzen kann.
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Die Steuereinheit könnte dazu ausgebildet sein, das Ablassventil durch Übertragen des Steuersignals zu schließen. Die Detektion des geleerten Zustands des Wasserabscheiders wird daher direkt zum Beenden des Ablassens des Wasserabscheiders umgesetzt.
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Weiterhin könnte eine Wasserstoffquelle mittels eines Wasserstoffventils mit der Wasserstoffzuleitung gekoppelt sein, wobei das Wasserstoffventil zum Erreichen und/oder Aufrechterhalten eines Solldrucks an Wasserstoff in der Anode angesteuert ist. Der Eingangsdruck kann demnach durch entsprechendes Ansteuern des Wasserstoffventils geregelt werden. Hierzu kann sich anbieten, einen Druck und gegebenenfalls eine Temperatur des in der Wasserstoffzuleitung strömenden Wasserstoffgases zu erfassen und bei der Ansteuerung des Wasserstoffventils zu berücksichtigen. Ein entsprechender Sensor könnte insbesondere stromabwärts der Strahlpumpe vorgesehen sein.
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Das Wasserstoffventil könnte stromaufwärts der Strahlpumpe angeordnet sein. Es ist besonders bevorzugt, wenn das Wasserstoffventil stromaufwärts einer Mischkammer angeordnet ist, die mit der Strahlpumpe gekoppelt ist. Das Wasserstoffventil ist demnach eine zur Regelung des Drucks unabhängige Vorrichtung.
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Außerdem könnte der Wasserabscheider stromaufwärts der Gasfördereinheit angeordnet sein. Die Gasfördereinheit ist stromabwärts des Wasserabscheiders angeordnet und wird lediglich mit weitgehend von Wasser befreitem Anodenabgas versorgt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, aufweisend Zuführen von Wasserstoff an eine Anode mindestens einer Brennstoffzelle über eine Wasserstoffzuleitung, Rezirkulation von Anodenabgas aus einer Anodenabgasleitung über eine mit der Wasserstoffzuleitung gekoppelte Strahlpumpe und eine mit der Anodenabgasleitung und der Strahlpumpe gekoppelte Gasfördereinheit in die Wasserstoffzuleitung, Abscheiden und Sammeln von Wasser aus dem Anodenabgas mittels eines mit der Anodenabgasleitung gekoppelten Wasserabscheiders, und zumindest zeitweise Ablassen von Wasser aus dem Wasserabscheider. Gemäß der Erfindung ist das Erfassen einer Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit bei geöffnetem Ablassventil durch eine mit der Gasfördereinheit gekoppelte Steuereinheit, und bei Abfall der Leistungsaufnahme um einen vorgebbaren Anteil das Generieren eines Steuersignals und Bereitstellen an einem Steuersignalausgang, wobei das Steuersignal einen geleerten Wasserabscheider repräsentiert vorgesehen.
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Der vorgebbare Anteil könnte dabei, wie vorangehend erläutert, mindestens 25% der Leistungsaufnahme betragen.
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Schließlich kann das Verfahren das Schließen des Ablassventils durch Übertragen des Steuersignals durch die Steuereinheit umfassen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems;
- 2 ein Diagramm mit Darstellung des Füllstands, des Öffnungszustands des Ablassventils und der Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit; und
- 3 eine blockbasierte Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Bren nstoffzel lensystems.
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1 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellensystems 2 mit einer Brennstoffzelle 4 mit einer Anode 6, einer Kathode 8 und einer dazwischen liegenden Membran 10. Die Anode 6 ist mit einer Wasserstoffzuleitung 12 verbunden, über die die Anode 6 mit Wasserstoff versorgt wird. Eine Strahlpumpe 14 ist mit der Wasserstoffzuleitung 12 gekoppelt, der beispielhaft eine Mischkammer 16 stromaufwärts vorgeschaltet ist.
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Die Anode 6 ist weiter mit einer Anodenabgasleitung 18 verbunden, mit der ein Wasserabscheider 20 gekoppelt ist. Der Wasserabscheider 20 kann Wasser aus Anodenabgas ausscheiden und sammeln. Ein Ablassventil 22 ist mit dem Wasserabscheider 20 gekoppelt, um darin gesammeltes Wasser abzulassen und einem Auslass 24 zuzuführen. Eine Gasfördereinheit 26 ist mit der Anodenabgasleitung 18 und der Strahlpumpe 14 gekoppelt und unterstützt die Strahlpumpe 14 bei der Rezirkulation des Anodenabgases.
