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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren gelangt vorzugsweise im Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs zum Einsatz, das heißt, dass es sich vorzugsweise um ein mobiles Brennstoffzellensystem handelt.
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Des Weiteren wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das zur Ausführung von Schritten des Verfahrens geeignet ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Der Brennstoff wird einer Anode, der Sauerstoff einer Kathode zugeführt, die durch eine Membran, beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran (PEM) getrennt sind. In der praktischen Anwendung werden eine Vielzahl von Einzelzellen gestapelt und zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden, um die mit Hilfe der Brennstoffzellen erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Der Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, ist von Versorgungskanälen durchzogen, über welche die einzelnen Zellen mit Brennstoff und mit Luft versorgt werden, wobei die Luft als Sauerstofflieferant dient. Der Abtransport des abgereicherten Brennstoffs sowie der abgereicherten feuchten Luft erfolgt über Entsorgungskanäle, die im Wesentlichen parallel zu den Versorgungskanälen durch den Brennstoffzellenstapel verlaufen, aber in umgekehrter Richtung von dem jeweiligen Reaktionsgas durchströmt werden.
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Systemisch hat sich bei der Versorgung der Anode mit Brennstoff der Ansatz etabliert, aus den Brennstoffzellen austretenden abgereicherten Brennstoff zu rezirkulieren. Dieser abgereicherte Brennstoff wird dann zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Anode zugeführt. Da der abgereicherte Brennstoff Wasser enthalten kann, wird er vorab einem Wasserabscheider zugeführt. Das abgeschiedene Wasser wird in einem Behälter gesammelt und bei Bedarf oder nach einer festen Taktfrequenz aus dem Behälter abgeführt. Hierzu ist am Behälter ein sogenanntes Drainventil vorgesehen. Je nach Füllstand im Behälter kann über das geöffnete Drainventil nicht nur Wasser, sondern auch wertvoller Brennstoff mit abgeführt werden, der dann zur Erzeugung elektrischer Energie nicht mehr zur Verfügung steht. Es besteht demnach ein allgemeines Interesse an einer Methodik zur Erkennung, welches Fluid oder Fluidgemisch aktuell über das Drainventil abgeführt wird.
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Da rezirkulierter abgereicherter Brennstoff ferner Stickstoff enthalten kann, der von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert, ist in der Regel ferner ein sogenanntes Purgeventil vorgesehen. Durch Öffnen des Purgeventils wird der Brennstoff nicht rezirkuliert, sondern aus dem System abgeführt, um mit dem abgereicherten Brennstoff zugleich den Stickstoff zu entfernen. Es sind jedoch auch Systeme bekannt, die den Stickstoff nicht über ein separates Purgeventil, sondern über das Drainventil abführen. Hierzu wird das Drainventil so lange offengehalten, bis das flüssige Wasser vollständig aus dem Behälter entfernt ist und nur noch stickstoffhaltiger abgereicherter Brennstoff austritt. Auch in diesem Fall wäre es hilfreich zu wissen, wann Wasser und wann Gas über das Drainventil abgeführt wird.
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Bekannt ist der Einsatz von Füllstandssensoren zur Bestimmung des Füllstands im Behälter. Diese Verfahren sind jedoch aufwendig und - aufgrund der Trägheit von Wasser - nicht geeignet, Schwapp-Bewegungen im Behälter und/oder Schieflagen des Behälters zu erfassen. In der Folge kann es zu fehlerhaften Messungen kommen, die zu einem Öffnen des Drainventils führen, obwohl der Behälter gar nicht voll ist.
