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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Stand der Technik
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In einem Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems wird mittels eines Abscheidungsventils, einem sogenannten „Purge-Ventil“, eine Zusammensetzung von in dem Anodensubsystem zirkulierendem Anodengases reguliert, indem regelmäßig Anodengas an eine Umgebung abgeschieden wird.
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Das Anodengas umfasst in der Regel Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf, sodass eine homogene und ausreichende Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems unter der Voraussetzung, dass eine maximal
erlaubte Wasserstoffkonzentration in der Umgebung nicht überschritten wird, gewährleistet ist.
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Eine Prüfung dahingehend, dass die maximal erlaubte Wasserstoffkonzentration in der Umgebung nicht überschritten wird, erfolgt mittels eines Wasserstoffkonzentrationssensors, der einen Gasmix aus Anodengas und notwendigem Verdünnungsgas, welches das Brennstoffzellensystem verlässt, kontinuierlich hinsichtlich seiner Wasserstoffkonzentration misst.
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Insbesondere ist somit bei jedem Ausleiten von Anodengas aus dem geschlossenen Anodensubsystem ein Anstieg der Wasserstoffkonzentration in einem durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Sensorsignal zu erwarten.
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Auskondensierendes Flüssigwasser wird im Wasserabscheider des Anodensubsystems aufgefangen und über ein Ablassventil, d.h. einem sogenannten „Drain-Ventil“ aus dem Brennstoffzellensystem abgelassen.
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Es ist während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems darauf zu achten, einen Flüssigwasseranteil, der nicht im Wasserabscheider abgeschieden bzw. gesammelt werden kann auf ein Minimum zu reduzieren bzw. einen minimal erforderlichen Wasserabscheidewirkungsgrad beizubehalten, um Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems nicht zu schädigen. Dazu muss das Ablassventil in Abhängigkeit einer im Wasserabscheider anfallenden Wassermasse gesteuert werden. Dabei muss vermieden werden, dass Wasser den Wasserabscheider bspw. aufgrund eines zu hohen Füllungsgrades verlässt und in das dem Wasserabscheider stromabwärts montierte Abscheidungsventil zur Anodengasregulierung mit Wasser verstopft.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie bereitgestellt.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, ein Abscheidungsventil, das zum Abscheiden von Anodengas aus dem Anodensubsystem konfiguriert ist, einen Wasserstoffkonzentrationssensor, der zum Erfassen einer Wasserstoffkonzentration in einem durch das Abscheidungsventil ausgeschiedenen Anodengas konfiguriert ist, einen Wasserabscheider, der dazu konfiguriert ist, in dem Anodensubsystem auskondensierendes Flüssigwasser aufzufangen, ein Ablassventil das zum Ablassen von Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider konfiguriert ist und eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, durch den Wasserstoffkonzentrationssensor in Reaktion auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelte Messwerte mit einem Ablassschwellenwert abzugleichen und für den Fall, dass die Messwerte kleiner sind als der Ablassschwellenwert, das Ablassventil zu aktivieren.
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Unter durch den Wasserstoffkonzentrationssensor in Reaktion auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelten Messwerten sind im Kontext der vorgestellten Erfindung Messwerte zu verstehen, die nach einer Aktivierung des Abscheidungsventils, bspw. direkt bei der Aktivierung oder in einem vorgegebenen Zeitbereich nach der Aktivierung ermittelt wurden. Dabei können die Messwerte als Extremwerte und/oder Mittelwerte weiterverarbeitet werden.
