DE102022211441A1 - Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems (100) mit mindestens einem Stack (101), aufweisend:
- Einleiten eines Trocknungsvorganges in dem Brennstoffzellensystem (100),
- Einregeln mindestens eines Betriebsparameters in mindestens einem Funktionssystem (1, 2, 3, 4) des Brennstoffzellensystems (100) auf ein konstantes Niveau,
- Überwachen mindestens einer Temperatur, insbesondere mindestens einer Auslasstemperatur (TCathOut, TAnodOut, TCoolOut) aus dem mindestens einen Stack (101) des Brennstoffzellensystems (100), in mindestens einem Funktionssystem (1, 2, 3, 4) des Brennstoffzellensystems (100),
- Bestimmen von mindestens einem charakteristischen Parameter (gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod) für den Trocknungsvorgang in Abhängigkeit von der mindestens einen Temperatur,
- Überwachen des mindestens einen charakteristischen Parameters (gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod) auf Überschreiten eines Schwellenwerts (gTLimCath, TDiffLimCath, gTDiffLimCath, gTLimAnod, TDiffLimAnod, gTDiffLimAnod),
- Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes (tdryEnd) zum Beenden des Trocknungsvorganges in Abhängigkeit von dem Überwachen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
• Stand der Technik
• Bei Fahrzeugen, sog. Brennstoffzellenfahrzeugen, bei denen die Antriebsenergie u.a. durch ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Brennstoff, Wasserstoff benutzt, um in der Brennstoffzelle zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack zusammengeführt werden. Herausfordernd ist bei den mobilen Brennstoffzellensystemen der Start des Systems bei allen weltweit relevanten Bedingungen und bei unterschiedlich langen Stillstandszeiten der Fahrzeuge:
• - funktional zu realisieren und
• - dabei die Lebenszeitanforderungen an das System zu erreichen.
• Bei sog. Gefrierstarts ist u.a. das Ziel im Fokus, den Stack möglichst schnell aus der Gefrierzone (Temperatur > 0°C) zu bringen, damit entstehendes Wasser an kritischen Stellen im Stack nicht einfriert. Bei einem fehlerhaften Gefrierstart können sowohl der Stack massiv irreversible Schäden nehmen als auch das System nicht startfähig sein, d.h. das Fahrzeug muss in diesem Fehlerfall möglichst schnell in eine „warme“ Umgebung gebracht werden. Wichtig ist es zumeist, wie viel Wasser der Stack vor dem Start bzw. beim Beginn des Starts enthält. Dieses Maß an Wasser soll vorteilhafterweise innerhalb eines Toleranzbandes liegen, damit der Stack einerseits das beim Start anfallende Wasser noch in seine speicherfähigen Komponenten (wie z. B. Membran, Gasdiffusionslage, etc.) einlagern kann, ohne Blockaden durch gefrierendes Wasser zu bekommen. Andererseits soll der Stack auch nicht komplett getrocknet werden, sodass keine Protonenleitfähigkeit der Membran möglich ist und die Membran durch zu trockene Zustände geschädigt wird. Somit sind den Starts vorgelagerte Zustände und Betriebsarten essentiell wichtig, um bereits vorbereitende Maßnahmen für den Wiederstart sicherzustellen, wie z. B.:
• - Trocknungsverfahren des Stacks beim Abstellen des Systems, und/oder
• - Purge-Vorgang im Stillstand des Systems.
• Die Trocknung des Kathodenpfades kann bspw. mittels eines Luftverdichtungssystems (zum „Ausblasen“ des Stacks) für eine definierte Zeit durchgeführt werden.
• Offenbarung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
• Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Stack, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems.
• Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
• - Einleiten eines Trocknungsvorganges in dem Brennstoffzellensystem, bspw. durch Einschalten des Luftverdichtungssystems zum Ausblasen eines Kathodensystems (umfassend einen Kathodenpfad durch den Stack) und/oder eines Anodensystems bzw. (umfassend einen Anodenpfad durch den Stack) des Brennstoffzellensystems,
• - Einregeln mindestens eines Betriebsparameters in mindestens einem Funktionssystem des Brennstoffzellensystems auf ein konstantes Niveau bzw. auf einen konstanten Wert,
• - Überwachen mindestens einer Temperatur, insbesondere mindestens einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack des Brennstoffzellensystems, in mindestens einem Funktionssystem, vorzugsweise in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem und ggf. in einem Kühlsystem, des Brennstoffzellensystems,
• - Bestimmen von mindestens einem charakteristischen Parameter für den Trocknungsvorgang in Abhängigkeit von der mindestens einen Temperatur,
• - Überwachen des mindestens einen charakteristischen Parameters auf Überschreiten eines Schwellenwerts,
• - Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges in Abhängigkeit von dem Überwachen,
und insbesondere Beenden des Trocknungsvorganges zum bestimmten Abschlusszeitpunkt.
• Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgen.
• Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, insbesondere brennstoffangetriebenen Fahrzeugen, verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann als Hauptenergielieferant für ein Fahrzeug dienen. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung ein Nebenantrieb und/oder Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, sein kann. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann zudem für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, verwendet werden.
• Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann dabei einen oder mehrere Stacks mit jeweils mehreren gestapelten Brennstoffzellen und den dazugehörigen Funktionssystemen aufweisen, umfassend: Mediensysteme (Luft- bzw. Kathodensystem, Brennstoff- bzw. Anodensystem, Kühlsystem) sowie ein elektrisches System. Vorzugsweise kann das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung mehrere Module in Form von einzelnen Stacks mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen umfassen.
• Das mindestens eine Funktionssystem im Sinne der Erfindung kann mindestens ein Mediensystem umfassen, bspw. ein Luft- bzw. Kathodensystem, ein Brennstoff- bzw. Anodensystem und/oder ein Kühlsystem) und/oder ein elektrisches System umfassen.
• Einlass kann ebenfalls als ein Eingang bezeichnet werden. Auslass kann ebenfalls als ein Ausgang bezeichnet werden.
• Die Erfindung schlägt vor, den Trocknungsvorgang des Brennstoffzellensystems optimiert zu steuern und insbesondere in einem passenden Zeitfenster zu beenden, damit folgende Vorteile erreicht werden können, vorzugsweise sodass:
• - der Stack nicht zu feucht abgestellt wird, wodurch Probleme bei einem Kalt- und/oder Gefrierstart reduziert bis gar vermieden werden können, die die Gefahr der Degradation, Schädigung und/oder Fehlfunktionen von Systemkomponenten mit sich bringen können,
• - die Membran des Stacks nicht zu trocken wird, wodurch die Gefahr der Degradation der Membran, bspw. durch Schrumpfung und/oder Ausdünnung der Membran, Brennstoff-Diffusion von Anode nach Kathode, Brennstoff-Konzentrationserhöhung in der Kathode und/oder unnötiger Brennstoff-Verbrauch reduziert bis gar vermieden werden können,
• - das Abstellen des Brennstoffzellensystems nicht zu lange dauert, d.h. zeitoptimiert erfolgt, wodurch eine Optimierung der Postdrive-Zeit und eine Reduktion von unerwünschten Schwingungen, sog. NVH, beim Abstellen des Systems erzielt werden können.