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Eine Steuereinheit 28 ist mit der Gasfördereinheit 26 gekoppelt und dazu ausgebildet, bei geöffnetem Ablassventil 22 zumindest zeitweise eine Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit 26 zu erfassen und bei Abfall der Leistungsaufnahme um einen vorgebbaren Anteil ein Steuersignal 30 zu generieren und an einem Steuersignalausgang 32 bereitzustellen, wobei das Steuersignal einen geleerten Wasserabscheider 20 repräsentiert. Der Abfall der Leistungsaufnahme könnte etwa mindestens 25% betragen. Beim Erkennen eines derartig signifikanten Leistungsabfalls liegt in dem Wasserabscheider 20 ein Zustand vor, bei dem das gesammelte Wasser abgeführt ist und Gas beginnt, aus dem Wasserabscheider 20 durch das Ablassventil zu strömen. Dieser Zustand kann präzise erkannt werden und insbesondere zum Schließen des Ablassventils 22 genutzt werden. Dafür könnte das Steuersignal 30 an das Ablassventil 22 übertragen werden. Es wird hierbei angenommen, dass die Gasfördereinheit 26 eine elektrisch betriebene Gasfördereinheit 26 ist, deren Leistungsaufnahme einfach erfassbar ist.
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Weiterhin ist beispielhaft ein Spülventil 34 vorgesehen, das zum Spülen der Anode 6 vorgesehen ist, um Stickstoff zu entfernen. Das Spülventil 34 ist ebenso mit dem Auslass 24 verbunden.
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Zum Versorgen der Wasserstoffzuleitung 12 mit frischem Wasserstoff ist eine Wasserstoffquelle 36 stromaufwärts der Strahlpumpe 14 vorgesehen, die über ein Wasserstoffventil 38 mit der Wasserstoffzuleitung 12 über die Mischkammer 16 gekoppelt ist. Das Wasserstoffventil 38 ist dabei zum Erreichen und/oder Aufrechterhalten eines Solldrucks an Wasserstoff in der Anode 6 angesteuert.
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2 zeigt beispielhaft ein Diagramm, in dem ein Füllstand 40 des Wasserabscheiders 20, ein Öffnungszustand 42 des Ablassventils 22 und eine Leistungsaufnahme 44 der Gasfördereinheit 26 übereinander in einem zeitlichen Verlauf dargestellt sind. Zu Beginn beträgt der Füllstand 40 des Wasserabscheiders 20 beispielhaft 100%. Das Ablassventil 22 ist geöffnet, der Öffnungszustand beträgt hier „1“. Der Füllstand 40 nimmt folglich kontinuierlich ab. Die Leistungsaufnahme 44 der Gasfördereinheit 26 beträgt hier „HI“, was einer höheren Leistungsaufnahme entspricht. Nach Erreichen eines Füllstands 40 von etwa 0% sinkt die Leistungsaufnahme 44 abrupt auf ein niedrigeres Niveau „LO“. Der Füllstand 40 bleibt weiterhin bei 0% stehen, während das Ablassventil 22 noch geöffnet ist. Dieser Zustand kann von der Steuereinheit 28 erkannt und zum Schließen des Ablassventil 22 verwendet werden. Wird dies durchgeführt, ändert sich der Öffnungszustand 42 des Ablassventils 22 zu „0“, wonach der Füllstand 40 kontinuierlich zu steigen beginnt und die Leistungsaufnahme 44 auf das vorherige Niveau „HI“ zurückkehrt. Der Abfall von „HI“ auf „LO“ kann hier beispielhaft etwa 50% betragen.
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3 zeigt weiterhin eine schematische Darstellung des vorangehend erläuterten Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 2 und weist die Schritte des Zuführens 46 von Wasserstoff an die Anode 6 über die Wasserstoffzuleitung 12, der Rezirkulation 48 von Anodenabgas aus der Anodenabgasleitung 18 über die mit der Wasserstoffzuleitung 12 gekoppelte Strahlpumpe 14 und die mit der Anodenabgasleitung 18 und der Strahlpumpe 14 gekoppelte Gasfördereinheit 26 in die Wasserstoffzuleitung 12, des Abscheidens 50 und Sammelns 52 von Wasser aus dem Anodenabgas mittels des mit der Anodenabgasleitung 18 gekoppelten Wasserabscheiders 20, und zumindest zeitweise des Ablassens 54 von Wasser aus dem Wasserabscheider 20 auf. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen 56 der Leistungsaufnahme 44 der Gasfördereinheit 26 bei geöffnetem Ablassventil 22 durch die mit der Gasfördereinheit 26 gekoppelte Steuereinheit 28 und bei Abfall der Leistungsaufnahme 44 um einen vorgebbaren Anteil das Generieren 58 des Steuersignals 30 und Bereitstellen 60 an dem Steuersignalausgang 32, wobei das Steuersignal 30 einen geleerten Wasserabscheider 20 repräsentiert. Weiterhin umfasst das Verfahren beispielhaft das Schließen 62 des Ablassventils 22 durch Übertragen 64 des Steuersignals 30 durch die Steuereinheit 28.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016210020 A1 [0013]
