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Die Erfindung betrifft ein Verfahren des Trocknungszustandes einer Anode eines Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Stand der Technik
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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.
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Ein Start bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt wird Gefrierstart genannt. Damit ein Gefrierstart gelingt, müssen die Zellen des Brennstoffzellenstacks trocken sein, damit sie nicht bereits beim Gefrierstart vereist sind und Wasser bzw. Eis während des Startvorganges aufnehmen können (Eistoleranz). Daher ist ein entsprechend wirksamer Trocknungsvorgang in der Abstellphase des Brennstoffzellensystems wichtig. Der Trocknungsvorgang wird in der Regel mit einem vorgesteuerten Verlauf durchgeführt, welcher den aktuellen Feuchtegehalt der Zellen bzw. der Systeme mangels geeigneter Sensorik nicht berücksichtigt.
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Dieser muss auch in einem Worstcase Szenario funktionieren, und muss daher durch aufwändige Applikationsmessungen ermittelt werden. Dieser extreme Trocknungsvorgang wird dann immer angewendet, mit exzessiver Trocknung der Zellen und der einhergehenden übermäßigen Belastung der Zellen als Folge.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung des Trocknungszustandes einer Anode eines Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass der Trocknungszustand der Zellen bestimmt werden kann, so dass entsprechende Betriebsstrategien zur Regelung des Trocknungsvorganges durchgeführt werden können.
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Es kann eine zuverlässige Trocknung der Zellen des Brennstoffzellenstacks sichergestellt werden im Gegensatz zu dem vorgesteuerten Verlauf, welcher den aktuellen Feuchtegehalt der Zellen bzw. der Systeme mangels geeigneter Sensorik nicht berücksichtigt. Auf diese Weise kann ein nachfolgender Gefrierstart sicher und robust auch bei extremen Bedingungen durchgeführt werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren führt zu einer Reduzierung der Kosten, da Eispuffermaßnahmen im Stack und System deutlich reduziert werden können.
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Die der Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks wird durch eine Anpassung des Trocknungsvorganges und Verhinderung von Zellvereisungen erhöht, da zu viel Wasser im Brennstoffzellensystem aufgrund der Eisbildung zu irreversiblen Schäden führen während eines Gefrierstarts führen kann.
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Durch das erfindungsgemäße Erfahren kann das Brennstoffzellensystem effizienter betrieben werden, da der Trocknungsvorgang in den Fällen, in denen nur ein geringer Feuchtegehalt im Brennstoffzellensystem vorliegt, nicht unnötig fortgesetzt wird.
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Durch die Bestimmung des Trocknungszustandes wird der Trocknungsvorgang rechtzeitig abgebrochen und ein unnötiges Austreten von Wasserstoff über den Purge- und Drainvorgang vermieden. Dies führt in Summe zu einer Reduzierung des H2- Verbrauches.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn ein Maximalwert der H2-Konzentration während eines Purge- und Drainvorgangs mit einem ersten Schwellenwert verglichen wird und eine Trocknung vorliegt, wenn das Maximum der H2-Konzentration oberhalb des ersten Schwellenwertes liegt, da diese Form der Auswertung besonders einfach und schnell ist, da die Messwerte nicht weiterverarbeitet werden müssen.
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Es ist von Vorteil wenn der Gradient der H2-Konzentration nach dem Öffnen des Purge- und Drainventils ermittelt wird und mit einem zweiten Schwellenwert verglichen wird, wobei eine Trocknung vorliegt, wenn der Gradient der H2-Konzentration oberhalb des zweiten Schwellenwertes liegt, da durch die Berechnung des Gradienten einzelne Ausreißer und Messfehler erkannt werden und damit die Auswertung eine höhere Robustheit aufweist.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn sowohl das Maximum der H2-Konzentration und der Gradient der H2-Konzentration zur Bestimmung des Trocknungszustandes eingesetzt werden, da die Robustheit des Verfahrens weiter gesteigert werden kann.
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Ein besonderer Vorteil wird durch die Optimierung des H2-Verbrauches erzielt, wenn das Trocknungsverfahren beendet wird, wenn eine Trocknung vorliegt und ansonsten fortgesetzt wird
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Es ist vorteilhaft, wenn der Luftmassenstrom durch eine Ansteuerung des Luftverdichters und/oder Verdichters während der Purge- und Drainvorgänge, die zum Trocknen der Anode durchgeführt werden, konstant gehalten wird, da dies die Messgenauigkeit steigert.
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Eine Adaption des Trocknungsvorganges ist vorteilhaft, weil sie zu Überprüfungszwecken neben der Messung des Trocknungszustandes eingesetzt werden kann und zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung des Trocknungszustandes führt.
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Eine Steigerung der Genauigkeit wird hierbei erzielt, wenn die Adaption des Trocknungsvorganges für unterschiedlichen Leistungsstufen oder Betriebsparameter durchgeführt wird.