• Die Erfindungsidee liegt dabei darin, die Dauer des Trocknungsvorganges anhand von
• - Temperaturgradienten (nach der Zeit) in einem Anodenpfad, insbesondere am Stack-Auslass, und/oder Temperaturdifferenz zwischen einer Kühlmitteltemperatur und einer Auslasstemperatur aus dem Anodenpfad und/oder
• - Temperaturgradienten (nach der Zeit) in einem Kathodenpfad, insbesondere am Stack-Auslass, und/oder Temperaturdifferenz zwischen einer Kühlmitteltemperatur und einer Auslasstemperatur aus dem Kathodenpfad
zu steuern.
• Die Erfindung erkennt, dass bei einem Trocknungsvorgang der Anodenpfad und/oder der Kathodenpfad beginnend von der Einlassseite in die Richtung zu der Auslassseite durchgetrocknet werden. Die Verdampfungsenthalpie des auszutragenden Wassers führt dazu, dass die Gastemperatur im Anodenpfad und/oder im Kathodenpfad beim Trocknen zunächst abnimmt und sich beim anschließenden Durchströmen des Stacks wieder an die Kühlmitteltemperatur annähert. Mit fortschreitender Trocknung wandert die Front des gesättigten Gases in die Richtung des Stack-Auslasses. Dadurch verkürzt sich die verbleibende Wegstrecke und Verweildauer des gesättigten Gases zur Anpassung an die Kühlmitteltemperatur zunehmend. Die Gasaustrittstemperaturen aus dem Anodenpfad und aus dem Kathodenpfad nehmen dadurch während der Trocknung monoton ab. Nach Abschluss der Trocknung bleiben die Gasaustrittstemperaturen konstant oder nehmen wieder zu. Das Trocknungsende kann somit anhand des Gradienten der Auslasstemperaturen (nach der Zeit) und ggf. der Temperaturdifferenz zwischen der Kühlmitteltemperatur und der Auslasstemperatur aus dem Anodenpfad und/oder aus dem Kathodenpfad detektiert werden. Steigt der Gradient der Auslasstemperatur nach Trocknungsbeginn über applizierbare Schwellwerte an und/oder steigt die Temperaturdifferenz über einen bestimmten Schwellwert an, so wird das Trocknungsende erkannt. Für die Kühlmitteltemperatur kann die Stack-Auslasstemperatur oder eine mittlere Stack-Temperatur (ermittelt aus Einlass- und Auslasstemperatur) verwendet werden.
• Vorzugsweise kann die Erfindung eine Einregelung konstanter Stack-Betriebsbedingungen in den Funktionssystemen des Brennstoffzellensystems vorsehen, umfassend:
• - ein Luftsystem bzw. Kathodensystem,
• - ein Kühlsystem,
• - ein Brennstoffsystem bzw. Anodensystem, und/oder
• - ein elektrisches System.
• Das Überwachen von Temperaturen kann umfassen:
• - die Temperatur(en), insbesondere die Auslasstemperatur(en) aus dem Kathodenpfad und/oder aus dem Anodenpfad, werden mit der Zeit erfasst und in Abhängigkeit von der Zeit als Funktion(en) bzw. Trajektorie(n) abgebildet.
• Das Bestimmen von mindestens einem charakteristischen Parameter in Abhängigkeit von der mindestens einen Temperatur in mindestens einem Funktionssystem des Brennstoffzellensystems kann umfassen:
• - Bestimmen eines Gradienten einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems nach der Zeit, und/oder
• - eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems, und/oder
• - einen Gradienten einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems nach der Zeit.
• Die Gradienten im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden nach der Zeit berechnet.
• Die Temperatur des Kühlmittels kann bspw. als eine Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack oder als eine Temperatur des Kühlmittels an einem Eingang in den mindestens einen Stack oder als eine mittlere Temperatur zwischen einer Temperatur des Kühlmittels an einem Eingang in den mindestens einen Stack und einer Temperatur des Kühlmittels an einem Ausgang aus dem mindestens einen Stack bestimmt werden.
• Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems umgedreht wird, d. h. wenn eine Temperaturdifferenz zwischen einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems und einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, dann wird das mindestens eine charakteristischen Parameter auf Unterschreiten eines korrespondierenden Schwellenwerts überwacht.
• Das Überwachen von charakteristischen Parametern kann umfassen:
• - die charakteristischen Parameter für den Trocknungsvorgang, insbesondere Temperaturgradienten (nach der Zeit) und/oder Temperaturdifferenz, werden mit der Zeit erfasst und in Abhängigkeit von der Zeit als Funktion(en) bzw. Trajektorie(n) abgebildet.
• Das Bestimmen des Abschlusszeitpunktes kann insbesondere umfassen: Gezieltes Auswählen einer passenden Dauer des aktuellen Trocknungsvorgangs in Abhängigkeit von dem Überwachen.
• Zusätzlich kann die Robustheit beim Bestimmen des Endes des Trocknungsvorganges durch weitere Maßnahmen erhöht werden:
• - Zeitüberschreitung (Timeout) wenn keine der genannten Trigger-Bedingungen erfüllt wird, z.B. aufgrund eines Sensor-Defekts,
• - Prüfung auf Plausibilisierung von Temperaturverläufen (in einem Kathodenpfad, in einem Anodenpfad, in einem Kühlmittelpfad) und von Temperaturdifferenzen (zwischen einem Kühlmittelpfad und einem Kathodenpfad, zwischen einem Kühlmittelpfad und einem Anodenpfad),
• - entsprechende Auswahl von Trigger-Bedingungen für das Ende des Trocknungsvorganges in Abhängigkeit von der Plausibilisierung,
• - Speicherung von Ergebnissen von Trocknungsvorgängen, vorzugsweise in einem nichtflüchtigen Speicher,
• - entsprechende Verwendung von Ergebnissen von Trocknungsvorgängen für nachfolgende Prozesse,
• - Diagnose Trocknungszustand für frühzeitig abgebrochene Trocknungsvorgänge (gewollt, z.B. aufgrund von „Change-of-Mind“, oder auch ungewollt, z.B. aufgrund von Fehlern), insbesondere in Abhängigkeit von Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen.
• Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Trocknungsende in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, wenn:
• - ein Gradient einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems (nach der Zeit) einen Schwellenwert überschreitet, und/oder
• - eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems einen Schwellenwert überschreitet.
