DE102022211768A1 - Method for operating a fuel cell system, control unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der über einen Anodenkreis mit Wasserstoff aus einem Tank sowie mit rezirkuliertem Anodengas versorgt wird, wobei die Wasserstoffkonzentration im Anodengas mit Hilfe eines realen oder virtuellen Wasserstoffsensors überwacht und bei Bedarf durch Öffnen eines Purge- und/oder Drain-Ventils angehoben wird. Erfindungsgemäß werden die Ergebnisse des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors einer Plausibilitätsprüfung unterzogen, indem temporär die Wasserstoffkonzentration gezielt angehoben und mit der Reaktion des Wasserstoffsensors verglichen wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell stack that is supplied with hydrogen from a tank and with recirculated anode gas via an anode circuit, wherein the hydrogen concentration in the anode gas is monitored using a real or virtual hydrogen sensor and is increased if necessary by opening a purge and/or drain valve. According to the invention, the results of the real or virtual hydrogen sensor are subjected to a plausibility check by temporarily increasing the hydrogen concentration in a targeted manner and comparing it with the reaction of the hydrogen sensor. The invention further relates to a control device for carrying out steps of the method.
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 zur Ausführung des Verfahrens oder einzelner Verfahrenssch ritte.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with the features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a control device for carrying out the method or individual method steps.
Stand der TechnikState of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Der Wasserstoff wird einer Anode, der Sauerstoff einer Kathode der Brennstoffzellen zugeführt. Als Sauerstofflieferant dient üblicherweise Luft. Um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, werden in der praktischen Anwendung mehrere Brennstoffzellen gestapelt und zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten Stack, verbunden.Hydrogen-based fuel cells convert hydrogen and oxygen into electrical energy, heat and water. The hydrogen is fed to an anode and the oxygen to a cathode of the fuel cells. Air is usually used as the oxygen supplier. In order to increase the electrical voltage generated, in practical applications several fuel cells are stacked and connected to form a fuel cell stack, the so-called stack.
Die als Sauerstofflieferant dienende Luft wird dem Brennstoffzellenstapel über ein Luftsystem zur Verfügung gestellt. Die Versorgung mit Wasserstoff erfolgt über einen Anodenkreis. Über diesen wird dem Brennstoffzellenstapel reiner Wasserstoff aus einem Tank sowie aus den Brennstoffzellen austretendes und rezirkuliertes Anodengas zugeführt, da dieses noch unverbrauchten Wasserstoff enthält. Die Rezirkulation kann dabei passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines Gebläses bewirkt werden.The air that serves as an oxygen supplier is made available to the fuel cell stack via an air system. The hydrogen is supplied via an anode circuit. This supplies the fuel cell stack with pure hydrogen from a tank as well as anode gas that escapes from the fuel cells and is recirculated, as this still contains unused hydrogen. Recirculation can be achieved passively using a jet pump and/or actively using a blower.
Zum Zuführen von reinem Wasserstoff aus dem Tank ist ein Wasserstoffdosierventil vorgesehen, das insbesondere als Proportionalventil ausgeführt sein kann. Durch entsprechende Ansteuerung des Wasserstoffdosierventils kann der Druck im Anodenkreis systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck eingeregelt werden. Der Druck im Anodenkreis wird hierzu mit Hilfe eines Drucksensors überwacht.A hydrogen dosing valve is provided for supplying pure hydrogen from the tank, which can be designed as a proportional valve. By controlling the hydrogen dosing valve accordingly, the pressure in the anode circuit can be regulated to a defined target pressure depending on the system operating point. The pressure in the anode circuit is monitored using a pressure sensor.