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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.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Messung, welche die Öffnung des Purge- und Drainventils, die Zellentemperatur und die H2-Konzentration in der Abgasleitung darstellt,
- 3 eine Messung, welche die Öffnung des Purge- und Drainventils, die Zellentemperatur und die H2-Konzentration in der Abgasleitung darstellt, und
- 4 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem 100 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In der Luftleitung kann optional ein Sensor 13 angeordnet sein, welcher den Sauerstoffgehalt der Luft misst. 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, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Befeuchter 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 mit einer höheren Flüssigkeitskonzentration anreichert.
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Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der 1 nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist.
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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 Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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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 von der Seite der Kathode 105 auf die Seite der Anode 103 diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
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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.
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Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, indem er mit Wasserstoff neu befüllt wird und das Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasser aus dem Rezirkulationskreis 50 entfernt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Menge an Wasser und/oder Stickstoffkonzentration in der Brennstoffleitung 20 nicht abnimmt.
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Es ist eine Purge- und Drainleitung 40 zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 angeordnet, so dass während eines Spülvorganges das Wasser und das Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann.
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In der Purge- und Drainleitung 40 ist ein Purge- und Drainventil 41 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purge- und Drainventil 41 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Gasgemisch und Wasser über die Purge- und Drainleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird.
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Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Des Weiteren können über die Purge- und Drainleitung 40 Wasserstoff, ein Gasgemisch mit Stickstoff und Wasser in die Abgasleitung 12 gelangen.
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In der Abgasleitung 12 ist ein H2-Sensor 45 angeordnet, welcher die Konzentration von Wasserstoff im Abgas misst, da nicht zu viel Wasserstoff über die Abgasleitung 12 in die Umgebung gelangen darf. Des Weiteren muss die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches vermieden werden.
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Ein erfindungsgemäßes Trocknungsverfahren basiert darauf, dass die Anode 103 durch regelmäßiges Öffnen des Purge-/Drain-Ventils 41 getrocknet wird. In 2 ist ein Diagramm mit einer Messung, welche die Öffnung des Purge- und Drainventils 41, und die H2-Konzentration in der Abgasleitung 12 während eines Trocknungsverfahrens darstellt. Die x-Achse stellt den zeitlichen Verlauf dar, während die anderen Größen entlang der y-Achse dimensionslos dargestellt sind. Im Laufe der Zeit nimmt der Trocknung der Anode in der dargestellten Messung immer weiter zu.
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Die gestrichelte Linie stellt die H2-Konzentration am H2-Sensor 45 dar, während die durchgezogene Linie das geöffnete Purge-Drainventil mit Wert 1 und das geschlossene Purge-Drainventil mit Wert 0 darstellt.
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Wie aus dem Verlauf der gepunkteten Linie ersichtlich ist, nimmt die H2-Konzentration am H2-Sensor 45 in der Abgasleitung 12 mit jedem weiteren Öffnen des Purge- und Drainventils 41 zu. Diese Zunahme ist nicht auf die Zunahme der H2-Konzentration im Rezirkulationskreis 50 zurückzuführen, da diese innerhalb des dargestellten Zeitraumes nur um 10% zunimmt.
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Da in der gezeigten Messung das Intervall und die Dauer des Purge- und Drainvorganges konstant bleiben, ist die beobachtete Zunahme hauptsächlich auf die den H2-Sensor 45 erreichende Menge an Wasserstoff zurückzuführen, welche von der beim Öffnen des Purge-/Drain-Ventils 41 in Rezirkulationskreis 50 vorhandenen Wassermenge abhängt. Wenn beispielsweise zu Beginn des Trocknungsverfahrens viel Wasser abgeführt werden muss, wird in der begrenzten Dauer des Purge- und Drainvorganges entsprechend weniger Wasserstoff abgeführt. Je trockener der Rezirkulationskreis 50 ist, desto größer wird die Menge an Wasserstoff welche über die Purge- und Drainleitung 40 in die Abgasleitung 12 gelangt, und umso größer wird die gemessene H2-Konzentration am H2-Sensor 45 in der Abgasleitung 12.
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Unter der Dauer des Purge- und Drainvorgangs ist die Öffnungsdauer des Purge- und Drainventils 41 zu verstehen. Unter dem Intervall des Purge- und Drainvorgangs ist der zeitliche Abstand zwischen dem Einleiten zweier Purge- und Drainvorgänge zu verstehen.
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Im dargestellten Diagramm wird mit jedem Purge- und Drainvorgang das Maximum der H2-Konzentration größer. Wenn die Anode bzw. der Rezirkulationskreis 50 getrocknet sind, ist keine Veränderung im Maximum der H2-Konzentration mehr festzustellen.
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Neben der Zunahme des Maximums der H2- Konzentration während des Trocknungsverfahrens, ist auch ein schnellerer Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45 zu beobachten. Während bei einer feuchten Anode 103 bzw. mit Wasser im Rezirkulationskreis 50 der Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45 aufgrund des Wassers langsamer erfolgt, steigt die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 bei einer getrockneten Anode 103 bzw. Rezirkulationskreis 50 schneller an.
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In 3 ist eine Messung mit feuchter Anode 103 (A) und getrockneter Anode 103 (B) dargestellt. Die x-Achse stellt den zeitlichen Verlauf dar, während die anderen Größen entlang der y-Achse dimensionslos dargestellt sind.