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Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf dem Prinzip, dass Messsignale eines Wasserstoffkonzentrationssensors zum Messen einer Wasserstoffkonzentration in einem durch ein Abscheidungsventil eines Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems ausgeschiedenen Anodengases dazu verwendet werden, auskondensierende Flüssigwassertropfen zu detektieren, die aufgrund eines vollständig gefüllten, überlaufenden oder schlecht abscheidenden Wasserabscheiders nicht mehr aus dem Anodengas abgeschieden werden können und die zu einer unzulässig hohen Menge an Flüssigwassereintrag in den Brennstoffzellenstapel führen und diesen schädigen können. Um einem Zustand, in dem auskondensierende Flüssigwassertropfen nicht mehr aus dem Anodengas abgeschieden werden können, entgegenzuwirken, ist vorgesehen, dass ein Ablassventil des Wasserabscheiders geöffnet wird, sodass der Wasserabscheider entleert und ein Abscheiden auskondensierende Flüssigwassertropfen aus dem Anodengas ermöglicht wird.
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Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wird kontinuierlich Wasser im Wasserabscheider aus dem Anodengas abgeschieden. Da ein Auffangvolumen des Wasserabscheiders jedoch endlich ist, muss der Wasserabscheider in regelmäßigen
Abständen mittels einer Steuerungslogik über das Ablassventil entleert werden. Solange der Wasserabscheider über ausreichend Kapazität zur Aufnahme von Flüssigwasser verfügt, kann sämtliches Wasser abgeschieden werden und die Funktion des Abscheidungsventils zum Ausleiten von Anodengas ist nicht beeinträchtigt.
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Ist das Auffangvolumen des Wasserabscheiders vollständig gefüllt und es erfolgt keine Entleerung mittels des Ablassventils, tritt Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider aus und strömt in eine Rezirkulationspumpe des Brennstoffzellensystems, die auch das
Abscheidungsventil enthält, ein. Das ankommende Wasser wird zum Teil in einem kleinen Volumen am Abscheidungsventil gesammelt und bildet hier eine Trennschicht zwischen vorbeiströmendem Anodengas und dem Abscheidungsventil. Wird nun das Abscheidungsventil geöffnet fließt das gesammelte Wasser durch das Abscheidungsventil und verhindert den gewünschten Austritt von Anodengas. Entsprechend misst der Wasserstoffkonzentrationssensor in Abhängigkeit der Höhe der Wassertrennschicht am Abscheidungsventil an der Wasserstoffkonzentrationsmessstelle zunächst einen verzögerten und geringeren Anstieg bis hin zu schließlich gar keinem Anstieg.
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Insbesondere sitzt der Wasserstoffkonzentrationssensor auf einer Abgasseite eines Luftsystems des Brennstoffzellensystems an einer Stelle, an der Anodengas eingeleitet wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, einen vorgegebenen Anteil eines in Reaktion auf eine vorangegangene Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelten Ausschlags in einem durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Messsignal als Ablassschwellenwert zu bestimmen.
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Durch einen relativ zu bereits ermittelten Messwerten bestimmten Ablassschwellenwert werden spezifische Eigenschaften eines jeweiligen Brennstoffzellensystems bei der Aktivierung des Ablassventils berücksichtigt, da diese sowohl auf dem Ablassschwellenwert als auch auf die ermittelten Messwerte wirken.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, einen vorgegebenen Anteil eines Mittelwerts einer Vielzahl in Reaktion auf eine vorangegangene Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelten Ausschläge in einem durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Messsignal als Ablassschwellenwert zu bestimmen.
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Um eine sukzessive Veränderung eines sich in Reaktion auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils verändernden Messsignals abzubilden bzw. bei der Aktivierung des Ablassventils zu berücksichtigen eignet sich ein entsprechend gebildeter Ablassschwellenwert, der auf einer Vielzahl von Aktivierungen des Ablassventils basiert.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Ablassschwellenwert dynamisch wiederholt beim Betrieb des Brennstoffzellensystems zu bestimmen.