• Auf diese Weise kann zuverlässig bestimmt werden, wann der Trocknungsvorgang im Kathodensystem erfolgreich beendet werden kann.
• Sollte dabei die Temperaturdifferenz umgekehrt berechnet werden, dann kann das Trocknungsende in dem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems bestimmt werden, wenn die umgekehrte Temperaturdifferenz einen korrespondierenden Schwellenwert unterschreitet.
• Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Trocknungsende in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, wenn:
• - ein Gradient einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems (nach der Zeit) einen Schwellenwert überschreitet, und/oder
• - eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems einen Schwellenwert überschreitet.
• Sollte dabei die Temperaturdifferenz umgekehrt berechnet werden, dann kann das Trocknungsende in dem Anodensystem des Brennstoffzellensystems bestimmt werden, wenn die umgekehrte Temperaturdifferenz einen korrespondierenden Schwellenwert unterschreitet.
• Auf diese Weise kann zuverlässig bestimmt werden, wann der Trocknungsvorgang im Anodensystem erfolgreich beendet werden kann.
• Beispielsweise kann ein Trocknungsende in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems dann zuverlässig bestimmt werden, wenn:
• - ein Gradient einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems (nach der Zeit) einen Schwellenwert überschreitet, und/oder
• - eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems einen Schwellenwert überschreitet.
• Beispielsweise kann ein Trocknungsende in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems dann zuverlässig bestimmt werden, wenn:
• - ein Gradient einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems (nach der Zeit) einen Schwellenwert überschreitet, und/oder
• - eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und einer Auslasstemperatur aus dem mindestens einen Stack in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems einen Schwellenwert ü bersch reitet.
• Um einen Mindesteffekt bei dem Trocknungsvorgang zu erzielen, kann vorgesehen sein, dass ein Trocknungsende in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, wenn eine Mindestdauer für den Trocknungsvorgang überschritten wurde.
• Um den Trocknungsvorgang nicht in die Länge zu ziehen, kann vorgesehen sein, dass ein Trocknungsende in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems bestimmt wird, wenn eine Maximaldauer für den Trocknungsvorgang überschritten wurde.
• Um einen passenden Abschlusszeitpunkt zum Beenden des Trocknungsvorganges in dem gesamten Brennstoffzellensystem zu einem Zeitpunkt zu bestimmen, kann vorgesehen sein, dass das jeweils spätere Ereignis als eine Abbruchbedingung beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges berücksichtigt wird:
• ein Trocknungsende in einem Kathodensystem und/oder
• ein Trocknungsende in einem Anodensystem.
• Vorteilhafterweise kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
• - Prüfen auf Plausibilisierung von Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen in unterschiedlichen Funktionssystemen des Brennstoffzel lensystems,
• - Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges in dem Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von dem Prüfen.
• Um die Robustheit für alle Bedingungen und auch im Falle von Sensor-Fehlern zu erhöhen, können die Temperaturdifferenzen und/oder die Temperaturverläufe auf Plausibilität überprüft werden und die jeweiligen Trigger-Bedingungen zum Beenden des Trocknungsvorganges ausgewählt werden, z.B. wie folgt:
• - sind alle Temperaturverläufe plausibel, dann können die Trigger-Bedingungen für Anode und Kathode verwendet werden,
• - ist der Verlauf der Temperaturen in dem Anodensystem unplausibel, dann können die Trigger-Bedingungen für das Kathodensystem verwendet werden,
• - ist der Verlauf der Temperaturen in dem Kathodensystem unplausibel, dann können die Trigger-Bedingungen für das Anodensystem verwendet werden,
• - ist der Verlauf der Temperaturen in dem Kühlmittelsystem unplausibel, dann können die Trigger-Bedingungen hinsichtlich Temperaturgradienten (nach der Zeit) für das Kathodensystem und für das Anodensystem verwendet werden, usw.
• Ferner kann es vorteilhaft sein, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
• - Aufzeichnen von Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen in unterschiedlichen Funktionssystemen des Brennstoffzellensystems,
• - Auswerten von Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen in unterschiedlichen Funktionssystemen des Brennstoffzellensystems,
• - Dokumentieren von Ergebnissen von Trocknungsvorgängen, wie z. B. Trocknungszustand und/oder Abschlusszeitpunkt, vorzugsweise in Abhängigkeit von den aufgezeichneten und/oder ausgewerteten Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen, bevorzugt in einem nichtflüchtigen Speicher,
• - Diagnostizieren von Ergebnissen von gewollt und/oder ungewollt abgebrochenen Trocknungsvorgängen, vorzugsweise in Abhängigkeit von den aufgezeichneten und/oder ausgewerteten Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen,
• - Verwenden von Ergebnissen von Trocknungsvorgängen für nachfolgende Prozesse in dem Brennstoffzellensystem.
• Der Zustand bzw. das Ergebnis des Trocknungsvorganges kann in einen nichtflüchtigen Speicher gespeichert und für nachfolgende Prozesse (z.B. für einen Gefrierstart nach einer Abstellphase) verwendet werden. Dadurch können sich die nachfolgenden Prozesse gezielt an den zuvor erzeugten Trocknungszustand adaptieren.
• Erfolgt ein Abbruch des Trocknungsvorganges (gewollt oder ungewollt), so kann auf Basis von aufgezeichneten und ausgewerteten Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen der erreichte Trocknungszustand ermittelt und abgespeichert werden. Zu der Ermittlung des erreichten Trocknungszustandes können auch frühere ausgewertete Trocknungsverläufe verwendet werden (entweder lokal gespeichert oder via Cloud/Server-Auswertung). Diese Information kann bei einem Wiederstart des Systems in die Betriebsstrategie miteinfließen.
• Weiterhin kann vorgesehen sein, dass beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau bzw. auf einen konstanten Wert eingeregelt wird:
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem Kathodensystem des Brennstoffzel lensystems,
wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Kathodensystem zumindest einen Luftmassenstrom, ein Druckniveau in einem Kathodenpfad und/oder eine Kathodeneintrittstemperatur aufweist,
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem Kühlsystem des Brennstoffzel lensystems,
wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Kühlsystem zumindest eine Temperatur eines Kühlmittels an einem Stack-Eintritt und/oder
eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen einem Stack-Eintritt und einem Stack-Austritt aufweist,
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems,
wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Anodensystem zumindest ein Druckniveau in einem Anodenpfad aufweist, und/oder
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem elektrischen System des Brennstoffzel lensystems,
wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im elektrischen System zumindest einen elektrischen Strom und/oder eine Stromdichte aufweist.