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Die Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das eine Ansteuerung des Drainventils unter Berücksichtigung von Schwapp-Bewegungen im Behälter und/oder unter Berücksichtigung einer Schieflage des Behälters ermöglicht. Dies wiederum ermöglicht eine Anpassung der Ansteuerung des Drainventils an den tatsächlichen Füllstand im Behälter. Im Ergebnis kann somit sichergestellt werden, dass nur Wasser oder - nach dem Wasser - eine definierte Menge an Brennstoff aus dem Behälter entlassen wird.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines mobilen Brennstoffzellensystems, wird ein aus den Brennstoffzellen austretender, abgereicherter gasförmiger Brennstoff über einen Anodenkreis rezirkuliert und vor dem Wiedereintritt in die Brennstoffzellen mit Hilfe eines Wasserabscheiders entfeuchtet. Mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedenes Wasser wird in einem Behälter gesammelt und durch Öffnen eines am Behälter angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Drainventils abgeführt. Erfindungsgemäß werden Beschleunigungen und/oder Neigungen des Behälters mit Hilfe mindestens eines Sensors erfasst und/oder aus den Daten eines Positionsbestimmungssystems ermittelt und bei der Ansteuerung des Drainventils berücksichtigt. Bei dem mindestens einen Sensor kann es sich insbesondere um einen Beschleunigungssensor und/oder einen Neigungssensor handeln. Das Positionsbestimmungssystem ist vorzugsweise ein globales Positionsbestimmungssystem (GPS).
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Durch Erfassen bzw. Ermitteln der aktuellen Beschleunigung und/oder Neigung des Behälters können Rückschlüsse auf das Verhalten des Wassers im Behälter gezogen werden, insbesondere Schwapp-Bewegungen erkannt werden. Entsprechend verringert sich die Gefahr, dass das Drainventil aufgrund eines kurzzeitig erhöhten Füllstands unmittelbar oberhalb des Drainventils vorzeitig geöffnet wird. Ferner wird ein Öffnen des Drainventils verhindert, wenn sich aufgrund einer Schwapp-Bewegung oder Neigung des Behälters kurzzeitig kein Wasser unmittelbar oberhalb des Drainventils befindet.
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Durch Berücksichtigung der Beschleunigung und/oder Neigung des Behälters wird somit sichergestellt, dass das Drainventil nur geöffnet wird, wenn Wasser ansteht.
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Vorzugsweise wird von einer erfassten bzw. ermittelten Beschleunigung und/oder Neigung des Behälters auf die Bewegung des Wassers im Behälter geschlossen und diese bei der Ansteuerung des Ventils berücksichtigt. Die Bewegungen des Wassers folgen Naturgesetzen und sind daher berechenbar.
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Bevorzugt wird das Drainventil geöffnet, wenn aufgrund einer Beschleunigung und/oder Neigung der Füllstand im Behälter unmittelbar oberhalb des Drainventils erhöht ist. Dies ist beispielsweise bei einer Beschleunigung und/oder Neigung des Behälters der Fall, die das im Behälter vorhandene Wasser in Richtung des Drainventils bewegt bzw. drängt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Drainventil nur geöffnet wird, wenn am Drainventil Wasser ansteht. Dies ermöglicht sogar ein Öffnen des Drainventils und damit Entleeren des Behälters, wenn der Füllstand im Behälter vergleichsweise niedrig ist und nur kurzzeitig, beispielsweise aufgrund einer entsprechenden Schwapp-Bewegung im Behälter und/oder einer entsprechenden Neigung des Behälters, das Drainventil von ausreichend Wasser bedeckt ist.
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Des Weiteren bevorzugt wird das Drainventil geschlossen gehalten, wenn aufgrund einer Beschleunigung und/oder Neigung der Füllstand im Behälter unmittelbar oberhalb des Drainventils verringert ist. Dies ist beispielsweise bei der Beschleunigung und/oder Neigung des Behälters der Fall, die das im Behälter vorhandene Wasser in eine vom Drainventil wegführende Richtung bewegt bzw. drängt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Drainventil nicht öffnet, wenn kein Wasser am Drainventil ansteht.