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Durch eine wiederholte Bestimmung des Ablassschwellenwerts wird dieser dynamisch an aktuelle Betriebsbedingungen bzw. aktuelle Eigenschaften des Brennstoffzellensystems angepasst, sodass eine ungewollte Aktivierung des Ablassventils vermieden wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Vielzahl von in Reaktion auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils erfasster Messwerte zu ermitteln und das Ablassventil zusätzlich zu einer Vorsteuerung des Ablassventils dann zu aktivieren, wenn in Reaktion auf eine jeweilige Aktivierung des Abscheidungsventils erfasste Ausschläge kontinuierlich abnehmen und in Reaktion auf eine letzte Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelte Messwerte kleiner sind als der Ablassschwellenwert.
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Durch eine Berücksichtigung eines zeitlichen Verlaufs von in Reaktion auf verschiedene Aktivierungen des Abscheidungsventils erfasster Ausschläge im Messsignal des Wasserstoffkonzentrationssensors kann eine sich graduelle an dem Abscheidungsventil aufbauende Wasserschicht mathematisch erfasst werden, sodass das Aktivierungssignal zum Aktivieren des Ablassventils entsprechend plausibilisiert und eine ungewollte Aktivierung des Ablassventils verhindert wird.
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Ferner unterliegt das Abscheidungsventil einer regulären Ansteuerung, der eine Vorsteuerung zu Grunde liegt. Es kann jedoch sein, dass die Vorsteuerung fehlerhaft ist, so dass durch eine Aktivierung des Abscheidungsventils unter Auswertung der Ausschläge der Wasserstoffkonzentrationsmesswerte das Abscheidungsventil auch im Fehlerfall der Vorsteuerung zu öffnen ist.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Fehlermeldung die einen Überlauf des Wasserabscheiders meldet, auf einer Ausgabeeinheit auszugeben, wenn in Reaktion auf eine letzte Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelte Messwerte kleiner sind als der Ablassschwellenwert.
Um bspw. einem Nutzer oder einem Drittsystem einen Zustand zu signalisieren, in dem ein Überlaufen des Wasserabscheiders erkannt und das Ablassventil aktiviert wird, eignet sich eine Fehlermeldung, die auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige oder einem Speicher ausgegeben wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Bren nstoffzel lensystems.
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Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Abgleichen von durch den Wasserstoffkonzentrationssensor in Reaktion auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelten Messwerten mit einem Ablassschwellenwert und das Aktivieren des Ablassventils für den Fall, dass die Messwerte kleiner sind als der Ablassschwellenwert.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Ablassschwellenwert vorgegeben ist.
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Ein vorgegebener Ablassschwellenwert stellt eine fest definierte Grenze dar, ab der das Ablassventil aktiviert wird, sodass zusätzlicher Flüssigkeitseintrag in das Brennstoffzellensystem zuverlässig verhindert wird. Dabei kann der Ablassschwellenwert bspw. zwischen 25% und 75% eines in einer Versuchsanordnung ermittelten durchschnittlichen Signalantwort auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelten Ausschlags liegen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Ablassschwellenwert als vorgegebener Anteil eines in Reaktion auf eine vorangegangene Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelten Ausschlags in einem durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Messsignal bestimmt wird.
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Eine Bestimmung des Ablassschwellenwerts in Reaktion auf eine vorangegangene Aktivierung des Abscheidungsventils ermittelten Ausschlags führt zu einem dynamisch an jeweilige Betriebsbedingungen und Eigenschaften des jeweiligen Brennstoffzellensystems angepassten Ablassschwellenwert, sodass eine ungewollte bzw. falsch positive Aktivierung des Ablassventils verhindert wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens,
- 3 eine Detaildarstellung des Betriebsverfahrens gemäß 2.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101 mit einem Anodensubsystem 103, ein Abscheidungsventil 105, das zum Abscheiden von Anodengas aus dem Anodensubsystem 103 konfiguriert ist, einen Wasserstoffkonzentrationssensor 107, der zum Erfassen einer Wasserstoffkonzentration in einem durch das Abscheidungsventil 105 ausgeschiedenen Anodengas konfiguriert ist, einen Wasserabscheider 109, der dazu konfiguriert ist, in dem Anodensubsystem 103 auskondensierendes Flüssigwasser aufzufangen bzw. abzuscheiden, ein Ablassventil 111 das zum Ablassen von Flüssigwasser aus dem Wasserabscheider 109 konfiguriert ist und eine Recheneinheit 113.
