DE10203241B4

DE10203241B4 - Verfahren zum Steuern des Betriebsdrucks eines Brennstoffzellensystems und entsprechendes Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10203241B4
Application number: DE10203241.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Maume; Jens Arik Almkermann; Jan-Kasper Kuipers; Dr. Doorn René H.E. van
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: DE10203241A1; WO2003065484A3; WO2003065484A2

Abstract

Verfahren zum Steuern des Betriebsdrucks eines Brennstoffzellensystems (10), das eine Brennstoffzelleneinheit (16) sowie eine Reformereinheit (12) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs für die Brennstoffzelleneinheit (16) umfasst, und die Reformereinheit (12) mit Wasser beliefert wird, das aus einem Abgas der Brennstoffzelleneinheit (16) zurückgewonnen wird, wobei eine Wasserbilanz durchgeführt wird, welche die Menge zurückgewonnenen Wassers mit der in der Reformereinheit (12) benötigten Wassermenge vergleicht, und der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems (10) in Abhängigkeit mindestens eines Parameters eingestellt wird, der in Bezug auf die Wasserrückgewinnung relevant ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer positiven Wasserbilanz eine wirkungsgraderhöhende Betriebsdrucksenkung erfolgt und bei einer negativen Wasserbilanz eine Betriebsdruckerhöhung bis zur Wasserbedarfsdeckung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebsdrucks eines Brennstoffzellensystems insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem entsprechend Oberbegriff des Anspruchs 9.
Verfahren sowie Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art sind bekannt. Zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems erfolgt in einer Reformereinheit, bestehend aus einem Reformer, mehreren Shift-Stufen und einer CO-Reinigungsstufe, die Zerlegung von Kohlenwasserstoffen in ein wasserstoffreiches Gasgemisch, welches den benötigten Brennstoff zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit darstellt. Zur Erzielung einer hinreichenden Ausbeute an Wasserstoff wird in der Regel zusätzlich zu Luft auch Wasser benötigt, das – entsprechend einem Kraftstoff – in einem Tank (Wasserbehälter) im Kraftfahrzeug mitgeführt wird. Da während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kein Wasser nachgetankt werden soll bezeihungsweise kann, ist es notwendig, dass aus dem Brennstoffzellenabgas ständig die gleiche Wassermenge rückgewonnen werden muss, wie zur Wasserstofferzeugung der Reformereinheit benötigt wird (ausgeglichene Wasserbilanz). Vorzugsweise erfolgt die erforderliche Wasserrückgewinnung mittels Kondensation in einer Kühlereinheit, wobei das rückgewonnene, kondensierte Wasser in einen Wasserbehälter (Tank) zurückgeführt wird.
Zur Erzielung einer ausgeglichenen Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem ist es notwendig, einen hinreichend hohen Betriebsdruck im Brennstoffzellensystem einzustellen, da durch Erhöhung des Betriebsdrucks entsprechend der Dampfdruckkurve von Wasser auch die Kondensationstemperatur angehoben wird. Somit kann mittels Erhöhung des Betriebsdrucks im Brennstoffzellensystem auch bei extrem ungünstigen Betriebsbedingungen in praktisch allen Betriebspunkten eine ausgeglichene Wasserbilanz erzielt werden. Jedoch führt eine Erhöhung des Betriebsdrucks im Brennstoffzellensystem gleichzeitig zu einer unerwünschten Verringerung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems, da mit einer Betriebsdruckerhöhung ein entsprechend höherer Energieaufwand (zusätzlicher Kompressionsaufwand) zur Verdichtung der zum Betreiben des Brennstoffzellensystems benötigten Luft verbunden ist. Damit ist aus energetischer Sicht zum Betreiben des Brennstoffzellensystems ein möglichst geringer Betriebsdruck zu wählen, während zur Erzielung einer ausgeglichenen Wasserbilanz – auch bei extremen Betriebsbedingungen – ein möglichst hoher Betriebsdruck einzustellen ist.
