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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. Hierzu wird - in Abhängigkeit vom jeweils geforderten Wasserstoffmassenstrom - der Aktorstrom des Wasserstoffdosierventils variiert.
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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. 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 durch Auswerten des Aktorstroms des Wasserstoffdosierventils sichergestellt wird, dass der Gaspfad, über den das Anodengas ausgeleitet wird, frei ist.
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Wie bereits eingangs erwähnt, wird der Aktorstrom des Wasserstoffdosierventils abhängig vom geforderten Wasserstoffmassenstrom variiert. Zur Aufrechterhaltung des Gasdrucks im Anodenkreis steigt bei geöffnetem Purge- und/oder Drain-Ventil der geforderte Wasserstoffmassenstrom, da die über das Purge- und/oder Drain-Ventil ausgeleitete Menge durch frischen Wasserstoff aus dem Tank ersetzt werden muss. Entsprechend steigt der Aktorstrom. Durch Auswerten des Aktorstroms kann somit geprüft werden, ob tatsächlich Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt wird. Dies setzt voraus, dass der Gaspfad, über den das Anodengas ausgeleitet werden soll, 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 Auswertung des Aktorstroms des Wasserstoffdosierventils kann eine solche Blockade des Gaspfads detektiert bzw. ausgeschlossen werden. Denn nur, wenn die Auswertung einen Anstieg des Aktorstroms ergibt, kann eine ausbleibende Reaktion des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors sicher als Fehlfunktion des Sensors erkannt werden. Bei der vorgeschlagenen Plausibilitätsprüfung wird demnach der Aktorstrom des Wasserstoffdosierventils als korrelierende Größe eingesetzt.
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Nach der Plausibilitätsprüfung wird vorzugsweise das Purge- und/oder Drain-Ventil wieder geschlossen und durch Auswerten des Aktorstroms des Wasserstoffdosierventils das Schließen des Purge- und/oder Drain-Ventils verifiziert. Denn nur, wenn das Purge- und/oder Drain-Ventil sicher geschlossen ist, so dass kein Anodengas mehr ausgeleitet wird, sinkt auch der Aktorstrom des Wasserstoffdosierventils wieder. Mit Hilfe des Aktorstroms des Wasserstoffdosierventils kann somit auch festgestellt werden, ob der Anodenkreis vom Gaspfad tatsächlich 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 Auswerten des Aktorstroms des Wasserstoffdosierventils sichergestellt worden ist, dass kein Gas mehr aus dem Anodenkreis ausgeleitet wird, sollte das Messergebnis des realen oder virtuellen Wasserstoffsensors konstant bleiben oder sinken. Weitgehend konstant bleibt das Messergebnis, wenn genau so viel Wasserstoff in den Anodenkreis eingeleitet wird, der durch die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen verbraucht wird. Durch Diffusionsprozesse reichert sich das Anodengas jedoch mit Stickstoff an, so dass die Wasserstoffkonzentration über die Zeit sinkt. 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 Drain-Ventil 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, sofern vorab durch Auswerten des Aktorstroms des Wasserstoffdosierventils als korrelierende Größe eine andere Fehlerursache ausgeschlossen worden ist. Im Steuergerät kann eine zu erwartende bzw. theoretische Reaktionszeit hinterlegt sein, die als Referenzwert für den Vergleich mit der tatsächlichen Reaktion des Wasserstoffsensors herangezogen werden kann.
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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) den Verlauf des Aktorstroms des Wasserstoffdosierventils und d) das Signal eines Wasserstoffsensors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Die Diagramme a) bis d) verdeutlichen den Zusammenhang zwischen dem jeweiligen Zustand des Purge- und/oder Drain-Ventils, dem Aktorstrom des Wasserstoffdosierventils und dem Signal des Wasserstoffsensors. Diesen Zusammenhang macht sich das vorgeschlagene Verfahren zur Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse eines realen oder virtuellen Wasserstoffsensors im Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems zunutze.
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Die vorgeschlagene Plausibilitätsprüfung wird mit Hilfe eines Wasserstoffdosierventils realisiert, das der Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit frischem Wasserstoff aus einem Tank dient. Das Wasserstoffdosierventil kann dabei insbesondere als Proportionalventil ausgeführt sein.
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Steigt der geforderte Wasserstoffmassenstrom, weil mit Stickstoff angereichertes Anodengas über ein geöffnetes Purge- und/oder Drain-Ventil aus dem Anodenkreis ausgeleitet wird (siehe Diagramm a) und Diagramm b), welche die Öffnungsdauer des Purge- und/oder Drain-Ventils jeweils als Balken wiedergeben), kann zum weiteren Öffnen des Wasserstoffdosierventils ein höherer Aktorstrom angelegt werden (siehe Diagramm c)). Das heißt, dass mehr frischer Wasserstoff nachgefördert wird und die Wasserstoffkonzentration im Anodengas steigt. Der Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Anodengas kann mit Hilfe eines realen oder virtuellen Wasserstoffsensors erfasst werden (siehe den in Diagramm d) dargestellten Signalverlauf).
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Gemäß den Diagrammen a) und b) wird das Purge- und/oder Drain-Ventil über den gewählten Zeitraum 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 bzw. blockierten Gaspfad. Denn in beiden Fällen kann kein Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet werden. Der Gaspfad kann beispielsweise durch Eisbildung oder - sofern die Gasausleitung über ein Drainventil erfolgt - durch Restwasser im Wasserabscheider blockiert sein.
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Kommt es nicht zu einem Öffnen des Purge- und/oder Drain-Ventils bzw. ist der Gaspfad blockiert, kann kein Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet werden, so dass auch kein Wasserstoff nachgefördert werden muss. Die für die Aufrechterhaltung der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen notwendige Menge an Wasserstoff wird dagegen unverändert nachgefördert. Der Aktorstrom bleibt demnach annähernd konstant (siehe Diagramm c)). Da sich jedoch rezirkuliertes Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, sinkt gleichzeitig die Wasserstoffkonzentration im Anodengas (siehe Signalverlauf des Wasserstoffsensors in Diagramm d)). Das heißt, dass trotz gezielter Ansteuerung des Purge- und/oder Drain-Ventils nicht die zu erwartende Reaktion des Wasserstoffsensors eintritt, was auf ein Problem des Wasserstoffsensors schließen lassen könnte. Die Auswertung des Aktorstroms lässt jedoch erkennen, dass gar kein Anodengas ausgeleitet wurde, so dass das Signal des Wasserstoffsensors nicht fehlerbehaftet ist.
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Der Aktorstrom kann somit als korrelierende Größe bei der Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse des Wasserstoffsensors verwendet werden.