• Auf diese Weise können möglichst konstante Bedingungen am und/oder im Stack eingestellt werden, sodass die Ausgangstemperatur(en) im Kathodenpfad und/oder im Anodenpfad, insbesondere deren Ableitungen (nach der Zeit) bzw. Gradienten, bezeichnend für den Fortschritt des Trocknungsvorganges bzw. für die Restfeuchtigkeit im System sein können. Beim Trocknungsvorgang bzw. beim Ausblasen des Kathodensystems und/oder Anodensystems wird Feuchtigkeit bzw. Wassertröpfchen im Kathodenpfad und auch im Anodenpfad ausgetragen und gelangt so auch zu den Temperatursensoren stromabwärts des Stacks. Durch Verdunstung dieser Feuchtigkeit ergibt sich eine kühlende Wirkung (Verdampfungsenthalpie von Wasser liegt im relevanten Bereich bei 41 bis 45 KJ/mol), wodurch die Sensoren ein Absinken der Temperatur anzeigen. Die Temperaturen am Stack-Eingang liegen dabei über den Temperaturen am Stack-Ausgang. Das Kühlmittel kann wiederum eine höhere Temperatur als die Gastemperaturen am Stack-Ausgang aufweisen, an die sich auch die Gastemperaturen am Stack-Ausgang annähern würden, sofern sich die Eingangsbedingungen nicht oder nicht wesentlich ändern und sofern nur wenig Brennstoff oder nur vortemperierter Brennstoff in den Anodenkreislauf zudosiert wird. Zu Beginn des Trocknungsvorgangs sind die Membran, die Gasdiffusionslage, die Kanäle, bzw. die kompletten Oberflächen der Bipolarplatten gut mit Feuchtigkeit versorgt bzw. mit Wasser benetzt. Nach fortschreitender Trocknung nimmt das ungebundene und damit leicht abtransportierbare Wasser immer mehr ab. Die Gasmassenströme im Kathodenpfad und Anodenpfad führen immer weniger Wassertröpfchen aus dem Stack ab und die Feuchtigkeit stromabwärts des Stacks nimmt ab. Dadurch vermindert sich auch die Verdunstung und einhergehend nehmen auch die Temperaturgradienten (nach der Zeit) am Stack-Ausgang wieder zu. Steigen die Gradienten am Stack-Ausgang, bspw. über applizierbare Schwellenwerte, an bzw. steigen die Ausgangstemperaturen wieder an, dann ist der Trocknungsvorgang ausreichend durchgeführt. Eine weitere Trocknung würde die Membran zu stark austrocknen, ggf. zu erhöhter Degradation führen, zu einem unerwünschten Brennstofftransport von Anode zu Kathode, zu einem unnötigen Brennstoffverbrauch, zu einem unnötigen Zeitbedarf und zu unnötigen Vibrationen beim Abstellen des Systems.
• Vorteilhafterweise können beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters mindestens ein Parameter unterschiedlicher Funktionssysteme zeitgleich, zumindest teilweise zur gleichen Zeit oder nacheinander eingeregelt werden. Auf diese Weise kann die Steuerung des Trocknungsvorganges auf eine flexible Art und Weise ermöglicht werden.
• Vorzugsweise kann vor dem Einleiten des Trocknungsvorganges mindestens ein Vorbereitungsschritt durchgeführt werden, um insbesondere den mindestens einen Betriebsparameter in mindestens einem Funktionssystem des Brennstoffzellensystems auf ein gewünschtes Niveau einzustellen oder zumindest nahezubringen. Auf diese Weise können nach dem Einleiten des Trocknungsvorganges relativ schnell konstante Bedingungen im System eingestellt werden und das Verfahren zeitsparend durchgeführt werden.
• Weiterhin ist es denkbar, dass beim Durchführen des Verfahrens unterschiedliche Parametersets des mindestens einen Betriebsparameters verwendet werden, und/oder dass beim Durchführen des Verfahrens unterschiedliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters, insbesondere sequenziell, vorzugsweise mit einem transienten Übergang ohne Auswerten, verwendet werden. Auf diese Weise kann ein stufenweises Durchführen des Trocknungsvorganges ermöglicht werden, welcher schonend für den Stack ablaufen kann.
• Außerdem ist es denkbar, dass nach dem Beenden des Trocknungsvorganges zum Abschlusszeitpunkt mindestens ein weiterer Abstellvorgang durchgeführt wird, bspw. umfassend:
• - einen Bleed-Down-Vorgang und/oder
• - einen Purge-Vorgang.
Auf diese Weise kann der Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems neben dem optimierten Trocknungsvorgang mit weiteren vorteilhaften Maßnahmen kombiniert werden.
• Um das Verfahren noch weiter zu verfeinern, kann vorgesehen sein, dass neben dem Überwachen und Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur mindestens ein weiterer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems überwacht und ausgewertet wird, umfassend:
• - eine Impedanz,
• - eine elektrische Spannung des Brennstoffzellensystems, und/oder
• - eine elektrische Spannung von Einzelzellen des Brennstoffzellensystems.
Das Verfahren kann somit mit weiteren Triggern bzw. Diagnosen bzw. Überwachungsfunktionen kombiniert werden. Durch Kombination mehrerer Kriterien kann die Dauer des Trocknungsverfahrens noch robuster bestimmt werden.
• Vorteilhafterweise kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zumindest zum Teil, insbesondere zum Teil, Auswerten und/oder Bestimmen, durch eine externe Recheneinheit, insbesondere Cloud durchgeführt werden.
• Das Verfahren kann weiterhin zumindest zum Teil, umfassend Einleiten, Einregeln und/oder Überwachen, durch eine Steuereinheit des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
• Eine entsprechende Steuereinheit stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. In einer Speichereinheit der Steuereinheit kann ein Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit der Steuereinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
• Die Steuereinheit kann mit Temperatursensoren am Stack-Ausgang des Kathodensystems, des Anodensystems und/oder des Kühlsystems in einer Kommunikationsverbindung stehen, um bspw. die Auslasstemperaturen zu erfassen, bspw. aktiv abzufragen und/oder passiv zu erhalten. Die Steuereinheit kann die Aktoren in den Funktionssystemen des Brennstoffzellensystems entsprechenden ansteuern, um das Verfahren entsprechend durchzuführen.
• Außerdem kann die Steuereinheit mit einer externen Recheneinheit in einer Kommunikationsverbindung stehen, um einige Verfahrensschritte und/oder Berechnungen (bspw. beim Auswerten und/oder Bestimmen) ganz oder tlw. an die externe Recheneinheit auszulagern.
• Ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit einer korrespondierenden Steuereinheit stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. Mithilfe des Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer, wie z. B. die Recheneinheit der Steuereinheit, den Computer veranlassen, das Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Steuereinheit beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
• Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
• 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung,
• 2 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Temperaturen und Parametern bezogen auf ein Kathodensystem, und
• 3 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Temperaturen und Parametern bezogen auf ein Anodensystem.
