DE102022209978A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit mehreren Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, die durch zwischenliegende Bipolarplatten voneinander getrennt sind, wobei zur zellselektiven Spannungsüberwachung an jeder Bipolarplatte die aktuelle elektrische Spannung bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird zur Identifikation einer drohenden Gasunterversorgung die aktuelle elektrische Spannung einer einzelnen Brennstoffzellea) mit einer über den Brennstoffzellenstapel (2) gemittelten Zellspannung und/oderb) mit ihrem individuellen Spannungsmittelwert im jeweiligen Lastpunkt verglichen wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
• Stand der Technik
• Wasserstoffbasierte 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. Als Sauerstofflieferant wird in der Regel Umgebungsluft genutzt. Der ferner benötigte Wasserstoff wird in einem Tank bevorratet und mitgeführt.
• Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden in der Praxis eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengefasst. Zur Versorgung der einzelnen Brennstoffzellen mit den benötigten Reaktionsgasen ist der Brennstoffzellenstapel von Versorgungskanälen durchzogen. Die Entsorgung der aus den Brennstoffzellen austretenden Reaktionsgase erfolgt über entsprechende Entsorgungskanäle. Je nach Strömungsführung kann dabei zwischen einem Z-Aufbau und einem U-Aufbau des Brennstoffzellenstapels unterschieden werden. Beim Z-Aufbau sind Einlass und Auslass eines jeweiligen Reaktionsgases auf unterschiedlichen Seiten des Brennstoffzellenstapels angeordnet, so dass sich eine Z-förmige Strömungsführung ergibt. Beim U-Aufbau sind Einlass und Auslass eines Reaktionsgases auf derselben Seite angeordnet, so dass der Brennstoffzellenstapel U-förmig durchströmt wird.
• Bei einem Brennstoffzellenstapel mit U-Aufbau sind häufig Lufteinlass und Luftauslass an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Die Luft strömt demnach von unten nach oben. Über die abzweigende, den einzelnen Brennstoffzellen zugeführte Menge sinkt der Volumenstrom über die Höhe des Brennstoffzellenstapels, was zu einem Druckverlust führt, der im Bereich der obersten Zelle am größten ist. Es droht somit eine Gasunterversorgung der endständigen, obersten Zelle. Da eine Gasunterversorgung mit einer Schädigung der Zelle einhergeht, gilt es diese zu vermeiden.
• Ein Maß für die Gefahr einer Gasunterversorgung ist das Verhältnis des angelieferten Reaktionsgases im Verhältnis zum Bedarf bei Strombezug. Dieses Verhältnis wird „Lambda“ bzw. „λ“ genannt. Zur Vermeidung einer Gasunterversorgung sollte Lambda den Wert 1 nicht unterschreiten. Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems kann jedoch nicht jeder Lastpunkt mit einem beliebigen Überschuss gefahren werden. Grenzen werden beispielsweise durch die Querschnitte der Gasleitungen und/oder durch die Förderleistung eines Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems auf der Luftseite des Brennstoffzellensystems gesetzt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Möglichkeiten zur Identifikation einer drohenden Gasunterversorgung aufzuzeigen. Denn dann können Gegenmaßnahmen ergriffen werden, die eine Zellschädigung verhindern.
• Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
• Offenbarung der Erfindung
• Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung umfasst, die durch zwischenliegende Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Bei dem Verfahren wird zur zellselektiven Spannungsüberwachung an jeder Bipolarplatte die aktuelle elektrische Spannung bestimmt. Erfindungsgemäß wird zur Identifikation einer drohenden Gasunterversorgung die aktuelle elektrische Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle
1. a) mit einer über den Brennstoffzellenstapel gemittelten Zellspannung und/oder
2. b) mit ihrem individuellen Spannungsmittelwert
im jeweiligen Lastpunkt verglichen.
• Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass jede Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels - bei identischer Versorgung und identischem Strombezug - eine leicht unterschiedliche Spannung aufweist. Wird dieser Spannungswert über die Zellnummer bzw. die Position der jeweiligen Zelle im Brennstoffzellenstapel aufgetragen, ergibt sich ein Muster, das einem zellselektiven „Fingerabdruck“ des Brennstoffzellenstapels entspricht. Das Muster bzw. der „Fingerabdruck“ ist in allen Betriebszuständen ähnlich. Das heißt, dass im Relativvergleich der Spannungswerte zu benachbarten Zellen stets der gleiche Anstieg bzw. Abfall erkennbar ist. Die Spannungsverteilung ist demnach mit entsprechender Transformation skalierbar bzw. auf einen neuen Lastzustand hin prognostizierbar.