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Die Recheneinheit 113 ist dazu konfiguriert, durch den Wasserstoffkonzentrationssensor 107 in Reaktion auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils 105 ermittelte Messwerte mit einem Ablassschwellenwert abzugleichen und für den Fall, dass die Messwerte kleiner sind als der Ablassschwellenwert, das Ablassventil 111 zu aktivieren, wie es bspw. in 3 im Detail dargestellt ist.
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In 2 ist ein Betriebsverfahren 200 zum Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß 1 dargestellt.
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Das Betriebsverfahren 200 umfasst einen Abgleichschritt 201, bei dem durch den Wasserstoffkonzentrationssensor 107 in Reaktion auf eine Aktivierung des Abscheidungsventils 105 ermittelten Messwerten mit einem Ablassschwellenwert abgeglichen werden und einen Aktivierungsschritt 203, bei dem das Ablassventil 111 für den Fall aktiviert wird, dass die Messwerte kleiner sind als der Ablassschwellenwert.
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In 3 sind drei Diagramme 301, 303 und 305 dargestellt, die sich jeweils auf ihrer Abszisse über eine gleiche Zeitlinie erstrecken.
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Das erste Diagramm 301 erstreckt sich auf seiner Ordinate über eine Prozentskala, die eine durch den Wasserstoffsensor 107 gemessene Wasserstoffkonzentration abbildet. Entsprechend entspricht ein Verlauf 307 einem durch den Wasserstoffsensor 107 gemessenen Messsignal.
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Das zweite Diagramm 303 erstreckt sich auf seiner Ordinate über zwei diskrete Zustände, nämlich geschlossen und geöffnet. Hier bildet ein Verlauf 309 eine Aktivität bzw. eine Stellung des Ablassventils 111 ab.
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Das dritte Diagramm erstreckt sich auf seiner Ordinate über zwei diskrete Zustände, nämlich geschlossen und geöffnet. Hier bildet ein Verlauf 311 eine Aktivität bzw. eine Stellung des Abscheidungsventils 105 ab.
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Beim Vergleich der Verläufe 307, 309 und 311 wird ersichtlich, dass Ausschläge des Verlaufs 307, die in Reaktion auf Ausschläge des Verlaufs 311 erfolgen, zunächst, ausgehend von einem Zeitpunkt T0 sukzessive abnehmen und schließlich ganz verschwinden, da das Abscheidungsventil zunehmend durch in dem Anodensubsystem 103 anreicherndes Wasser blockiert wird. Entsprechend sinkt zu einem Zeitpunkt T1 ein Ablassschwellenwert von 0,3 % und wird erstmals unterschritten, sodass das Ablassventil 111 aktiviert werden könnte.
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Um eine falsch positive Aktivierung auszuschließen wird der Ablassschwellenwert auf Grundlage einer Vielzahl von Signalantworten auf Aktivierungen des Abscheidungsventils 105 ermittelt, sodass der Ablassschwellenwert zu einem Zeitpunkt T2 unterschritten wird und das Ablassventil 111 zu einem Zeitpunkt T3 aktiviert wird.
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Durch die Aktivierung des Ablassventils 111 wird das Wasser aus dem Wasserabscheider 109 abgelassen, sodass dieser in dem Anodensubsystem 103 anfallendes Flüssigwasser wieder abscheiden und die Blockade des Abscheidungsventils 105 auflösen kann. Entsprechend nehmen die Signalantworten des Verlaufs 307 nach der Aktivierung des Ablassventils 105 wieder zu.
