-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Stickstoff-Diffusionsrate mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
-
Die Erfindung kann insbesondere in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug zum Einsatz gelangen.
-
Stand der Technik
-
Wasserstoff basierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Neben Wasserstoff benötigen Brennstoffzellen Sauerstoff, um den Wasserstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser zu wandeln. Der Wasserstoff wird einer Anode, der Sauerstoff wird einer Kathode zugeführt. Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengefasst.
-
Die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems werden in der Regel überstöchiometrisch mit Wasserstoff versorgt. Um auch den Überschuss des Wasserstoffes zu nutzen, wird aus den Brennstoffzellen austretender abgereicherter Wasserstoff über einen Anodenkreis rezirkuliert. Die Rezirkulation kann passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines Gebläses realisiert werden.
-
Frischer Wasserstoff wird üblicherweise in einem Hochdrucktank bevorratet und vor dem Eindosieren in den Anodenkreis mit Hilfe eines Druckminderers auf ein mittleres Druckniveau von etwa 15 bar gebracht. Da sich rezirkuliertes Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, wird der Anodenkreis von Zeit zu Zeit gespült. Hierzu wird ein Ventil, das sogenannte Purgeventil, geöffnet und Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet. Die ausgeleitete Menge wird dann durch frischen Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt.
-
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Stickstoff-Diffusionsrate zu ermitteln, um Vorhersagen über die Anreicherung von Stickstoff in den Anodenkreis zu treffen. Hieraus kann dann bei Bedarf eine geeignete Purgestrategie abgeleitet werden.
-
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird Wasserstoff über einen Anodenkreis einer Anode eines Brennstoffzellenstapels zugeführt und rezirkuliert. Die Rezirkulation wird dabei mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Gebläses bewirkt. Das Gebläse wird durch eine Turbine angetrieben, die in einen den Anodenkreis mit einem Wasserstoff-Hochdrucktank verbindenden Wasserstoffpfad integriert ist, so dass dem Hochdrucktank entnommener Wasserstoff die Turbine antreibt.
-
Auf diese Weise kann das Anodengas passiv rezirkuliert werden. Das heißt, dass die Rezirkulation keine elektrische Energie benötigt. Demzufolge steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems.
-
Um eine ausreichende Versorgung der Anode des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff sicherzustellen, muss die von der Turbine erbrachte Leistung die Leistung des Gebläses abdecken. Die Leistung der Turbine kann dabei nach der folgenden Formel berechnet werden:
wobei η
Tu der Turbinenwirkungsgrad, c
P die spezifische Wärmekapazität des Gases bzw. des Wasserstoffs, ṁ
Wasserstoff der Wasserstoffmassenstrom, T
Tu,ein die Turbineneintrittstemperatur,
das Druckverhältnis über der Turbine und K der Isotropenexponent des Gases bzw. des Wasserstoffs ist.
-
Die Leistung des Gebläses kann nach der folgenden Formel berechnet werden:
-
Wobei η
Ge der Gebläsewirkungsgrad, ṁ
Anodengas der Anodengasmassenstrom, T
Ge,ein die Gebläseeintrittstemperatur und
das Druckverhältnis über dem Gebläse ist.
-
Damit die Turbine das Gebläse antreiben kann muss PTu = PGe sein.
-
Aus der ersten Formel zur Berechnung der Leistung der Turbine ist ersichtlich, dass nicht nur eine hohe Gastemperatur von Belang ist, sondern auch das Druckverhältnis über der Turbine. Aus diesem Grund wird mit Hilfe eines stromabwärts oder stromaufwärts der Turbine in den Wasserstoffpfad integrierten Drucksensors der Gasdruck überwacht wird.
-
Des Weiteren bevorzugt wird mit Hilfe eines in den Wasserstoffpfad integrierten Druckreglers der Gasdruck geregelt. Mit Hilfe des Druckreglers kann der Gasdruck auf das Druckniveau des Anodenkreises gebracht werden. Ferner kann mit Hilfe des Druckreglers der Gasdruck im Wasserstoffpfad so eingestellt werden, dass das Druckverhältnis über der Turbine und damit die Leistung der Turbine optimiert wird. Der Druckregler kann dabei stromabwärts oder stromaufwärts der Turbine in den Wasserstoffpfad integriert sein.
-
Mit Hilfe eines Drehzahlmessers kann die Drehzahl des Gebläses überwacht werden.