• Die Fluktuation der Spannung wird nachfolgend als „Standardabweichung“ bezeichnet, wobei zwischen der „räumlichen“ und der „zeitlichen“ Standardabweichung unterschieden wird. Zur Ermittlung der räumlichen Standardabweichung wird - gemäß Schritt a) des vorgeschlagenen Verfahrens - ein zellindividueller Spannungswert in Beziehung zu einem Mittelwert über den gesamten Brennstoffzellenstapel gesetzt. Zur Ermittlung der zeitlichen Spannungsverteilung wird - gemäß Schritt b) des vorgeschlagenen Verfahrens - das Rauschen einer Brennstoffzelle gegenüber ihrem eigenen Mittelwert erfasst.
• Die Standardabweichung, und zwar sowohl die räumliche als auch die zeitliche, ist für jeden Betriebspunkt unterschiedlich. Liegt ein Betriebspunkt mit guter Gasversorgung vor, dann ist die Standardabweichung um einen Mittelwert gering. Ist die Gasversorgung schlecht, was insbesondere bei hoher Last und demzufolge großem Gasbedarf der Fall sein kann, steigt die Standardabweichung. Das vorgeschlagene Verfahren nutzt diesen Zusammenhang zur Identifikation einer drohenden Gasunterversorgung. Wird eine Gasunterversorgung erkannt, können geeignete Gegenmaßahmen zur Anhebung der Gasversorgung eingeleitet werden. Auf der Luftseite des Brennstoffzellensystems kann beispielsweise die Leistung des Luftförderungs- und Luftverdichtungssystems gesteigert werden und/oder ein Hinweis zum Wechseln des Luftfilters gegeben werden. Auf der Wasserstoffseite kann u.a. durch einen erhöhten Gasfluss der Austrag von Flüssigwasser gefördert werden.
• In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die über den Brennstoffzellenstapel gemittelte Zellspannung und/oder der individuelle Spannungsmittelwert der Brennstoffzelle für verschiedene Lastpunkte vorab ermittelt und/oder gelernt wird bzw. werden. Beispielsweise kann der zellselektive Fingerabdruck des Brennstoffzellenstapels ab Werksprüfung ermittelt und in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems hinterlegt werden. Der hinterlegte Wert kann dann fortlaufend überprüft werden.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass von der zeitlichen Fluktuation der Spannung jeder Brennstoffzelle gegenüber ihrem individuellen Spannungsmittelwert auf das Lambda einer endständigen, insbesondere einer in Gasströmungsrichtung letzten, Brennstoffzelle geschlossen wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass jede Zelle i in einem Betriebspunkt eine zeitgemittelte Zellspannung U _i aufweist, die nach der folgenden Gleichung berechnet werden kann: $${\overline{U}}_i=\frac{{\displaystyle \int {}_{t0}^{t0+\Delta t}{U}_{i,dt}}}{\Delta t}$$

  
• Die zeitliche Fluktuation bzw. Standardabweichung σ_i jeder Zelle von ihrer mittleren Zellspannung kann dann nach der folgenden Gleichung berechnet werden: $${\sigma }_i=\frac{\sqrt{{\displaystyle \int {}_{t0}^{t0+\Delta t}}{\left(U_i\left(t\right)-{\overline{U}}_i\right)}^2}}{\Delta t}$$

  
• In Versuchen konnte festgestellt werden, dass sich die zeitliche Fluktuation bzw. Standardabweichung σ_i über der Zellposition ändern kann. In dem Maße, wie die zeitliche Fluktuation der Zellspannung über der Position im Brennstoffzellenstapel größer wird, kann auf die Gasversorgung bzw. auf das Lambda der letzten Zelle rückgeschlossen werden. Die Zunahme der zellenindividuellen Standardabweichung σ_i stellt somit ein zuverlässiges Maß für die Versorgungssicherheit der in Gasströmungsrichtung letzten Zelle bezüglich ihres lokalen Lambdas dar.
• Die zellselektive Spannungsüberwachung wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt, wobei es sich insbesondere um das Steuergerät des Brennstoffzellensystems handeln kann. Über das Steuergerät kann dann eine Korrekturfunktion zum Ausregeln einer drohenden Gasunterversorgung aufgesetzt werden.
• Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Wie zuvor erwähnt, kann mit Hilfe des Steuergeräts eine Korrekturfunktion auf die zellselektive Spannungsüberwachung aufgesetzt werden, die es ermöglicht, eine drohende Gasunterversorgung zu erkennen und auszuregeln. Im Steuergerät werden hierzu vorab ermittelte und/oder gelernte Spannungswerte hinterlegt, wobei es sich vorzugsweise um mindestens eine über den Brennstoffzellenstapel gemittelte Zellspannung und/oder mindestens einen individuellen Spannungsmittelwert einer Brennstoffzelle jeweils für verschiedene Lastpunkte handelt, mit der bzw. mit dem die aktuelle elektrische Spannung einer Brennstoffzelle verglichen werden kann.
• Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Brennstoffzellensystems,
• 2 eine graphische Darstellung der Stromdichte j über dem Wert Lambda,
• 3 eine graphische Darstellung der Spannungsverteilung in einem Brennstoffzellenstapel bei Teillast,
• 4 eine graphische Darstellung der Spannungsverteilung im selben Brennstoffzellenstapel, jedoch im Leerlauf,
• 5 ein Histogramm der Spannungsverteilung in einem Brennstoffzellenstapel bei grenzlagiger Luftversorgung (Lambda gegen 1) und bei dreifachem Luftüberschuss,
• 6 eine graphische Darstellung der zeitlichen Fluktuation der Spannung einer unteren Zelle und einer oberen Zelle eines Brennstoffzellenstapels, und
• 7 eine graphische Darstellung eines errechneten Kathoden-Lambdas einer obersten Zelle gegenüber dem Anstieg der Standardabweichung über der Zellposition.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2, der kathodenseitig mit Luft und anodenseitig mit Wasserstoff versorgt wird. Die Luft wird der Umgebung entnommen und mit Hilfe eines in einen Zuluftpfad 3 integrierten Luftverdichters 4 verdichtet. Die verdichtete Luft wird anschließend über einen ebenfalls in den Zuluftpfad 3 integrierten Befeuchter 5 befeuchtet. Aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende feuchte Abluft wird über einen Abluftpfad 6 abgeführt. Der Wasserstoff wird in einem Tank 7 bevorratet und mit Hilfe eines Wasserstoffdosierventils 8 in einen Anodenkreis 9 eingeleitet. In den Anodenkreis 9 ist ein Rezirkulationsgebläse 10 integriert, mit dessen Hilfe aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretendes Anodengas, das noch Wasserstoff enthält, rezirkuliert wird.
• Der Brennstoffzellenstapel 2 weist für jedes Reaktionsgas einen Einlass 11 und einen Auslass 12 auf. Da Einlass 11 und Auslass 12 eines Reaktionsgases jeweils auf derselben Seite angeordnet sind, wird der Brennstoffzellenstapel 2 von dem jeweiligen Reaktionsgas U-förmig durchströmt. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist demnach einen U-Aufbau auf. Der Einlass 11 und der Auslass 12 für die Luft befinden sich an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels 2, so dass die Luft von unten nach oben geführt wird. Über die Höhe des Brennstoffzellenstapels 2 sinkt der Volumenstrom aufgrund der abgezweigten Mengen. Damit einher geht ein Druckverlust, der zu einer Gasunterversorgung der endständigen, obersten Brennstoffzelle führen kann, da diese in Gasströmungsrichtung als letzte mit Luft versorgt wird. Da eine Gasunterversorgung zu einer Schädigung der Zelle führt, gilt es diese zu vermeiden.
• Die Sauerstoffmenge im Verhältnis zur bezogenen Strommenge wird durch den Wert Lambda bzw. λ angegeben. Lambda sollte stets einen Wert größer 1 einnehmen, um eine Gasunterversorgung zu vermeiden. Das heißt, dass der Brennstoffzellenstapel mit einem Luftüberschuss betrieben wird. Gleiches gilt analog für den Wasserstoff auf der Anodenseite.
• Nicht jeder Lastpunkt kann jedoch mit einem beliebigen Überschuss an Luft gefahren werden. Limitierend kann sich dabei insbesondere die Leistung des Luftverdichters 4 auswirken.
• In der 2 ist beispielhaft der Zusammenhang zwischen der Stromdichte j und dem kathodenseitigen Lambda dargestellt. Zu einer angeforderten Stromdichte j gehört eine brennstoffzellentypische Spannung U, die der sogenannten „Polkurve“ entnommen werden kann. Die Stromdichte j und die Spannung U ergeben die Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels.