• In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
• Die 1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack 101 zusammengefügt werden. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 zumindest vier Funktionssysteme 1, 2, 3, 4, darunter: ein Kathodensystem 1, um einen Kathodenpfad K des Stacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem 3, um einen Anodenpfad A des Stacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem 2, um den Stack 101 zu temperieren, und ein elektrisches System 4, um die erzeugte elektrische Leistung vom Stack 101 abzuführen.
• Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zum einen ein Kathodensystem 1 mit einer Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und einer Abluftleitung 12 vom Stack 101. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern.
• Die Gasfördermaschine V im Kathodensystem 1 kann in Form eines Verdichters ausgeführt sein, um die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer verdichteten Zuluft an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft aus dem System 100 wieder an die Umgebung U abgelassen.
• Wie es die 1 andeutet, kann stromabwärts nach dem Verdichter mindestens ein Zuluftkühler IC und ggf. ein nicht dargestellter Befeuchter vorgesehen sein.
• Vor und nach dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 können Absperrventile SV1, SV2 vorgesehen sein. Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein Ventil CVexh als Druckregler vorgesehen sein.
• In der Zuluftleitung 11 und/oder in der Abluftleitung 12 können auch mehrere Sensoren vorgesehen sein, wie z. B. Feuchtigkeitssensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Massen- und/oder Volumensensoren usw. Alle Sensoren sind in der 1 lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt.
• Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein. Die Bypassleitung 13 kann bspw. zur Massenstromsteuerung im Kathodensystem 1 und/oder zur Verdünnung der, ggf. wasserstoffhaltigen, Abluft von dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 genutzt werden.
• Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zum anderen ein Kühlmittelsystem 2. Das Kühlmittelsystem 2 umfasst zumeist eine Rezirkulationspumpe 21 zum Umwälzen des Kühlmittels KM und ein Dreiwegeventil 22 zum Leiten des Kühlmittels KM zum Stack 101 und/oder zu einem Kühler 23.
• Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zudem ein Anodensystem 3. Das Anodensystem 3 weist mehrere Komponenten auf. Zu den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, gehören ein Brennstofftank 31 und mindestens ein Druckregler 32. Der Druckregler 32 kann außerdem über eine Absperrfunktion verfügen. Wenn der Druckregler 32 über keine Absperrfunktion verfügt, kann ein separates Absperrventil am Eingang in den Anodenraum bzw. Anodenpfad A vorgesehen sein.
• Weitere Komponenten im Anodensystem 3 sind eine Strahlpumpe 33 und eine Rezirkulationspumpe 34. Zudem kann im Anodensystem 3 ein Purge- und/oder Drainventil 35 vorgesehen sein.
• Mithilfe der 2 und 3 wird ein Verfahren im Sinne der Erfindung beschrieben, welches zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems 100 mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems 100 dient, das bspw. wie in der 1 gezeigt ausgeführt sein kann.
• Das Verfahren weist dabei folgende Schritte auf:
• - Einleiten eines Trocknungsvorganges des Brennstoffzellensystems 100, oder mit anderen Worten Einleiten eines Ausblasens eines Kathodensystems 1, insbesondere eines Kathodenpfades K, und/oder eines Anodensystems 3, insbesondere eines Anodenpfades A, des Brennstoffzellensystems 100,
• - Einregeln mindestens eines Betriebsparameters i, ii, iii in mindestens einem Funktionssystem 1, 2, 3, 4 des Brennstoffzellensystems 100 auf ein konstantes Niveau bzw. auf einen konstanten Wert,
• - Überwachen mindestens einer Temperatur, insbesondere mindestens einer Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut, TCoolOut aus dem Stack 101, in mindestens einem Funktionssystem 1, 2, 3, 4 des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere in dem Kathodensystem 1 und/oder in dem Anodensystem 3 und vorzugsweise in dem Kühlsystem 2 des Brennstoffzellensystems 100, Bestimmen von mindestens einem charakteristischen Parameter gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod für den Trocknungsvorgang in Abhängigkeit von der mindestens einen Temperatur,
• - Überwachen des mindestens einen charakteristischen Parameters gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod auf Überschreiten eines Schwellenwerts gTLimCath, TDiffLimCath, gTDiffLimCath, gTLimAnod, TDiffLimAnod, gTDiffLimAnod,
• - Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes tdryEnd zum Beenden des Trocknungsvorganges in Abhängigkeit von dem Überwachen,
und insbesondere:
• - Beenden des Trocknungsvorganges zum bestimmten Abschlusszeitpunkt tdryEnd.
• Die Erfindung ermöglicht es somit, den Trocknungsvorgang des Brennstoffzellensystems 100 optimiert zu steuern und insbesondere zu einem passenden Abschlusszeitpunkt tdryEnd zu beenden.
• Mithilfe der Erfindung können folgende Vorteile erreicht werden, sodass:
• - der Stack 101 nicht zu feucht abgestellt wird,
was die Gefahr der Degradation, Schädigung und/oder Fehlfunktionen von Systemkomponenten reduziert und nahezu minimiert,
• - die Membran des Stacks 101 nicht zu trocken wird,
was die Gefahr der Degradation der Membran, bspw. durch Schrumpfung und/oder Ausdünnung der Membran, Brennstoff-Diffusion vom Anodenraum A zum Kathodenraum K, Brennstoff-Konzentrationserhöhung in dem Kathodenraum K und/oder unnötiger Brennstoff-Verbrauch reduziert bis gar vermeidet,
• - das Abstellen des Brennstoffzellensystems nicht länger als erforderlich dauert, d.h. zeitoptimiert erfolgt,
was eine Optimierung der Postdrive-Zeit und eine Reduktion von unerwünschten Schwingungen, sog. NVH, beim Abstellen des Systems mit sich bringt.
• Vorteilhafterweise wird die Dauer des Trocknungsvorganges anhand von Temperatur(en) im Anodensystem 3, insbesondere am Stack-Ausgang TAnodOut, und/oder von Temperatur(en) im Kathodensystem 1, insbesondere am Stack-Ausgang TCathOut gesteuert.
• Die Erfindungsidee liegt dabei darin, die Dauer des Trocknungsvorganges anhand von
• - Temperaturgradienten gTAnod in einem Anodenpfad A, insbesondere am Stack-Auslass, (nach der Zeit) und/oder Temperaturdifferenz TDiffAnod zwischen einer Kühlmitteltemperatur TCool und einer Auslasstemperatur TAnodOut aus dem Anodenpfad A und/oder
• - Temperaturgradienten gTCath in einem Kathodenpfad K, insbesondere am Stack-Auslass, (nach der Zeit) und/oder Temperaturdifferenz TDiffCath zwischen einer Kühlmitteltemperatur TCool und einer Auslasstemperatur TCathOut aus dem Kathodenpfad K
zu steuern.