Die nachveröffentlichte EP 1 271 681 A2 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, dessen Betriebsdruck so gesteuert wird, dass eine Wassermenge, die aus dem Brennstoffzellensystem gesammelt wird, zur Befeuchtung der Betriebsgase der Brennstoffzelle ausreicht, um die Polymerelektrolytmembran feucht zu halten.
DE 100 33 036 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs für die Brennstoffzelle. Der Reformer wird mit Wasser beliefert, das aus dem Abgas der Brennstoffzelle durch Kondensierung zurückgewonnen und in einem Wassertank zwischengespeichert wird. Die Steuerung des Betriebsdrucks des Brennstoffzellensystems erfolgt, indem in Abhängigkeit von einer Auslasttemperatur am Kondensator sowie einem Wasserpegel im Wassertank ein Gleichgewichtsdruck bestimmt wird, bei dem eine ausgeglichene Wasserbilanz vorliegt. Parallel hierzu wird in Abhängigkeit von einer Betriebslast ein wirkungsgradoptimierter Druck bestimmt. Wenn der Gleichgewichtsdruck größer ist als der wirkungsgradoptimierte Druck, wird der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems auf den Gleichgewichtsdruck eingestellt. Wenn anderenfalls der wirkungsgradoptimierte Druck größer ist als der Gleichgewichtsdruck, dann wird der Betriebsdruck auf den wirkungsgradoptimierten Druck eingestellt. Auf diese Weise wird eine positive Wasserbilanz erzielt.
DE 101 18 151 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle sowie einem Reformer zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs für die Brennstoffzelle. Der Reformer wird mit Wasser beliefert, das aus dem Abgas der Brennstoffzelle durch Verbrennung desselben in einem Brenner und Kondensation in einem Kondensator zurückgewonnen und in einem Wasserbehälter zwischengespeichert wird. Es wird ein stromab des Brenners und des Kondensators in der Abgasleitung gemessener Gegendruck gesteuert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem eine ausgeglichene Wasserbilanz bei gleichzeitiger Optimierung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems möglich ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich auf ein Brennstoffzellensystem bezieht, das eine Brennstoffzelleneinheit sowie eine Reformereinheit zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs für die Brennstoffzelleneinheit umfasst, und die Reformereinheit mit Wasser beliefert wird, das aus einem Abgas der Brennstoffzelleneinheit zurückgewonnen wird. Das Verfahren sieht vor, eine Wasserbilanz durchzuführen, welche die Menge zurückgewonnenen Wassers mit der in der Reformereinheit benötigten Wassermenge vergleicht, und den Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit mindestens eines Parameters einzustellen, der in Bezug auf die Wasserrückgewinnung relevant ist. Erfindungsgemäß erfolgt bei einer positiven Wasserbilanz eine wirkungsgraderhöhende Betriebsdrucksenkung und bei einer negativen Wasserbilanz eine Betriebsdruckerhöhung bis zur Wasserbedarfsdeckung. Hierdurch ist es möglich, den Betriebsdruck lediglich so hoch einzustellen, dass eine ausgeglichene Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem gewährleistet werden kann, ohne jedoch den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems in einem höheren Maße zu verschlechtern, als dies hinsichtlich der Erzielung einer ausgeglichenen Wasserbilanz notwendig ist. In dieser Weise können nun einander gegenläufige Zielsetzungen hinsichtlich der Betriebsdruckeinstellung in betriebsgünstiger Weise erfüllt werden. Eine endgültige Festlegung des Betriebsdrucks bereits bei Auslegung des Brennstoffzellensystems ist nun nicht mehr notwendig.
Mit Vorteil erfolgt die Betriebsdruckeinstellung automatisiert mittels einer Steuereinrichtung. Dabei kann die Betriebsdruckeinstellung kontinuierlich oder wiederholt zu bestimmten, vorgebbaren Zeitpunkten beziehungsweise Betriebssituationen mittels der Steuereinrichtung durchgeführt werden.