• Das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Identifikation einer drohenden Gasunterversorgung, beispielsweise einer drohenden Luftunterversorgung, so dass durch Einleiten geeigneter Gegenmaßnahmen eine Zellschädigung vermieden wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass jeder Brennstoffzellenstapel eine für ihn charakteristische Spannungsverteilung aufweist. Diese zeigt sich in einem Muster, das über alle Betriebsbereiche ähnlich ist. Typische Spannungsverteilungen eines Brennstoffzellenstapels bei unterschiedlichen Lastpunkten sind beispielhaft den 3 und 4 zu entnehmen, wobei die 3 die Spannungsverteilung bei Teillast zeigt, die 4 die Spannungsverteilung im Leerlauf zeigt. Auf der x-Achse ist jeweils die Zellposition (1, 2, 3, ...) und auf der Y-Achse ist jeweils der Wert der elektrischen Spannung in Volt aufgetragen. Je geringer die Last ist, desto größer ist die Spannung. Das Muster der Spannungsverteilung bleibt dabei im Wesentlichen gleich. Das Muster stellt somit einen zellselektiven Fingerabdruck des Brennstoffzellenstapels dar.
• Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Muster der Spannungsverteilung in einem Steuergerät hinterlegt. Ferner wird für jede Zelle eine betriebspunktabhängige Standardabweichung definiert. Wie beispielhaft dem Histogramm der 5 zu entnehmen ist, wird die Streuung um einen Mittelwert größer, wenn der Gasüberschuss - hier der Luftüberschuss - kleiner wird. Je geringer demnach das Angebot an Luft ist, desto größer ist die Standardabweichung.
• Die Standardabweichung einer jeden Brennstoffzelle kann räumlich sowie zeitlich ermittelt werden. Sowohl die räumliche als auch die zeitliche Standardabweichung stellen jeweils einen Indikator für eine etwaige Gasunterversorgung dar. Bei Verwendung der räumlichen Standardabweichung wird die individuelle Zellspannung in einem bestimmten Betriebszustand der mittlere Zellspannung im Brennstoffzellenstapel gegenübergestellt. Bei der zeitlichen Standardabweichung wird die aktuelle Spannung einer jeden Zelle jeweils mit ihrem individuellen Spannungsmittelwert verglichen.
• Der 6 kann entnommen werden, dass je nach Position der Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel die zeitliche Fluktuation variiert (A = untere Zelle, B =obere Zelle). Die x-Achse zeigt die Abweichung der Zellspannung von ihrem jeweiligen Mittelwert in einem betrachteten Zeitraum Δt, wobei Δt einen Wert von 10 Sekunden oder 3 Minuten annehmen kann. Die y-Achse zeigt den Anteil im betrachteten Zeitraum. Von der zeitlichen Fluktuation der Zellspannung über der Position im Brennstoffzellenstapel kann somit auf Gasversorgung der in Gasströmungsrichtung letzten Zelle geschlossen werden. Die Zunahme der zellindividuellen Fluktuation bzw. Standardabweichung stellt dabei ein Maß für die Versorgungssicherheit der in Gasströmungsrichtung letzten Zelle bezüglich ihres Kathoden-Lambdas dar.
• In der 7 ist beispielhaft ein aus einem globalen Kathoden-Lambda errechnetes Kathoden-Lambda einer obersten und damit letzten Zelle doppeltlogarithmisch aufgetragen, und zwar gegen den Anstieg der zellindividuellen Spannungs-Standardabweichung über der Position der Zelle. Die auf der x-Achse angegebene Größe „flucfac“ ist das Standardabweichungsinkrement pro Zellnummerinkrement und hat demzufolge die Einheit Volt/1. Bei Fokussierung auf höhere Lastpunkte ist eine deutliche Korrelation erkennbar.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit mehreren Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, die durch zwischenliegende Bipolarplatten voneinander getrennt sind, wobei zur zellselektiven Spannungsüberwachung an jeder Bipolarplatte die aktuelle elektrische Spannung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Identifikation einer drohenden Gasunterversorgung die aktuelle elektrische Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle a) mit einer über den Brennstoffzellenstapel (2) gemittelten Zellspannung und/oder b) mit ihrem individuellen Spannungsmittelwert im jeweiligen Lastpunkt verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Brennstoffzellenstapel (2) gemittelte Zellspannung und/oder der individuelle Spannungsmittelwert der Brennstoffzelle für verschiedene Lastpunkte vorab ermittelt und/oder gelernt wird bzw. werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der zeitlichen Fluktuation der Spannung jeder Brennstoffzelle gegenüber ihrem individuellen Spannungsmittelwert auf das Lambda einer endständigen, insbesondere einer in Gasströmungsrichtung letzten, Brennstoffzelle geschlossen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zellselektive Spannungsüberwachung mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt wird und über das Steuergerät eine Korrekturfunktion zum Ausregeln einer drohenden Gasunterversorgung aufgesetzt wird.
5. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.

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