-
Die Stickstoff-Diffusionsrate im Anodenkreis kann auf vorteilhafte Weise anhand einer Zustandsänderung einer Komponente im Wasserstoffpfad ermittelt werden. Hierzu wird ein stationärer Betriebspunkt abgewartet oder erzwungen, so dass der Strom und der Druck im Anodenkreis und in einem Zuluftpfad der Kathode möglichst konstant gehalten wird.
-
Die Stellung eines Druckreglers im Wasserstoffpfad wird für eine feste Zeitdauer konstant gehalten, so dass anhand der Änderung der Drehzahl der Turbine die Stickstoff-Diffusionsrate ermittelt werden kann. Bleibt die Drehzahl der Turbine unter einem zu erwartenden Wert für die jeweilige Last, kann dies als Indiz für einen zu hohen Stickstoffanteil gesehen werden. Auf diese Weise kann von einer veränderten Drehzahl des Gebläses auf eine veränderte Gaszusammensetzung geschlossen werden.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Drehzahl der Turbine im Wasserstoffpfad für eine feste Zeitdauer konstant gehalten wird, so dass anhand der Änderung der Stellung eines Druckreglers im Wasserstoffpfad die Stickstoff-Diffusionsrate ermittelt werden kann.
-
Die feste Zeitdauer liegt vorteilhaft zwischen 1 Sekunde und 20, Sekunden, insbesondere zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden, um die Stickstoff-Diffusionsrate mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
-
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn aus der Änderung der Stickstoff-Diffusionsrate der Stickstoffanteil im Anodenkreis bestimmt wird.
-
Ist der Stickstoffanteil zu hoch, kann der Anodenkreis mit frischem Wasserstoff aus dem Hochdrucktank gespült werden. Zum Spülen wird vorzugsweise ein in den Anodenkreis integriertes Purgeventil geöffnet. Über das geöffnete Purgeventil kann dann ein Teil des mit Stickstoff angereicherten Anodengases ausgeleitet und durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt werden.
-
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode umfasst. Die Anode ist über einen Wasserstoffpfad mit Wasserstoff aus einem Wasserstoff-Hochdrucktank und über einen Anodenkreis mit rezirkuliertem Anodengas versorgbar. Zur Rezirkulation von Anodengas ist dabei in den Anodenkreis ein Gebläse integriert, das über eine im Wasserstoffpfad angeordnete Turbine antreibbar ist.
-
Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass sich die gleichen Vorteile erzielen lassen. Insbesondere kann Anodengas passiv rezirkuliert werden, und zwar über alle Lastbereiche hinweg ohne Einschränkungen. Zudem kann auf eine Strahlpumpe sowie weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Heizeinrichtung und/oder einen Druckminderer, verzichtet werden.
-
Bevorzugt ist im Wasserstoffpfad ein Drucksensor integriert. Mit Hilfe dieser Komponente kann der Gasdruck im Wasserstoffpfad überwacht werden.
-
Ferner bevorzugt ist ein Drehzahlmesser zur Überwachung der Drehzahl der Turbine vorhanden. Abhängig von der Änderung der Drehzahl der Turbine kann auf die Stickstoff-Diffusionsrate bestimmt werden und damit die Änderung des Stickstoffanteils im Anodengas bestimmt werden. Ist der Stickstoffanteil zu hoch, kann ein Teil des Anodengases ausgeleitet und durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt werden.
-
Vorteilhafterweise ist in den Anodenkreis ein Purgeventil integriert. Durch Öffnen des Purgeventils kann Anodengas ausgeleitet werden, das dann durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt wird.
-
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Anodenbereichs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
- 2 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist einen Anodenkreis 2 auf, welcher der Versorgung einer Anode 1.1 eines Brennstoffzellenstapels 1 mit Wasserstoff dient. Der Wasserstoff wird in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 1 zusammen mit Sauerstoff, der hierzu einer Kathode 1.2 des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt wird, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.