Als Parameter können die Umgebungslufttemperatur und/oder der Umgebungsluftdruck und/oder die Umgebungsluftfeuchte herangezogen werden. Ferner kann zusätzlich oder alternativ die Kraftfahrzeuggeschwindigkeit und die Abgaseintrittstemperatur in den Kühler als Parameter dienen. Somit ist es möglich, eine an die jeweils vorliegenden Umgebungsbedingungen angepasste Betriebsdruckeinstellung zur Erzielung einer ausgeglichenen Wasserbilanz bei gleichzeitiger Wirkungsgradoptimierung durchzuführen.
Vorteilhafterweise wird die Wasserrückgewinnungsmenge anhand einer insbesondere kontinuierlichen Füllstandsmessung in einem Wasserbehälter des Brennstoffzellensystems ermittelt. Anhand der Ergebnisse der Füllstandsmessung lässt sich feststellen, ob eine negative, eine positive oder eine ausgeglichene Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem vorliegt, so dass eine dementsprechend angepasste, wirkungsgradoptimierte Betriebsdruckeinstellung im Brennstoffzellensystem erfolgen kann.
Entsprechend einer möglichen Ausführungsvariante wird die Wasserrückgewinnungsmenge anhand einer Durchflussmessung in einer einen Kühler mit einem Wasserbehälter verbindenden Kondensatleitung ermittelt. Hierdurch ist eine zuverlässige, schnelle und insbesondere kontinuierliche Ermittlung der Wasserrückgewinnungsmenge im Brennstoffzellensystem möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann die Wasserrückgewinnungsmenge anhand einer Messung der Abgaseintrittstemperatur in einen Kühler, der Umgebungslufttemperatur und der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden. Mittels dieser Parameter (Betriebsgrößen) kann hinreichend genau die Wasserrückgewinnungsmenge (Kondensatmenge) insbesondere mittels einer Steuereinrichtung berechnet werden. Dabei können die berechneten Werte gegebenenfalls in einem Kennfeld hinterlegt werden, das insbesondere in der Steuereinrichtung abgespeichert ist beziehungsweise wird.
Erfindungsgemäß erfolgt bei einer positiven Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem zur Wirkungsgradoptimierung eine Betriebsdrucksenkung. Hierbei wird unter ”positiver Wasserbilanz” verstanden, dass die mittels einer Kühlereinheit rückgewonnene Wassermenge größer ist als die in der Reformereinheit zum Betreiben des Brennstoffzellensystems benötigte Wassermenge. Eine darauf erfolgende Betriebsdrucksenkung in einer Betriebssituation mit positiver Wasserbilanz führt zu einer erwünschten Verbesserung (Optimierung) des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems.
Ferner erfolgt bei einer negativen Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem eine Betriebsdruckerhöhung bis zur Wasserbedarfsdeckung, wobei anschließend ein einer ausgeglichenen Wasserbilanz entsprechender Betriebsdruck eingestellt wird. Dabei wird unter ”negativer Wasserbilanz” verstanden, dass mittels einer Kühlereinheit (Kühler) weniger Wasser rückgewonnen wird als in der Reformereinheit zum Betreiben des Brennstoffzellensystems benötigt wird. Zur Optimierung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems wird der Betriebsdruck bei einer derartigen Betriebssituation (negative Wasserbilanz) lediglich nur so lange in Bezug auf einen Durchschnittswert (ausgeglichene Wasserbilanz) erhöht, wie dies zur Gewährleistung einer ausgeglichenen Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem notwendig ist.
Die Bestimmung der Wasserbilanz erfolgt mittels eines Vergleichs zwischen der verfügbaren, rückgewonnenen Wassermenge und der zur Reformierung benötigten Wassermenge. Eine derartige Wasserbilanzbestimmung ist in verhältnismäßig einfacher Weise in einem Brennstoffzellensystem realisierbar und kann insbesondere kontinuierlich durchgeführt werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 9 aufweist. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass eine Betriebsdrucksteuereinrichtung vorgesehen ist, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Mittels des Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9 lassen sich die in Bezug auf das Verfahren vorerwähnten Vorteile erzielen. Ferner kann vorteilhafterweise nun ein verhältnismäßig kleiner Wasserbehälter im Brennstoffzellensystem vorgesehen werden, da in betriebsgünstiger Weise eine ausgeglichene Wasserbilanz gewährleistbar ist.