• Bei einem Trocknungsvorgang wird der Anodenpfad A und/oder der Kathodenpfad K beginnend von der Einlassseite in die Richtung zu der Auslassseite durchgetrocknet. Die Verdampfungsenthalpie des auszutragenden Wassers führt dazu, dass die Gastemperatur im Anodenpfad A und/oder im Kathodenpfad K beim Trocknen zunächst abnimmt (vgl. linke Seite in 2 und 3) und sich beim anschließenden Durchströmen des Stacks 101 wieder an die Kühlmitteltemperatur TCool annähert (vgl. rechte Seite in 2 und 3). Mit fortschreitender Trocknung wandert die Front des gesättigten Gases in die Richtung des Stack-Auslasses. Dadurch verkürzt sich die verbleibende Wegstrecke und Verweildauer des gesättigten Gases zur Anpassung an die Kühlmitteltemperatur TCool zunehmend.
• Wie es die 2 und 3 verdeutlichen nehmen die Gasaustrittstemperaturen TCathOut, TAnodOut aus dem Anodenpfad A und aus dem Kathodenpfad K während der Trocknung zunächst monoton ab. Nach Abschluss der Trocknung bleiben die Gasaustrittstemperaturen TCathOut, TAnodOut konstant oder nehmen wieder zu.
• Das Trocknungsende tdryEnd, welches mit einer unterbrochenen Linie in den 2 und 3 angedeutet ist, kann somit anhand der Gradienten gTCath, gTAnod der Auslasstemperaturen TCathOut, TAnodOut (nach der Zeit t) und ggf. der Temperaturdifferenz TDiffCath, TDiffAnod zwischen der Kühlmitteltemperatur TCool und der Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut aus dem Anodenpfad A und/oder aus dem Kathodenpfad K detektiert werden.
• Steigen die Gradienten gTCath, gTAnod der Auslasstemperaturen TCathOut, TAnodOut nach dem Trocknungsbeginn über applizierbare Schwellwerte gTLimCath, gTLimAnod an (1. Trigger-Bedingung für das Ende des Trocknungsvorganges) und/oder steigt die Temperaturdifferenzen TDiffCath, TDiffAnod über einen bestimmten Schwellwert TDiffLimCath, TDiffLimAnod an (2. Trigger-Bedingung für das Ende des Trocknungsvorganges), so wird das Trocknungsende erkannt.
• Für die Kühlmitteltemperatur TCool kann die Stack-Auslasstemperatur TCoolOut, die Stack-Einlasstemperatur TCoolln oder eine mittlere Kühlmitteltemperatur (ermittelt aus der Einlasstemperatur TCoolln und der Auslasstemperatur TCoolOut des Kühlmittels KM) verwendet werden.
• In der gezeigten Messung der 2 ist veranschaulicht, wie anhand der Temperaturdifferenz TDiffCath und des Temperaturgradienten dTCath (nach der Zeit t) das Trocknungsende tdryEndCath in dem Kathodensystem 1 erkannt werden kann. In der Messung wird nach dem Trocknungsende tdryEndCath die Kühlmitteltemperatur TCool weiter abgesenkt (ab ca. 540s). Nur aus diesem Grund fällt die Kathodenaustrittstemperatur TCathOut in der Folge weiter ab.
• In der gezeigten Messung der 3 ist veranschaulicht, wie anhand der Temperaturdifferenz TDiffAnod und des Temperaturgradienten gTAnod das Trocknungsende der Anode erkannt werden kann. In der Messung wird nach dem Trocknungsende die Kühlmitteltemperatur TCool weiter abgesenkt (ab ca. 540s)
• Die oben genannten Kriterien bzw. Trigger-Bedingungen für das Ende des Trocknungsvorganges können beliebig miteinander kombiniert werden (und/oder-Kombination) oder es kann auch nur jeweils eines der Kriterien angewendet werden.
• Im Folgenden sollen die Vorzugsvarianten vorgestellt werden:
• 1. Vorzugsvariante:
• Die Trigger-Bedingungen für das Ende des Trocknungsvorganges können folgendermaßen kombiniert werden:
• - Erkennung von Trocknungsende tdryEndCath, tdryEndAnod in dem Kathodensystem 1 und in dem Anodensystem 3, wenn beide Kriterien erfüllt sind: $$\text{tdryEndCath}=\text{t}\left(\text{gTCath}>\text{gTLimCath \&\& TDiffCath}>\text{TDiffLimCath}\right),$$
  
  $$\text{tdryEndAnod}=\text{t}\left(\text{gTAnod}>\text{gTLimAnod \&\& TDiffAnod}>\text{TDiffLimAnod}\right).$$
  
• Um ein robustes Verhalten im Serienbetrieb sicherzustellen, können die Kriterien bzw. die Trigger-Bedingungen für das Ende des Trocknungsvorganges mit zusätzlichen Zeitschwellen Tmin, Tmax ergänzt werden:
• 2. Vorzugsvariante:
• Erkennung Trocknungsende tdryEndCath, tdryEndAnod in dem Anodensystem 3 und in dem Kathodensystem 1, wenn beide Trigger-Bedingungen erfüllt sind und eine Mindestdauer Tmin überschritten wurde, oder wenn eine Maximaldauer Tmax überschritten wurde: $$\begin{array}{l}\text{tdryEndCath}=[\text{t}\left(\text{gTCath}>\text{gTLimCath \&\& TDiffCath}>\text{TDiffLimCath}\right)\text{\& t}(\text{t}>\\ \text{TMinCath})]\Vert \text{t}\left(\text{t}>\text{tMaxCath}\right),\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{tdryEndAnod}=[\text{t}\left(\text{gTAnod}>\text{gTLimAnod \&\& TDiffAnod}>\text{TDiffLimAnod}\right)\text{\& t}(\text{t}>\\ \text{TMinAnod})]\Vert \text{t}\left(\text{t}>\text{tMaxAnod}\right),\end{array}$$

  
• Kombination der Trocknungsende-Zeitpunkte:
• Die Trocknung von Anodenpfad A und Kathodenpfad K können zeitgleich beendet werden. Die zeitlich spätere Unterschreitung des jeweiligen Grenzwertes dominiert dann die Abbruchbedingung: $$\text{tdryEnd}=\text{MAX}\left(\text{tdryEndAnod}\text{, tdryEndCath}\right)$$
  
• Alternative Messgrößen für das Gradienten-Kriterium könnte folgende sein.
• Alternativ zu den Gradienten gTCath, gTAnod der Auslasstemperaturen TCathOut, TAnodOut können ferner auch Gradienten gTDiffCath, gTDiffAnod (gTDiffAnod=dTDiffAnod/dt und gTDiffCath=dTDiffCath/dt) der Temperaturdifferenzen TDiffCath, TDiffAnod (ebenfalls nach der Zeit t) zwischen Kühlmitteltemperatur TCool und der jeweiligen Austrittstemperatur TCathOut, TAnodOur als Kriterium genutzt werden. Da die Temperaturdifferenz TDiffCath, TDiffAnod zwischen Kühlmittel KM und Gasaustrittstemperatur TCathOut, TAnodOut während des Trocknungsvorganges beständig zunimmt, wird der Gradient gTDiffCath, gTDiffAnod hierbei aber jeweils auf Unterschreiten einer Schwelle (gTDiffLimAnod, gTDiffLimCath) abgeprüft. Typischerweise werden gTDiffLimAnod und gTDiffLimCath mit Werten nahe 0 appliziert.
