DE102022200641A1

DE102022200641A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Info

Publication number: DE102022200641A1
Application number: DE102022200641.0A
Authority: DE
Inventors: Christophe Billmann; Tobias Falkenau; Christopher Bruns; Timo Bosch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20
Also published as: CN118575315A; WO2023139097A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), bei dem aus einem Brennstoffzellenstapel (2) austretendes Anodengas über einen Anodenkreis (3) mit Hilfe eines in den Anodenkreis (3) integrierten, elektrisch betriebenen Wasserstoffgebläses (4) rezirkuliert wird und bei dem durch gezieltes Öffnen eines in den Anodenkreis (3) integrierten Purgeventils (5) mit Stickstoff angereichertes Anodengas von Zeit zu Zeit ausgeleitet wird. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:- Messen der Temperatur an mindestens einer Temperaturmessstelle (6), die repräsentativ für die Temperatur des Wasserstoffgebläses (4) ist,- Vergleichen der gemessenen Temperatur mit einem vorab definierten Schwellenwert und- Wechseln in einen wasserstoffreicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) bei einer Überschreitung des Schwellenwerts.Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät (8) zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens oder einzelner Verfahrensschritte vorgeschlagen.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Wärme und Wasser. Die Brennstoffzelle besteht hierbei aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Katode, die mit Luft versorgt wird, sowie einer dazwischen platzierten, protonendurchlässigen Membran. Mehrere solcher Brennstoffzellen werden in der praktischen Anwendung gestapelt, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen.
Systemisch hat sich zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem das noch wasserstoffreiche Anodenabgas mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff wieder der Anode zugeführt wird. Man spricht hierbei von Rezirkulation. Als Gasfördereinheiten werden Strahlpumpen und/oder elektrisch betriebene Wasserstoffgebläse eingesetzt.
Durch Diffusion durch den Brennstoffzellenstapel und/oder Verunreinigungen im Brennstoff reichert sich rezirkuliertes Anodengas über die Zeit mit Stickstoff an. Durch gezieltes Ausleiten, genannt „Purgen“, wird die Stickstoffkonzentration reguliert. Hierzu wird ein Ventil geöffnet, das sogenannte Purgeventil.
Ein elektrisch betriebenes Wasserstoffgebläse generiert beim Rezirkulieren von Anodengas Abwärme. Die Abwärme bzw. Wärme muss abtransportiert werden, um ein Überhitzen des Gebläses, insbesondere im Bereich seiner Ansteuerelektronik und/oder seiner Dichtstellen, zu verhindern. Der Abtransport der Wärme kann durch gezieltes Kühlen des austretenden Anodenabgases sowie durch konvektive Verluste und/oder Strömungsverluste an die Umgebung realisiert werden.
Aufgrund hoher Temperaturen in der nahen Umgebung des Wasserstoffgebläses und/oder aufgrund hoher geforderter elektrischer Leistungen und der damit verbundenen erhöhten Abwärme kann das Wasserstoffgebläse dennoch überhitzen. Die elektrische Leistung steigt, wenn a) die Stickstoffkonzentration steigt, b) flüssige Wasser rezirkuliert wird, c) größere Mengen an Anodengas rezirkuliert werden und/oder d) die Strahlpumpe weniger zur Rezirkulation beiträgt.
Im Fall eines potenziellen Überhitzens stellt das Reduzieren der Systemleistung aufgrund des Zusammenspiels von Wasserstoffgebläse und Strahlpumpe keine Lösung dar. Denn bei reduzierter Systemleistung trägt die Strahlpumpe weniger zur Rezirkulation bei als bei voller Leistung, so dass das Wasserstoffgebläse die verminderte Leistung der Strahlpumpe kompensieren muss. Zudem kann in der Regel die Systemleistung eines Brennstoffzellensystems nicht frei gewählt werden.
Die Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Überhitzen eines elektrisch betriebenen Wasserstoffgebläses, das in einem Brennstoffzellensystem zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eingesetzt wird, möglichst effektiv zu verhindern. Auf diese Weise soll eine Steigerung der Lebensdauer eines Wasserstoffgebläses erreicht werden.
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.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem aus einem Brennstoffzellenstapel austretendes Anodengas über einen Anodenkreis mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten, elektrisch betriebenen Wasserstoffgebläses rezirkuliert wird und bei dem durch gezieltes Öffnen eines in den Anodenkreis integrierten Purgeventils mit Stickstoff angereichertes Anodengas von Zeit zu Zeit ausgeleitet wird. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

- Messen der Temperatur an mindestens einer Temperaturmessstelle (6), die repräsentativ für die Temperatur des Wasserstoffgebläses (4) ist,
- Vergleichen der gemessenen Temperatur mit einem vorab definierten Schwellenwert und
- Wechseln in einen wasserstoffreicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) bei einer Überschreitung des Schwellenwerts.