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Sofern die Beschleunigungen und/oder Neigungen des Behälters mit Hilfe mindestens eines Sensors erfasst werden, wird bevorzugt ein Sensor verwendet, der mindestens zwei, vorzugsweise sechs Bewegungsfreiheitsgrade des Behälters erfasst. Bei den sechs Bewegungsfreiheitsgraden handelt es sich um drei translatorische und drei rotatorische Bewegungsfreiheitsgrade. Die drei translatorischen Bewegungsfreiheitsgrade entsprechen den drei senkrecht aufeinander stehenden Raumachsen x, y und z. Diese bilden zugleich die Rotationsachsen der drei rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrade aus. Sofern weniger als sechs Bewegungsfreiheitsgrade erfasst werden, werden vorzugsweise mindestens zwei, weiterhin vorzugsweise mindestens alle drei translatorischen Bewegungsfreiheitsgrade erfasst.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass vor dem Öffnen des Drainventils mit Hilfe eines Fahrdynamikreglers Beschleunigungen und damit Schwapp-Bewegungen im Behälter gezielt herbeigeführt werden. Hierüber kann dann dem Drainventil gezielt Wasser zugeführt werden, um die Effizienz bei der Entleerung des Behälters zu steigern.
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Vorteilhafterweise wird im Behälter gesammeltes Wasser über schräge Flächen einem Behälter-Tiefstpunkt zugeführt, im Bereich dessen das Drainventil angeordnet ist. Bei niedrigem Füllstand im Behälter ist dadurch sichergestellt, dass das weniger Wasser im Bereich des Drainventils ansteht. Denn die schrägen Flächen wird das wenige vorhandene Wasser dem Drainventil zugeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Funktion eines Purgeventils in das Drainventil integriert und das Drainventil so lange offengehalten, bis der Behälter vollständig entleert ist und Gas aus dem Behälter austritt. Bei dem Gas handelt es sich dann bevorzugt um stickstoffhaltigen abgereicherten Brennstoff. Die Integration der Purge-Funktion in das Drainventil macht ein zusätzliches Purgeventil entbehrlich.
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Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Bevorzugt steht das Steuergerät in datenübertragender Weise mit dem mindestens einen Sensor und/oder mit dem Positionsbestimmungssystem in Verbindung so dass dem Steuergerät zur Durchführung von Schritten des Verfahrens notwendigen Daten zur Verfügung stehen. Zur Auswertung der Daten kann eine im Steuergerät hinterlegte Logik verwendet werden, so dass abhängig von dem Ergebnis der Auswertung das Drainventil mit Hilfe des Steuergeräts gezielt angesteuert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Vorteile werden nachfolgen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch einen in einen Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems integrierten Wasserabscheider mit Behälter und Drainventil,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,
- 3 einen Querschnitt durch den Behälter des Wasserabscheiders der 1,
- 4 a) und b) jeweils einen Querschnitt durch einen Behälter eines Wasserabscheiders während einer Beschleunigung in einer ersten Richtung und einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung, und
- 5 a) und b) jeweils einen Querschnitt durch den Behälter der 4 a) und 4 b) während einer Beschleunigung in einer dritten Richtung und einer der dritten Richtung entgegengesetzten vierten Richtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Anodenkreis 1 eines Brennstoffzellensystems (nicht dargestellt) zu entnehmen, in den ein Wasserabscheider 2 integriert ist. Über den Anodenkreis 1 wird ein gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, rezirkuliert, der sich im Laufe der Zeit mit flüssigem Wasser anreichert. Dieses wird mit Hilfe des Wasserabscheiders 2 abgeschieden und in einem Behälter 3 gesammelt. Im Laufe der Zeit füllt sich daher der Behälter 3 mit flüssigem Wasser bzw. mit einer Flüssigkeit F. Oberhalb dieser befindet sich der rezirkulierte gasförmige Brennstoff bzw. ein Gas G. Zum Entleeren des Behälters 3 ist ein Drainventil 4 vorgesehen, das elektrisch ansteuerbar ist.
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Der in der 1 dargestellte Behälter 3 weist schräge Flächen 7, 8 auf, die zur Ausbildung eines Behälter-Tiefstpunkts 9 führen, an dem das Drainventil 4 angeordnet ist. Das im Behälter 3 vorhandene Wasser (Flüssigkeit F) wird demnach durch die Schwerkraft in Richtung des Drainventils 4 getrieben. Selbst bei niedrigem Füllstand im Behälter 3 steht somit Wasser Drainventil 4 an, da sich dies oberhalb des Drainventils 4 bzw. des Behälter-Tiefstpunkts 9 sammelt (siehe 3).