-
Der für diesen Prozess benötigte Wasserstoff wird in einem Hochdrucktank 5 gespeichert, der über einen Wasserstoffpfad 6 mit dem Anodenkreis 2 verbunden ist. Aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretender abgereicherter Wasserstoff wird über den Anodenkreis 2 rezirkuliert und erneut der Anode 1.1 zugeführt. Auf diese Weise kann der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden. Da sich das rezirkulierte Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, wird der Anodenkreis 2 von Zeit zu Zeit gespült. Hierzu wird ein in den Anodenkreis 2 integriertes Purgeventil 10 geöffnet. Die über das Purgeventil 10 ausgeleitete Menge wird durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank 5 ersetzt. Der Gasdruck im Anodenkreis 2 wird dabei mit Hilfe eines im Wasserstoffpfad 6 angeordneten Druckreglers 8 geregelt.
-
Die Rezirkulation von Anodengas wird mit Hilfe eines in den Anodenkreis 2 integrierten Gebläses 3 bewirkt. Das Gebläse 3 wird nicht wie sonst üblich elektromotorisch angetrieben, sondern mit Hilfe einer Turbine 4, die stromaufwärts des Druckreglers 8 in den Wasserstoffpfad 6 integriert und mit dem Gebläse 3 wirkverbunden ist. Die Rezirkulation kann auf diese Weise passiv bewirkt werden, ohne dass hierfür eine elektrische Leistung benötigt wird. In der Folge steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 1.
-
Die Turbine 4 wird durch den Wasserstoffmassenstrom im Wasserstoffpfad 6 angetrieben. Die Anordnung der Turbine 4 im Hochdruckbereich erweist sich dabei als Vorteil, da sich eine hohe Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck im Wasserstoffpfad 6 und dem Gasdruck im Anodenkreis 2 ergibt. Zur Überwachung des Gasdrucks im Wasserstoffpfad 6 kann in diesem ein Drucksensor 7 angeordnet sein. Ferner wird die Drehzahl der Turbine 4 mit Hilfe eines Drehzahlmessers 9 überwacht.
-
Die in der 1 dargestellte Topologie ermöglicht die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert.
-
In einem Verfahrensschritt 100 wird ein stationärer Betriebspunkt abgewartet oder erzwungen, so dass der Strom und der Druck im Anodenkreis 2 und in einem Zuluftpfad der Kathode 1.2 möglichst konstant gehalten werden.
-
In einem Verfahrensschritt 200 die Stellung des Druckreglers 8 im Wasserstoffpfad 6 für eine feste Zeitdauer konstant gehalten. Die feste Zeitdauer kann zwischen 1 Sekunde und 20 Sekunden, insbesondere zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden, liegen.
-
In einem Verfahrensschritt 300 wird die Änderung der Drehzahl der Turbine 4 über den festen Zeitraum ermittelt. Die Änderung der Drehzahl kann mit Hilfe des Drehzahlmessers 9 überwacht werden.
-
In einem Verfahrensschritt 400 wird Anhand der Änderung der Drehzahl der Turbine 4 die Stickstoff-Diffusionsrate bestimmt. Dies kann anhand von experimentell bestimmten Tabellen oder rechnerisch erfolgen. Dafür kann ein physikalisches Modell zu Grund gelegt werden, dass z.B. die Änderung des Gasmassenstroms und des Isoentropenexponenten in Abhängigkeit von der Stickstoffkonzentration berücksichtigt. Das Modell kann auch mindestens teilweise datenbasiert sein.
-
In einem weiteren optionalen Schritt, der in der 2 nicht dargestellt ist, kann aus der Änderung der Stickstoff-Diffusionsrate die Stickstoff-Konzentration im Anodenkreis 2 bestimmt werden.
-
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird im Verfahrensschritt 200 die die Drehzahl der Turbine 4 im Wasserstoffpfad 6 für eine feste Zeitdauer konstant gehalten. Die feste Zeitdauer kann zwischen 1 Sekunde und 20 Sekunden, insbesondere zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden, liegen.
-
In einem Verfahrensschritt 300 wird die Änderung der Stellung des Druckreglers 8 im Wasserstoffpfad 6 über den festen Zeitraum ermittelt.
-
In einem Verfahrensschritt 400 wird anhand der Änderung der Stellung des Druckreglers 8 im Wasserstoffpfad 6 die Stickstoff-Diffusionsrate bestimmt. Dies kann anhand von experimentell bestimmten Tabellen oder rechnerisch erfolgen. Dafür kann ein physikalisches Modell zu Grund gelegt werden, dass z.B. die Änderung des Gasmassenstroms und des Isoentropenexponenten in Abhängigkeit von der Stickstoffkonzentration berücksichtigt. Das Modell kann auch mindestens teilweise datenbasiert sein.