Im Betrieb eines Brennstoffzellenstapels ändert sich über die Zeit die Zusammensetzung des rezirkulierten Anodengases, da Wasserstoff verbraucht wird und sich das rezirkulierte Anodengas mit Wasser und Stickstoff anreichert. Bei dem Wasser handelt es sich um Produktwasser, das als flüssiges Wasser und/oder als Wasserdampf vorliegen kann. Mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Wasserabscheiders kann flüssiges Wasser separiert und in einem Behälter gesammelt werden. Ist der Behälter voll, wird er durch Öffnen eines Ventils, dem sogenannten Drain-Ventil, geleert. Der Stickstoff gelangt durch Diffusionsprozesse von der Kathodenseite auf die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Da Stickstoff für Brennstoffzellen ein Inertgas darstellt, das die Zellspannung und damit die Stackspannung reduziert, wird zur Vermeidung von Wirkungsgradeinbußen der Anodenkreis von Zeit zu Zeit mit reinem Wasserstoff aus dem Tank gespült. Hierzu wird anodenseitig ein weiteres Ventil, das sogenannte Purge-Ventil, geöffnet. Die Purge-Funktion kann auch in das Drain-Ventil integriert sein, so dass ggf. ein separates Purge-Ventil zum Spülen des Anodenkreises entfällt.When a fuel cell stack is in operation, the composition of the recirculated anode gas changes over time as hydrogen is consumed and the recirculated anode gas becomes enriched with water and nitrogen. The water is product water, which can be in the form of liquid water and/or water vapor. With the help of a water separator integrated into the anode circuit, liquid water can be separated and collected in a container. When the container is full, it is emptied by opening a valve, the so-called drain valve. The nitrogen passes from the cathode side to the anode side of the fuel cell stack through diffusion processes. Since nitrogen is an inert gas for fuel cells, which reduces the cell voltage and thus the stack voltage, the anode circuit is flushed from time to time with pure hydrogen from the tank to avoid a loss of efficiency. To do this, another valve, the so-called purge valve, is opened on the anode side. The purge function can also be integrated into the drain valve, so that a separate purge valve for flushing the anode circuit may not be necessary.
Mit jedem Spülvorgang geht auch unverbrauchter bzw. unverstromter Wasserstoff verloren. Zur Einsparung von Wasserstoff sollte daher das Spülen auf das notwendige Maß beschränkt werden. Dies erfordert die Kenntnis der aktuellen Zusammensetzung des Anodengases, insbesondere der Wasserstoffkonzentration im Anodengas. Diese kann mit Hilfe eines speziellen Wasserstoffsensors erfasst werden. Alternativ kann die Wasserstoffkonzentration mit Hilfe eines virtuellen Sensors ermittelt werden, der basierend auf anderen Systemgrößen, wie beispielsweise dem Anodendruck, der Leistungsaufnahme des Gebläses und/oder dessen Drehzahl die Wasserstoffkonzentration berechnet.With each purging process, unused or unconverted hydrogen is also lost. To save hydrogen, purging should therefore be limited to the necessary amount. This requires knowledge of the current composition of the anode gas, in particular the hydrogen concentration in the anode gas. This can be recorded using a special hydrogen sensor. Alternatively, the hydrogen concentration can be determined using a virtual sensor that calculates the hydrogen concentration based on other system variables, such as the anode pressure, the power consumption of the fan and/or its speed.
Sowohl der reale Sensor als auch der virtuelle Sensor können ausfallen bzw. in einem Fehlerfall zu fehlerhaften Ergebnissen führen, so dass zu oft gespült und zu hohe Mengen an Wasserstoff verloren gehen oder zu selten gespült wird und es aufgrund eines zu hohen Stickstoffanteils zu Wirkungsgradbußen kommt. Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, beides zu vermeiden.Both the real sensor and the virtual sensor can fail or, in the event of a fault, lead to incorrect results, so that purging occurs too often and too high amounts of hydrogen are lost, or purging occurs too rarely and efficiency is lost due to too high a nitrogen content. The present invention is concerned with the task of avoiding both.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims. In addition, a control device for carrying out steps of the method is specified.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der über einen Anodenkreis mit Wasserstoff aus einem Tank sowie mit rezirkuliertem Anodengas versorgt wird, wobei die Wasserstoffkonzentration im Anodengas mit Hilfe eines realen oder virtuellen Wasserstoffsensors überwacht und bei Bedarf durch Öffnen eines Purge- und/oder Drain-Ventils angehoben wird. Erfindungsgemäß werden die Ergebnisse des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors einer Plausibilitätsprüfung unterzogen, indem temporär die Wasserstoffkonzentration gezielt angehoben und mit der Reaktion des Wasserstoffsensors verglichen wird.A method is proposed for operating a fuel cell system with a fuel cell stack that is supplied with hydrogen from a tank and with recirculated anode gas via an anode circuit, wherein the hydrogen concentration in the anode gas is monitored using a real or virtual hydrogen sensor and, if necessary, increased by opening a purge and/or drain valve. According to the invention, the results of the real or virtual hydrogen sensor are subjected to a plausibility check by temporarily increasing the hydrogen concentration in a targeted manner and comparing it with the reaction of the hydrogen sensor.