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Dennoch kann es auch bei einem solchen Behälter 3 aufgrund einer Beschleunigung und/oder Neigung des Behälters 3, beispielsweise bei einer Bergfahrt eines den Wasserabscheider 2 aufweisenden Fahrzeugs 11 (siehe 2), zu Bewegungen, insbesondere Schwapp-Bewegungen, des im Behälter 3 vorhandenen Wassers kommen, so dass kurzzeitig kein Wasser am Drainventil 4 ansteht. Würde währenddessen das Drainventil 4 geöffnet, strömte Gas G und keine Flüssigkeit F aus dem Behälter 3 über das Drainventil 4 ab.
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Um dies zu vermeiden, ist das elektrisch ansteuerbare Drainventil 4 über mindestens eine Steuerleitung 12 mit einem Steuergerät 10 verbunden, das über mindestens eine Datenleitung 13 Daten von einem Beschleunigungssensor 5 und/oder einem Neigungssensor 6 (siehe Bezugszeichen in Klammern) erhält und aus diesen Daten die Bewegungen des Wassers im Behälter 3 ableiten kann. Auf diese Weise können Schwapp-Bewegungen des Wassers detektiert werden, die dazu führen, dass am Drainventil 4 kurzzeitig kein Wasser ansteht.
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Abweichend von der Darstellung der 1 kann anstelle der Datenleitung 13 auch eine drahtlose Datenübertragung über eine Kommunikationsschnittstelle eingerichtet werden.
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Alternativ oder ergänzend zu den Sensordaten können dem Steuergerät 10 Positionsdaten eines Positionsbestimmungssystems (nicht dargestellt) zur Auswertung ermittelt werden.
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Sofern mindestens ein Sensor 5, 6 zur Erfassung von Beschleunigungen und/oder Neigungen des Behälters 3 eingesetzt wird, sollte dieser mindestens zwei, vorzugsweise drei oder sechs Bewegungsfreiheitsgrade erfassen. Hierbei kann es sich insbesondere um drei translatorische Bewegungsfreiheitsgrade x, y, z und/oder um den jeweiligen rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad um diese Achsen handeln (siehe 2).
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Anhand der nachfolgenden Figuren, die - analog der 3 - jeweils einen Querschnitt durch einen einfachen Behälter 3 eines Wasserabscheiders 2 zeigen, werden die Auswirkungen von unterschiedlichen Beschleunigungen des Fahrzeugs 11 auf das im Behälter 3 vorhandene Wasser bei Teilfüllung erläutert.
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In den 4a) und 4b) führt eine Beschleunigung in eine erste Richtung und in eine der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung (siehe Pfeil 14) dazu, dass sich das Wasser (Flüssigkeit F) entweder vom Drainventil 4 weg oder zum Drainventil 4 hin bewegt. Die Bewegung des Wassers ist dabei gegenläufig zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 11.
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In den 5a) und 5b) führt eine Beschleunigung in eine dritte Richtung und in eine der dritten Richtung entgegengesetzten vierten Richtung (siehe Pfeil 15) ebenfalls dazu, dass sich das Wasser (Flüssigkeit F) entweder vom Drainventil 4 weg oder zum Drainventil 4 hin bewegt. Die Bewegung des Wassers ist wiederum gegenläufig zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 11.
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Bewegt sich das Wasser bzw. die Flüssigkeit F - in den 4a) und 5b) dargestellt - vom Drainventil 4 weg, ist das Drainventil 4 nicht mehr von Wasser bzw. der Flüssigkeit F bedeckt, sondern von Brennstoff bzw. Gas G. In diesem Fall sollte das Drainventil 4 geschlossen bleiben, um zu verhindern, dass Brennstoff über das Drainventil 4 abströmt. Besonders vorteilhaft dagegen ist, wenn das Drainventil 4 immer dann geöffnet wird, wenn der in den 4b) und 5a) gezeigte Fall eintritt, da dann eine maximale Menge an Wasser bzw. Flüssigkeit F am Drainventil 4 ansteht