Der Wechsel in einen wasserstoffreicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems hat zur Folge, dass das Anodengas leichter zu rezirkulieren ist. Das Wasserstoffgebläse wird demnach weniger stark beansprucht, so dass im Betrieb des Wasserstoffgebläses weniger Abwärme produziert wird. Auf diese Weise kann ein Überhitzen des Wasserstoffgebläses wirksam verhindert werden, ohne dass die Förderleistung des Wasserstoffgebläses und damit die Leistung des Brennstoffzellensystems reduziert werden müssen.
Um in einen wasserstoffreicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems zu wechseln, wird vorgeschlagen, durch temporäres Öffnen des Purgeventils die Wasserstoffkonzentration des Anodengases gezielt zu erhöhen. Mit Stickstoff angereichertes Anodengas wird dann über das Purgeventil ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt. Auf diese Weise kann die Wasserstoffkonzentration des Anodengas gezielt erhöht werden.
Frischer Wasserstoff wird vorzugsweise mit Hilfe eines Wasserstoffdosierventils in den Anodenkreis eingebracht. Diesem kann eine Strahlpumpe zur passiven Rezirkulation von Anodengas nachgeschaltet sein. Die mit Hilfe des Wasserstoffdosierventils eindosierte Wasserstoffmenge kann dann zum Betreiben der Strahlpumpe genutzt werden. Der Betrieb der Strahlpumpe wiederum führt zu einer Entlastung des Wasserstoffgebläses, so dass dieses weniger Abwärme produziert.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Drehzahl des Wasserstoffgebläses reduziert wird. Auch diese Maßnahme trägt zu einer Entlastung des Wasserstoffgebläses bei, so dass ein Überhitzen des Wasserstoffgebläses verhindert werden kann. Ob die Drehzahl des Wasserstoffgebläses gesenkt werden kann, hängt insbesondere vom aktuellen Systembetriebspunkt ab. Die Drehzahl kann zudem nicht beliebig reduziert werden, da eine gewisse Mindestdrehzahl erforderlich ist, um eine Wasserstoffunterversorgung zu verhindern.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Temperatur an der mindestens einen Temperaturmessstelle mit Hilfe eines Temperatursensors erfasst wird. Der Temperatursensor kann insbesondere in oder an einem Gehäuse des Wasserstoffgebläses angeordnet sein, so dass die gemessene Temperatur repräsentativ für die Temperatur des Gebläses ist.
Der Vergleich der gemessenen Temperatur mit dem vorab definierten Schwellenwert wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt, in dem der Schwellenwert hinterlegt ist. Das Steuergerät ist hierzu bevorzugt mit dem Temperatursensor in datenübertragender Weise verbunden, so dass dem Steuergerät die Messdaten des Temperatursensors zur Verfügung gestellt werden können.
Vorteilhafterweise werden das Purgeventil und/oder das Wasserstoffgebläse über das Steuergerät gesteuert. Denn ergibt der Vergleich der gemessenen Temperatur mit dem Schwellenwert, dass dieser überschritten wird, kann mit Hilfe des Steuergeräts direkt in einen wasserstoffreicheren Betrieb gewechselt werden. Beispielsweise kann das Purgeventil geöffnet werden, um die Wasserstoffkonzentration des Anodengas zu erhöhen. Ferner kann die Drehzahl des Wasserstoffgebläses reduziert werden.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann mit Hilfe des Steuergeräts die gemessene Temperatur mit einem Schwellenwert verglichen werden, der hierzu im Steuergerät hinterlegt ist. Ferner kann bei Überschreiten des Schwellenwerts mit Hilfe des Steuergeräts das Purgeventil geöffnet und/oder die Drehzahl des Wasserstoffgebläses reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Vorteile werden nachfolgen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist, und
2 ein Blockdiagramm zur Darstellung des Verfahrensablaufs.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2, der eine Kathode 2.1 und eine Anode 2.2 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist an einen Kühlkreis 11 angeschlossen, um die im Prozess anfallende Wärme abzuführen. Darüber hinaus weist der Brennstoffzellenstapel 2 elektrische Anschlüsse 12 auf, über welche die erzeugte elektrische Leistung abgegriffen wird.
Die Anode 2.2 des Brennstoffzellenstapels 2 wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 über einen Anodenkreis 3 mit Anodengas versorgt. Das Anodengas setzt sich aus frischem Wasserstoff sowie aus rezirkuliertem abgereichertem Wasserstoff zusammen. Der frische Wasserstoff wird mit Hilfe eines Wasserstoffdosierventils 10 in den Anodenkreis 3 eingebracht. Der abgereicherte Wasserstoff wird zum Einen passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe 9, zum Anderen aktiv mit Hilfe eines Wasserstoffgebläses 4 im Anodenkreis 3 rezirkuliert. Das Wasserstoffgebläse 4 wird dabei elektrisch bzw. elektromotorisch betrieben.