Tritt keine Reaktion oder erst verspätet eine Reaktion ein, ist dies ein Indiz für einen nicht aktiven bzw. nicht korrekt arbeitenden Wasserstoffsensor. In diesem Fall kann der Sensor ausgetauscht oder neu kalibriert werden. Im Fall eines virtuellen Sensors kann der Softwarefehler behoben werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die mit Hilfe des Wasserstoffsensors ermittelte Wasserstoffkonzentration der tatsächlichen Menge entspricht, so dass auf Basis dieser Information das Purge- und/oder Drainventil angesteuert werden kann.If there is no reaction or a reaction occurs only after a delay, this is an indication of a non-active or incorrectly functioning hydrogen sensor. In this case, the sensor can be replaced or recalibrated. In the case of a virtual sensor, the software error can be corrected. This ensures that the hydrogen concentration determined using the hydrogen sensor corresponds to the actual amount, so that the purge and/or drain valve can be controlled on the basis of this information.
Um die Wasserstoffkonzentration temporär gezielt anzuheben, wird bzw. werden das Purge- und/oder Drainventil geöffnet, so dass Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff aus dem Tank ersetzt wird. Sofern das Purgeventil als separates Ventil ausgeführt ist, genügt das Öffnen des Purgeventils. Alternativ oder ergänzend kann das Drainventil geöffnet und so lange offengehalten werden, bis kein Wasser mehr, sondern Anodengas über das Drainventil ausgeleitet wird. Gleiches gilt im Falle eines kombinierten Purge- /Drainventils, über das erst Wasser und dann Anodengas ausgeleitet wird.In order to temporarily increase the hydrogen concentration in a targeted manner, the purge and/or drain valve is opened so that anode gas is discharged from the anode circuit and replaced by fresh hydrogen from the tank. If the purge valve is designed as a separate valve, opening the purge valve is sufficient. Alternatively or additionally, the drain valve can be opened and kept open until no more water is discharged through the drain valve, but rather anode gas. The same applies in the case of a combined purge/drain valve, through which water and then anode gas are discharged.
Bevorzugt ist die theoretische Reaktionszeit des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors bekannt und wird als Referenzwert für den Vergleich herangezogen. Preferably, the theoretical response time of the real or virtual hydrogen sensor is known and is used as a reference value for comparison.
Ist die theoretische Reaktionszeit nicht bekannt, kann bei der Plausibilitätsprüfung anhand des bekannten Systemdesigns abgeschätzt werden, wann spätestens eine Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors zu erwarten ist. Dieser Zeitpunkt kann dann mit dem tatsächlichen Eintritt der Reaktion verglichen werden.If the theoretical reaction time is not known, the plausibility check can be used to estimate the latest time when a reaction from the real or virtual hydrogen sensor can be expected based on the known system design. This time can then be compared with the actual occurrence of the reaction.
Das Systemdesign wird demnach als bekannt vorausgesetzt. Aus dem bekannten Systemdesign können für die Plausibilitätsprüfung relevante Parameter abgeleitet werden. Diese können einzeln oder in Kombination bei der Plausibilitätsprüfung Berücksichtigung finden.The system design is therefore assumed to be known. Relevant parameters for the plausibility check can be derived from the known system design. These can be taken into account individually or in combination in the plausibility check.
Durch das Systemdesign ist der Durchfluss durch das Purge- und/oder Drainventil vorgegeben. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass bei der Plausibilitätsprüfung die Durchflusskennlinie des Purge- und/oder Drainventils berücksichtigt wird. Diese kann vorab ermittelt und in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems abgelegt werden.The flow through the purge and/or drain valve is predetermined by the system design. In a further development of the invention, it is therefore proposed that the flow characteristic of the purge and/or drain valve be taken into account in the plausibility check. This can be determined in advance and stored in a control unit of the fuel cell system.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass bei der Plausibilitätsprüfung der Massenstrom durch das Purge- und/oder Drainventil berücksichtigt wird. Der tatsächliche Massenstrom kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems einfach ermittelt werden. Beispielsweise kann zur Ermittlung des Massenstroms durch das Purge- und/oder Drainventil der Druck stromaufwärts und stromabwärts des Purge- und/oder Drainventils erfasst werden.Alternatively or additionally, it is proposed that the mass flow through the purge and/or drain valve be taken into account in the plausibility check. The actual mass flow can be easily determined during operation of the fuel cell system. For example, to determine the mass flow through the purge and/or drain valve, the pressure upstream and downstream of the purge and/or drain valve can be recorded.