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Die gestrichelte Linie stellt die H2-Konzentration am H2-Sensor 45 dar, während die durchgezogene Linie das geöffnete Purge-Drainventil mit Wert 1 und das geschlossene Purge-Drainventil mit Wert 0 darstellt. Wie aus den beiden Darstellungen ersichtlich, erfolgt der Anstieg der H2-Konzentration bei einer getrockneten Anode im Diagramm (B) dargestellt deutlich schneller als bei einer feuchten Anode 103 im Bild (A) dargestellt.
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4 zeigt ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des Trocknungszustandes einer Anode 103 eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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In dem Verfahren wird während eines Purge- und Drainvorgangs der zeitliche Verlauf der H2-Konzentration in der Abgasleitung 12 gemessen und durch eine Auswertung der gemessenen H2-Konzentration der Trocknungszustand der Anode 103 und des Rezirkulationskreises 50 ermittelt.
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Im Verfahrensschritt 200 wird ein Purge- und Drainvorgang eingeleitet. Dieser Purge- und Drainvorgang wird eingeleitet, um Wasser aus der Anode und dem Rezirkulationskreis zu entfernen.
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Zum Einleiten des Purge- und Drainvorganges wird das Purgeventil 41 geöffnet. Hierbei kann die aktuelle Leistungsstufe des Brennstoffzellenstacks 101 möglichst konstant gehalten.
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In einem optionalen Verfahrensschritt 210 wird der Luftmassenstrom konstant gehalten. Dies kann beispielsweise durch eine bewusste Regelung des Luftverdichters 11 auf ein festes Leistungsniveau erfolgen.
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Im Verfahrensschritt 220 wird die während des Purgevorganges gemessene H2-Konzentration im Abgas durch den H2-Sensor 45 in kurzen zeitlichen Abständen gemessen und gegebenenfalls gespeichert. Die Messung wird beendet, wenn das Purgeventil 41 wieder geschlossen ist und die H2-Konzentration in der Abgasleitung 12 abgesunken ist.
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Im Verfahrensschritt 230 wird der während des Purge- und Drainvorgangs gemessene Maximalwert der H2- Konzentration mit einem ersten Schwellenwertes verglichen.
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Wenn der während des Purge- und Drainvorgangs gemessene Maximalwert der H2- Konzentration unterhalb des ersten Schwellenwert liegt, wird das Trocknungsverfahren fortgesetzt wird, indem das Purge-/Drain-Ventil 41 in regelmäßigen Abständen geöffnet wird, um die Anode 103 zu trocknen. Hierzu wird im Verfahrensschritt 240 ein Zeitintervall abgewartet, welches dem jeweils aktuellen Purge- und Drainintervall entspricht, bevor das Verfahren erneut mit dem Verfahrensschritt 200 fortgesetzt wird.
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Wenn der während des Purge- und Drainvorgangs gemessene Maximalwert der H2- Konzentration oberhalb des ersten Schwellenwertes liegt, wird im Verfahrensschritt 250 das Trocknungsverfahren beendet wird, indem das Purge-Drain-Ventil 41 geschlossen wird bzw. der Purge- und Drainvorgang nicht fortgesetzt wird. Es können sich weitere Verfahrensschritte anschließen, bei denen die Temperatur im Rezirkulationskreis 50 abgesenkt wird, um ein Verdampfen und Umverteilen von Wasser im Brennstoffzellensystem 100 zu vermeiden.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechen die Verfahrensschritte 200 bis 220 den im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Schritten.
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Im Verfahrensschritt wird 230 der Anstieg der H2-Konzentration während des Purge- Drainvorgangs ausgewertet und daraufhin überprüft, der Gradient der H2-Konzentration oberhalb oder unterhalb des zweiten Schwellenwertes liegt. Falls der Gradient der H2-Konzentration unterhalb des zweiten Schwellenwertes liegt wird zum Verfahrensschritt 240 gegangen. Liegt der Gradient der H2-Konzentration oberhalb des zweiten Schwellenwertes wird zum Verfahrensschritt 250 gegangen.
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Die Verfahrensschritte 240 und 250 entsprechen den Verfahrensschritte des ersten Ausführungsbeispiels.
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In einer alternativen Ausführungsform des Verfahren ist es auch möglich, dass im Verfahrensschritt 230 sowohl überprüft wird, ob das Maximum der H2-Konzentration über dem ersten Schwellenwert als auch ob der Gradient der H2-Konzentration über dem zweiten Schwellenwert liegt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann im Anschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Adaption des Trocknungsvorganges durchgeführt werden, wobei nach mindestens einem Trocknungsvorgang die benötigte Anzahl von Purge- und Drainvorgängen bis zur Trocknung der Anode im Steuergerät hinterlegt wird. Zukünftige Trocknungsvorgänge können dann mit den im Steuergerät hinterlegten Daten durchgeführt werden.
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Hierbei kann die Adaption des Trocknungsvorganges für unterschiedlichen Leistungsstufen oder Betriebsparameter durchgeführt werden.