Im Betrieb des Wasserstoffgebläses 4 erzeugt dieses Abwärme, so dass sich das Wasserstoffgebläse 4 überhitzen kann. Die Gefahr eines Überhitzens besteht insbesondere dann, wenn hohe elektrische Leistungen gefordert sind und/oder die Umgebungstemperaturen sehr hoch sind. Um ein Überhitzen zu verhindern, kann das Brennstoffzellensystem 1 nach dem nachfolgend anhand der 2 beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.
In Schritt S1 des Verfahrens wird die Temperatur an einer vorab definierten Temperaturmessstelle 6 mit Hilfe eines Temperatursensors 7 gemessen. Bei dem in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 befinden sich die Temperaturmessstelle 6 und der Temperatursensor 7 an einem Gehäuse 13 des Wasserstoffgebläses 4, so dass die gemessene Temperatur repräsentativ für die Temperatur des Wasserstoffgebläses 4 ist. Im folgenden Schritt S2 wird die gemessene Temperatur mit einem vorab definierten Schwellenwert verglichen, der vorzugsweise in einem Steuergerät 8 des Brennstoffzellensystems 1 hinterlegt ist (siehe 1). Die Messdaten des Temperatursensors 7 werden dann an das Steuergerät 8 zur Auswertung übermittelt. Kommt das Steuergerät 8 zu dem Ergebnis, dass der Schwellenwert nicht überschritten wird (-), wird lediglich Schritt S1 wiederholt, um die Temperatur an der Temperaturmessstelle 6 zu überwachen. Ergibt der Vergleich jedoch, dass der Schwellenwert überschritten wird (+), wird in Schritt S3 des Verfahrens in einen wasserstoffreicheren Betrieb gewechselt. Hierzu wird ein in den Anodenkreis 3 integriertes Purgeventil 5 geöffnet (siehe 1), so dass abgereicherter Wasserstoff aus dem Anodenkreis 3 ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt wird. Anodengas, das eine höhere Wasserstoffkonzentration aufweist, kann leichter rezirkuliert werden, so dass das Wasserstoffgebläse 4 entlastet wird und weniger Abwärme produziert. Optional kann in einem weiteren Schritt S4 zu dem gleichen Zweck die Drehzahl des Wasserstoffgebläses 4 reduziert werden.
In Schritt S5 wird dann erneut die Temperatur an der Temperaturmessstelle 6 gemessen und in Schritt S7 mit dem Schwellenwert verglichen. Ergibt der Vergleich, dass die Temperatur noch immer zu hoch ist (+), wird weiter gepurged. Sofern die Drehzahl des Wasserstoffgebläses 4 reduziert wurde, wird dieser Betrieb beibehalten. Ergibt der Vergleich, dass die Temperatur nicht mehr zu hoch ist (-), kann in Schritt S7 das Purgeventil 5 wieder geschlossen werden. Sofern die Drehzahl des Wasserstoffgebläses 4 reduziert wurde, kann diese wieder angehoben werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), bei dem aus einem Brennstoffzellenstapel (2) austretendes Anodengas über einen Anodenkreis (3) mit Hilfe eines in den Anodenkreis (3) integrierten, elektrisch betriebenen Wasserstoffgebläses (4) rezirkuliert wird und bei dem durch gezieltes Öffnen eines in den Anodenkreis (3) integrierten Purgeventils (5) mit Stickstoff angereichertes Anodengas von Zeit zu Zeit ausgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Messen der Temperatur an mindestens einer Temperaturmessstelle (6), die repräsentativ für die Temperatur des Wasserstoffgebläses (4) ist, - Vergleichen der gemessenen Temperatur mit einem vorab definierten Schwellenwert und - Wechseln in einen wasserstoffreicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) bei einer Überschreitung des Schwellenwerts.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch temporäres Öffnen des Purgeventils (5) die Wasserstoffkonzentration des Anodengases gezielt erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Wasserstoffgebläses (4) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an der mindestens einen Temperaturmessstelle (6) mit Hilfe eines Temperatursensors (7) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der gemessenen Temperatur mit dem vorab definierten Schwellenwert mit Hilfe eines Steuergeräts (8) durchgeführt wird, in dem der Schwellenwert hinterlegt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Purgeventil (5) und/oder das Wasserstoffgebläse (4) über das Steuergerät (8) gesteuert werden.
Steuergerät (8), das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.