Ferner bevorzugt wird bei der Plausibilitätsprüfung das Gasvolumen des Anodenkreises berücksichtigt. Das Gasvolumen ist ebenfalls durch das Systemdesign vorgegeben. Je größer das Gasvolumen ist desto mehr Zeit wird zum Anheben der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis benötigt.Furthermore, the gas volume of the anode circuit is preferably taken into account in the plausibility check. The gas volume is also specified by the system design. The larger the gas volume, the more time is required to increase the hydrogen concentration in the anode circuit.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei der Plausibilitätsprüfung der maximale Füllstand und damit die maximale Wassermenge in einem Behälter eines in den Anodenkreis integrierten Wasserabscheiders berücksichtigt wird. Diese Information kann dazu genutzt werden, den Zeitpunkt zu ermitteln, wann spätestens Anodengas über das Purge- und/oder Drainventil den Behälter verlässt und somit frischer Wasserstoff aus dem Tank nachdosiert werden muss.It is also proposed that the maximum fill level and thus the maximum amount of water in a container of a water separator integrated into the anode circuit be taken into account in the plausibility check. This information can be used to determine the latest time at which anode gas leaves the container via the purge and/or drain valve and fresh hydrogen must therefore be added from the tank.
Die vorgeschlagene Plausibilitätsprüfung wird vorzugsweise beim Starten des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Beispielsweise kann nach jedem Startvorgang, den das Brennstoffzellensystem einleitet, eine Plausibilitätsprüfung vorgenommen werden, um zu prüfen, ob die Sensorfunktion weiterhin gegeben ist. Ein etwaiger Fehler im Betrieb des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors kann somit rechtzeitig entdeckt und behoben werden.The proposed plausibility check is preferably carried out when the fuel cell system is started. For example, a plausibility check can be carried out after each start-up process initiated by the fuel cell system to check whether the sensor function is still present. Any error in the operation of the real or virtual hydrogen sensor can thus be discovered and remedied in good time.
Weiterhin vorzugsweise wird bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt. In diesem Fall kann geprüft werden, ob der der reale Wasserstoffsensor ggf. eingefroren ist.Furthermore, a plausibility check is preferably carried out during a cold start of the fuel cell system. In this case, it can be checked whether the real hydrogen sensor is frozen.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Plausibilitätsprüfung nach einer Entleerung eines Behälters eines in den Anodenkreis integrierten Wasserabscheiders durchgeführt wird. Dies gilt insbesondere nach einer Entleerung eines zuvor vollständig gefüllten Behälters, so dass bei der Entleerung gro-ße Mengen an Wasser aus dem Behälter ausgeleitet werden müssen. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Plausibilitätsprüfung kann dann geprüft werden, ob die Funktion des realen Wasserstoffsensors durch anhaftende Wassertropfen beeinträchtigt wird.Alternatively or in addition, it is proposed that the plausibility check be carried out after emptying a container of a water separator integrated into the anode circuit. This applies in particular after emptying a previously completely filled container, so that large quantities of water must be drained from the container during emptying. The proposed plausibility check can then be used to check whether the function of the real hydrogen sensor is impaired by adhering water droplets.
Im Übrigen kann auch zu anderen Zeitpunkten im Betrieb des Brennstoffzellensystems ein „Alive Check“ des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors nach dem vorgeschlagenen Verfahren durchgeführt werden.Furthermore, an “alive check” of the real or virtual hydrogen sensor can also be carried out at other times during operation of the fuel cell system according to the proposed method.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts kann bzw. können das Purge- und/oder Drainventil gezielt angesteuert bzw. geöffnet werden, um temporär die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis anzuheben, um eine Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors zu erzwingen. Tritt die erwartete Reaktion nicht oder verspätet ein, kann dies als Indiz für einen Defekt bzw. eine fehlerhafte Funktion des Wasserstoffsensors gesehen werden. Im Steuergerät kann hierzu eine theoretische Reaktionszeit hinterlegt sein, die als Referenzwert für einen Vergleich herangezogen wird.In addition, a control device is proposed which is designed to carry out steps of a method according to the invention. With the help of the control device, the Purge and/or drain valves can be specifically controlled or opened to temporarily increase the hydrogen concentration in the anode circuit in order to force a reaction from the real or virtual hydrogen sensor. If the expected reaction does not occur or occurs late, this can be seen as an indication of a defect or faulty function of the hydrogen sensor. A theoretical reaction time can be stored in the control unit for this purpose, which is used as a reference value for comparison.
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