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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.
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Stand der Technik
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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.
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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, der einem Tank entnommen wird, sowie aus den Brennstoffzellen austretendes, 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.
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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.
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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. Mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Wasserabscheiders kann das 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, der durch Diffusionsprozesse von der Kathodenseite auf die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels gelangt, stellt für Brennstoffzellen ein Inertgas dar, das die Zellspannung und damit die Stackspannung reduziert. Zur Vermeidung von Wirkungsgradeinbußen wird daher 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 entfallen kann.
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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.
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Sowohl der reale Sensor als auch der virtuelle Sensor können ausfallen bzw. in einem Fehlerfall zu falschen 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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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. Der Gasdruck im Anodenkreis wird dabei mit Hilfe eines Wasserstoffdosierventils systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck eingeregelt und die Wasserstoffkonzentration im Anodengas wird mit Hilfe eines realen oder virtuellen Wasserstoffsensors überwacht und bei Bedarf durch Öffnen eines Purge- und/oder Drain-Ventils angehoben. Erfindungsgemäß werden im Normalbetrieb oder in einem Prüfbetrieb die Ergebnisse des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors geprüft, indem die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis durch Öffnen des Purge- und/oder Drain-Ventils temporär angehoben und eine Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors erzwungen wird, wobei zuvor durch Messen des Gasdrucks stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils sichergestellt wird, dass der Gaspfad, über den das Anodengas ausgeleitet wird, frei ist.
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Beim Ausleiten von Anodengas aus dem Anodenkreis wird die ausgeleitete Menge durch frischen Wasserstoff aus dem Tank ersetzt, somit steigt der Wasserstoffmassenstrom stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils. Zugleich stellt sich stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils ein Druckabfall ein, der mit Hilfe eines stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils angeordneten Drucksensors erfasst werden kann. Dies setzt jedoch voraus, dass tatsächlich Anodengas aus dem Anodenreis ausgeleitet wird bzw. der Gaspfad, über den ausgeleitet wird, frei ist. Ist dies der Fall und bleibt dennoch eine Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors aus, ist dieser nicht funktionsfähig.
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Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können demnach Fehler bei der Messung der Wasserstoffkonzentration im Anodengas aufgrund eines nicht funktionsfähigen realen oder virtuellen Wasserstoffsensors detektiert und ggf. beseitigt werden. In Kenntnis der genauen Wasserstoffkonzentration kann dann eine geeignete Spülstrategie gewählt werden, so dass weder zu oft noch zu wenig gespült wird.
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Der Gaspfad, über den beim Spülen Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet wird, führt vorzugsweise über einen Kathodenabluftpfad, über den die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Luft bzw. Abluft abgeführt wird. Mit Hilfe der Luft bzw. Abluft kann dann das ausgeleitete, noch wasserstoffhaltige Anodengas verdünnt werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich keine gefährlichen Ansammlungen von Wasserstoff bilden können.
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Da die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Luft bzw. Abluft feucht ist, kann es bei tiefen Außentemperaturen zur Eisbildung im Kathodenabluftpfad kommen, so dass der Gaspfad zum Ausleiten von Anodengas blockiert ist. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Druckmessung stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils beim Spülen des Anodenkreises kann dies vorab festgestellt bzw. ausgeschlossen werden. Das Signal des Drucksensors wird demnach bei der vorgeschlagenen Plausibilitätsprüfung als korrelierende Größe eingesetzt.
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Der stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils angeordnete Drucksensor ist vorzugsweise ein Mitteldrucksensor. Das heißt, dass zwischen dem Drucksensor und dem Tank ein Hochdruckwasserstoffregler angeordnet ist, um den im Tank herrschenden Hochdruck auf Mitteldruck zu senken.
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Nach der Plausibilitätsprüfung wird vorzugsweise das Purge- und/oder Drain-Ventil wieder geschlossen und durch Messen des Gasdrucks stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils das Schließen des Purge- und/oder Drain-Ventils verifiziert. Denn nur, wenn das Purge- und/oder Drain-Ventil sicher geschlossen ist, steigt der Druck stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils. Mit Hilfe des Signals des Drucksensors, vorzugsweise Mitteldrucksensors, kann demnach festgestellt werden, ob der Anodenkreis vom Gaspfad wieder getrennt ist, so dass kein Anodengas mehr aus dem Anodenkreis ausgeleitet wird.
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Weiterhin vorzugsweise wird nach dem Schließen des Purge- und/oder Drain-Ventils eine erneute Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors durchgeführt, indem beobachtet wird, ob eine erwartbare Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors eintritt. Da vorab durch Messen des Drucks stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils sichergestellt worden ist, dass kein Gas mehr aus dem Anodenkreis ausgeleitet wird, sollte das Messergebnis des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors sinken. Denn durch Diffusionsprozesse reichert sich das Anodengas mit Stickstoff an, so dass die Wasserstoffkonzentration über die Zeit sinkt. Zudem kann eine Anreicherung mit Stickstoff erfolgen aufgrund von nachgefördertem Schlechtgas aus dem Tank. Bleibt die zu erwartende Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors aus, kann wiederum auf ein Problem mit dem realen oder virtuellen Wasserstoffsensors geschlossen werden.
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Die erwartbaren Reaktionen des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors werden vorzugsweise vorab ermittelt und gespeichert, so dass sie als Referenzwerte zur Verfügung stehen. Weiterhin vorzugsweise werden die vorab ermittelten erwartbaren Reaktionen des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors in einem Steuergerät abgelegt. Der Vergleich einer tatsächlichen Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors mit der zu erwartenden Reaktion kann dann mit Hilfe des Steuergeräts durchgeführt werden. Führt der Vergleich zu dem Ergebnis, dass die Reaktion nicht der zu erwartenden Reaktion entspricht, kann ein Fehlersignal ausgegeben werden.