• Um die Robustheit für alle Bedingungen und auch im Falle von Sensor-Fehlern zu erhöhen, können die Temperaturdifferenzen und/oder die Temperaturverläufe auf Plausibilität überprüft werden und die jeweiligen Trigger-Bedingungen zum Beenden des Trocknungsvorganges ausgewählt werden, z.B. wie folgt:
• - sind alle Temperaturverläufe plausibel, dann können die Trigger-Bedingungen für das Anodensystem 3 und für das Kathodensystem 1 verwendet werden,
• - ist der Verlauf der Temperaturen in dem Anodensystem 3 unplausibel, dann können die Trigger-Bedingungen für das Kathodensystem 1 verwendet werden,
• - ist der Verlauf der Temperaturen in dem Kathodensystem 1 unplausibel, dann können die Trigger-Bedingungen für das Anodensystem 3 verwendet werden,
• - ist der Verlauf der Temperaturen in dem Kühlmittelsystem 2 unplausibel, dann können die Trigger-Bedingungen hinsichtlich Temperaturgradienten gTCath, gTAnod für das Kathodensystem 1 und für das Anodensystem 2 verwendet werden, usw.
• Der Zustand bzw. das Ergebnis des Trocknungsvorganges kann in einen nichtflüchtigen Speicher gespeichert und für nachfolgende Prozesse (z.B. für einen Gefrierstart nach einer Abstellphase) verwendet werden. Dadurch können sich die nachfolgenden Prozesse gezielt an den zuvor erzeugten Trocknungszustand adaptieren.
• Erfolgt ein Abbruch des Trocknungsvorganges (gewollt oder ungewollt), so kann auf Basis von aufgezeichneten und ausgewerteten Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen der erreichte Trocknungszustand ermittelt und abgespeichert werden. Zu der Ermittlung des erreichten Trocknungszustandes können auch frühere ausgewertete Trocknungsverläufe verwendet werden (entweder lokal gespeichert oder via Cloud/Server-Auswertung). Diese Information kann bei einem Wiederstart des Systems in die Betriebsstrategie miteinfließen.
• Vorzugsweise kann die Erfindung eine Einregelung konstanter Stack-Betriebsbedingungen in den Funktionssystemen 1, 2, 3, 4 des Brennstoffzellensystems 100 vorsehen, umfassend:
• - ein Kathodensystem 1,
• - ein Kühlsystem 2,
• - ein Anodensystem 3, und/oder
• - ein elektrisches System 4.
• Beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters kann mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau eingeregelt werden:
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem Kathodensystem 1 des Brennstoffzellensystems 100.
• Der mindestens eine Betriebsparameter im Kathodensystem 1 kann zumindest einen Luftmassenstrom, ein Druckniveau in einem Kathodenpfad K und/oder eine Kathodeneintrittstemperatur aufweisen.
• Beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters kann mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau eingeregelt werden:
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem Kühlsystem 2 des Brennstoffzellensystems 100.
• Der mindestens eine Betriebsparameter im Kühlsystem 2 kann zumindest eine Temperatur TCoolln eines Kühlmittels KM an einem Stack-Eintritt und/oder eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels KM zwischen einem Stack-Eintritt und einem Stack-Austritt aufweisen.
• Beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters kann mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau eingeregelt werden:
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem Anodensystem 3 des Brennstoffzellensystems 100.
• Der mindestens eine Betriebsparameter im Anodensystem 3 kann zumindest ein Druckniveau in einem Anodenpfad A aufweisen.
• Beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters kann mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau eingeregelt werden:
• - mindestens ein Betriebsparameter in einem elektrischen System 4 des Brennstoffzellensystems 100.
• Der mindestens eine Betriebsparameter im elektrischen System 4 kann zumindest einen elektrischen Strom und/oder eine Stromdichte aufweisen.
• Ein entsprechendes Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines korrespondierenden Verfahrens stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
• Eine entsprechende Steuereinheit 110 zum Durchführen eines korrespondierenden Verfahrens stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
• Ein entsprechendes Brennstoffzellensystem 100 mit einer korrespondierenden Steuereinheit 110 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
• Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems (100) mit mindestens einem Stack (101), insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems (100), vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend folgende Schritte: - Einleiten eines Trocknungsvorganges in dem Brennstoffzellensystem (100), - Einregeln mindestens eines Betriebsparameters in mindestens einem Funktionssystem (1, 2, 3, 4) des Brennstoffzellensystems (100) auf ein konstantes Niveau, - Überwachen mindestens einer Temperatur, insbesondere mindestens einer Auslasstemperatur (TCathOut, TAnodOut, TCoolOut) aus dem mindestens einen Stack (101) des Brennstoffzellensystems (100), in mindestens einem Funktionssystem (1, 2, 3, 4) des Brennstoffzellensystems (100), - Bestimmen von mindestens einem charakteristischen Parameter (gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod) für den Trocknungsvorgang in Abhängigkeit von der mindestens einen Temperatur, - Überwachen des mindestens einen charakteristischen Parameters (gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod) auf Überschreiten eines Schwellenwerts (gTLimCath, TDiffLimCath, gTDiffLimCath, gTLimAnod, TDiffLimAnod, gTDiffLimAnod), - Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes (tdryEnd) zum Beenden des Trocknungsvorganges in Abhängigkeit von dem Überwachen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine charakteristische Parameter (gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod) mindestens einen von den folgenden Parameter umfasst: - einen Gradienten (gTCath) einer Auslasstemperatur (TCathOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Kathodensystem (1) des Brennstoffzellensystems (100) nach der Zeit (t), und/oder - eine Temperaturdifferenz (TDiffCath) zwischen einer Temperatur (TCool) eines Kühlmittels (KM) in einem Kühlsystem (2) des Brennstoffzellensystems (100) und einer Auslasstemperatur (TCathOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Kathodensystem (1) des Brennstoffzellensystems (100), und/oder - einen Gradienten (gTDiffCath) einer Temperaturdifferenz (TDiffCath) zwischen einer Temperatur (TCool) eines Kühlmittels (KM) in einem Kühlsystem (2) des Brennstoffzellensystems (100) und einer Auslasstemperatur (TCathOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Kathodensystem (1) des Brennstoffzellensystems (100) nach der Zeit (t), wobei insbesondere die Temperatur (TCool) des Kühlmittels (KM) als eine Auslasstemperatur (TCoolOut) aus dem mindestens einen Stack (101) oder als eine Temperatur (TCoolln) des Kühlmittels (KM) an einem Eingang in den mindestens einen Stack (101) oder als eine mittlere Temperatur zwischen einer Temperatur (TCoolln) des Kühlmittels (KM) an einem Eingang in den mindestens einen Stack (101) und einer Temperatur (TCoolOut) des Kühlmittels (KM) an einem Ausgang aus dem mindestens einen Stack (101) bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine charakteristische Parameter (gTCath, TDiffCath, gTDiffCath, gTAnod, TDiffAnod, gTDiffAnod) mindestens einen von den folgenden Parameter umfasst: - einen Gradienten (gTAnod) einer Auslasstemperatur (TAnodOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) nach der Zeit (t), und/oder - eine Temperaturdifferenz (TDiffAnod) zwischen einer Temperatur (TCool) eines Kühlmittels (KM) in einem Kühlsystem (2) des Brennstoffzellensystems (100) und einer Auslasstemperatur (TAnodOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100), und/oder - einen Gradienten (gTDiffAnod) einer Temperaturdifferenz (TDiffAnod) zwischen einer Temperatur (TCool) eines Kühlmittels (KM) in einem Kühlsystem (2) des Brennstoffzellensystems (100) und einer Auslasstemperatur (TAnodOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) nach der Zeit (t), wobei insbesondere die Temperatur (TCool) des Kühlmittels (KM) als eine Auslasstemperatur (TCoolOut) aus dem mindestens einen Stack (101) oder als eine Temperatur (TCoolln) des Kühlmittels (KM) an einem Eingang in den mindestens einen Stack (101) oder als eine mittlere Temperatur zwischen einer Temperatur (TCoolln) des Kühlmittels (KM) an einem Eingang in den mindestens einen Stack (101) und einer Temperatur (TCoolOut) des Kühlmittels (KM) an einem Ausgang aus dem mindestens einen Stack (101) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trocknungsende (tdryEndCath) in einem Kathodensystem (1) des Brennstoffzellensystems (100) bestimmt wird, wenn: - ein Gradient (gTCath) einer Auslasstemperatur (TCathOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Kathodensystem (1) des Brennstoffzellensystems (100) einen Schwellenwert (gTLimCath) überschreitet, und/oder - eine Temperaturdifferenz (TDiffCath) zwischen einer Temperatur (TCool) eines Kühlmittels (KM) in einem Kühlsystem (2) des Brennstoffzellensystems (100) und einer Auslasstemperatur (TCathOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Kathodensystem (1) des Brennstoffzellensystems (100) einen Schwellenwert (TDiffLimCath) überschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trocknungsende (tdryEndAnod) in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) bestimmt wird, wenn: - ein Gradient (gTAnod) einer Auslasstemperatur (TAnodOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) einen Schwellenwert (gTLimAnod) überschreitet, und/oder - eine Temperaturdifferenz (TDiffAnod) zwischen einer Temperatur (TCool) eines Kühlmittels (KM) in einem Kühlsystem (2) des Brennstoffzellensystems (100) und einer Auslasstemperatur (TAnodOut) aus dem mindestens einen Stack (101) in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) einen Schwellenwert (TDiffLimAnod) überschreitet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trocknungsende (tdryEndCath, tdryEndAnod) in einem Kathodensystem (1) und/oder in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) bestimmt wird, wenn eine Mindestdauer (TminCath, TminAnod) für den Trocknungsvorgang überschritten wurde.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trocknungsende (tdryEndCath, tdryEndAnod) in einem Kathodensystem (1) und/oder in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) bestimmt wird, wenn eine Maximaldauer (TmaxCath, TmaxAnod) für den Trocknungsvorgang überschritten wurde.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschlusszeitpunkt (tdryEnd) zum Beenden des Trocknungsvorganges in dem Brennstoffzellensystem (100) zu einem Zeitpunkt bestimmt wird, wenn ein Trocknungsende (tdryEndCath) in einem Kathodensystem (1) und ein Trocknungsende (tdryEndAnod) in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100) bestimmt wurde.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: - Prüfen auf Plausibilisierung von Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen in unterschiedlichen Funktionssystemen (1, 2, 3, 4) des Brennstoffzellensystems (100), - Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes (tdryEnd) zum Beenden des Trocknungsvorganges in dem Brennstoffzellensystem (100) in Abhängigkeit von dem Prüfen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: - Aufzeichnen von Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen in unterschiedlichen Funktionssystemen (1, 2, 3, 4) des Brennstoffzellensystems (100), - Auswerten von Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen in unterschiedlichen Funktionssystemen (1, 2, 3, 4) des Brennstoffzellensystems (100), - Dokumentieren von Ergebnissen von Trocknungsvorgängen, wie z. B. Trocknungszustand und/oder Abschlusszeitpunkt (tdryEnd), vorzugsweise in Abhängigkeit von den aufgezeichneten und/oder ausgewerteten Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen, bevorzugt in einem nichtflüchtigen Speicher, - Diagnostizieren von Ergebnissen von gewollt und/oder ungewollt abgebrochenen Trocknungsvorgängen, vorzugsweise in Abhängigkeit von den aufgezeichneten und/oder ausgewerteten Temperaturverläufen und/oder Temperaturdifferenzen, - Verwenden von Ergebnissen von Trocknungsvorgängen für nachfolgende Prozesse in dem Brennstoffzellensystem (100).
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau eingeregelt wird: - mindestens ein Betriebsparameter in einem Kathodensystem (1) des Brennstoffzellensystems (100), wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Kathodensystem (1) zumindest einen Luftmassenstrom, ein Druckniveau in einem Kathodenpfad und/oder eine Kathodeneintrittstemperatur aufweist, - mindestens ein Betriebsparameter in einem Kühlsystem (2) des Brennstoffzellensystems (100), wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Kühlsystem (2) zumindest eine Temperatur (TCoolln) eines Kühlmittels (KM) an einem Stack-Eintritt und/oder eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels (KM) zwischen einem Stack-Eintritt und einem Stack-Austritt aufweist, - mindestens ein Betriebsparameter in einem Anodensystem (3) des Brennstoffzellensystems (100), wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Anodensystem (3) zumindest ein Druckniveau in einem Anodenpfad aufweist, und/oder - mindestens ein Betriebsparameter in einem elektrischen System (4) des Brennstoffzellensystems (100), wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im elektrischen System (4) zumindest einen elektrischen Strom und/oder eine Stromdichte aufweist.
12. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
13. Steuereinheit (110), aufweisend eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, und eine Recheneinheit, wobei beim Ausführen des Codes durch die Recheneinheit, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt wird.
14. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend eine Steuereinheit (110) nach dem vorhergehenden Anspruch.

Images