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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 die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis temporär anzuheben und 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. Als korrelierende Größe kann dem Steuergerät das Signal des Drucksensors stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils zur Verfügung gestellt werden, so dass im Fehlerfall der Fehler sicher dem realen oder virtuellen Wasserstoffsensor zuzuschreiben ist.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in Form mehrerer Diagramme a) den Sollzustand eines Purge-Ventils, b) den Istzustand eines Purge-Ventils, c) das Signal eines Mitteldrucksensors und d) das Signal eines Wasserstoffsensors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der in der Figur dargestellten Diagramme a) bis d) wird schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse eines realen oder virtuellen Wasserstoffsensors im Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems beschrieben.
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Die Plausibilitätsprüfung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit Hilfe eines Mitteldrucksensors realisiert, der anodenseitig stromaufwärts eines Wasserstoffdosierventils angeordnet ist, das der Regelung des Gasdrucks im Anodenkreis dient. Über das Wasserstoffdosierventil wird die Menge an Wasserstoff bereitgestellt, die für die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen benötigt wird. Ferner wird die Menge an Anodengas ersetzt, die bei einem Spülvorgang aus dem Anodenkreis ausgeleitet wird, um den Gasdruck im Anodenkreis aufrechtzuerhalten. Beim Spülen des Anodenkreises wird mit Stickstoff angereichertes Anodengas über ein geöffnetes Purge- und/oder Drain-Ventil aus dem Anodenkreis ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff aus einem Tank ersetzt. In der Folge steigt die Wasserstoffkonzentration im Anodengas, was durch den realen oder virtuellen Wasserstoffsensor angezeigt wird, sofern dieser funktionsfähig ist bzw. „alive“ ist. Ob dies der Fall ist, kann mit Hilfe einer Plausibilitätsprüfung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüft werden.
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Für die Plausibilitätsprüfung wird zunächst das Purge- und/oder Drainventil angesteuert, um dieses zu öffnen. Die Regelung der Ansteuerung des Purge- und/oder Drain-Ventils ist im Diagramm a) dargestellt. Über den in der Figur dargestellten Zeitraum wird das Purge- und/oder Drainventil insgesamt zweimal angesteuert, doch nur beim ersten Mal kommt es zu einem realen Öffnen des Purge- und/oder Drain-Ventils (siehe Diagramm b)). Das Nicht-Öffnen des Purge- und/oder Drain-Ventils steht vorliegend stellvertretend für einen nicht freien Gaspfad, so dass hierüber kein Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet werden kann. Der Gaspfad kann beispielsweise durch Eisbildung oder - sofern die Gasausleitung über ein Drainventil erfolgt - durch Restwasser im Wasserabscheider blockiert sein.
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Öffnet das Purge- und/oder Drainventil bzw. ist der Gaspfad frei, bricht der Druck im Mitteldruckpfad stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils mit steigendem Wasserstoffmassenstrom ein. Dieser Druckabfall wird von dem Mitteldrucksensor erfasst und als Signal an ein Steuergerät geleitet. Das Diagramm c) zeigt beispielhaft einen entsprechenden Signalverlauf. Wird das Purge- und/oder Drain-Ventil wieder geschlossen, steigt auch der Druck im Mitteldruckpfad wieder an (siehe Diagramm c)). Zu einem Druckabfall im Mitteldruckpfad kommt es jedoch nur dann, wenn das Purge- und/oder Drain-Ventil auch tatsächlich geöffnet bzw. der Gaspfad frei ist (siehe Diagramm c)).
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Während des Druckabfalls im Mitteldruckpfad steigt die Wasserstoffkonzentration im Anodengas an, da die ausgeleitete Menge durch frischen Wasserstoff ersetzt wird. Dies wird vom realen oder virtuellen Wasserstoffsensor erfasst, der ein entsprechendes Signal an das Steuergerät abgibt. Der Signalverlauf ist beispielhaft im Diagramm d) dargestellt. Öffnet jedoch das Purge- und/oder Drainventil nicht bzw. ist der Gaspfad, über den ausgeleitet wird, nicht frei, steigt auch die Wasserstoffkonzentration nicht an, sondern sie nimmt ab (siehe Diagramm d)), da sich rezirkuliertes Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert.
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Bleibt bei einer gezielten Ansteuerung des Purge- und/oder Drainventils ein Anstieg des Signals des Wasserstoffsensors aus, kann dies daran liegen, dass dieser defekt ist oder - aufgrund eines blockierten Gaspfads - kein Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet werden kann. Um die Funktionsfähigkeit des Wasserstoffsensors zu überprüfen, wird erfindungsgemäß der Druckverlauf im Mitteldruckpfad ausgewertet bzw. als korrelierende Größe eingesetzt. Denn ist der Gaspfad blockiert (siehe Figur), kommt es im Mitteldruckpfad während der Ansteuerung des Purge- und/oder Drain-Ventils auch nicht zu einem Einbruch des Gasdrucks. Kommt es dagegen zu einem Einbruch des Gasdrucks im Mitteldruckpfad, liegt ein Problem mit dem Wasserstoffsensor vor. Der Verlauf des Gasdrucks im Mitteldruckpfad kann somit als korrelierende Größe bei der Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse des Wasserstoffsensors verwendet werden.