Mit Vorteil ist die Betriebsdrucksteuereinrichtung mit einer Wasserrückgewinnungsmengen-Erfassungs- und/oder -Ermittlungseinrichtung operativ verbunden. Dabei kann mittels der Erfassungseinrichtung die Bestimmung der Wasserrückgewinnungsmenge direkt erfolgen, während die Ermittlungseinrichtung eine entsprechende indirekte Bestimmung erlaubt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Die Figur zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Brennstoffzellensystem, das eine Reformereinheit 12 enthält, die an ihrer Austrittsseite mittels einer Zuführleitung (Pfeil 14) mit einer Brennstoffzelleneinheit 16 zur Beaufschlagung derselben mit einem wasserstoffreichen Gasgemisch verbunden ist. Der Reformereinheit 12 wird an ihrer Eintrittsseite Kraftstoff (Pfeil 18) und Wasser (Pfeil 20) und Luft (Pfeil 22) zur Erzeugung des wasserstoffreichen Gasgemischs zugeführt. Der Brennstoffzelleneinheit 16 werden neben dem wasserstoffreichen Gasgemisch (Pfeil 14) auch Luft (Pfeil 24) zugeführt. An der Austrittsseite der Brennstoffzelleneinheit 16 wird Abgas durch Abgasleitungen (Pfeile 26, 28) einer Verbindungsstelle 30 zugeführt, welche mittels einer weiteren Abgasleitung (Pfeil 32) mit einer Abgaseintrittsseite einer Kühlereinheit 34 verbunden ist. Die Kühlereinheit 34 dient zur Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem 10 mittels Kondensation. Von der Kühlereinheit 34 führt eine Wasserrückführleitung beziehungsweise Kondensatleitung (Pfeil 38) zu einem Wasserbehälter 40, der als Ausgleichsbehälter ausgebildet sein kann. Ferner führt eine Abgasleitung (Pfeil 36) von der Abgasaustrittsseite der Kühlereinheit 34 gegebenenfalls zu einer weiteren Funktionseinheit (nicht in der Figur dargestellt). Der Wasserbehälter 40 ist mittels der als Pfeil 20 dargestellten Wasserzuführleitung mit der Eintrittsseite der Reformereinheit 12 verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Betriebsdrucksteuereinrichtung 42 auf, die geeignet ist, in Abhängigkeit von einem oder mehrerer Parameter den Betriebsdruck im Brennstoffzellensystem 10 unter Optimierung dessen Wirkungsgrads automatisiert einzustellen. Hierzu erhält die Betriebsdrucksteuereinrichtung 42 Umgebungsparameterwerte, wie zum Beispiel die Umgebungslufttemperatur und/oder der Umgebungsluftdruck und/oder die Umgebungsluftfeuchte, und/oder Betriebsparameterwerte, wie zum Beispiel die jeweils vorliegenden Kraftfahrzeuggeschwindigkeitswerte und/oder die Abgaseintrittstemperatur in die Kühlereinheit 34. Die Umgebungsbedingungsparameterwerte werden mittels einer als Pfeil 48 dargestellten Datenübertragungsleitung der Betriebsdrucksteuereinrichtung 42 zugeführt, während die Betriebsparameterwerte mittels einer als Pfeil 44 dargestellten Datenübertragungsleitung an die Betriebsdrucksteuereinrichtung 42 übermittelt werden. Die Betriebsdrucksteuereinrichtung 42 kann somit in Abhängigkeit der hier vorliegenden Informationen gegebenenfalls unter Heranziehung von Kennfeldern und/oder Programmen eine wirkungsgradoptimierte Betriebsdruckeinstellung (Pfeil 46) im Brennstoffzellensystem 10 hervorrufen.
Die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10 hinsichtlich der Betriebsdruckeinstellung ist folgendermaßen: Bei einer positiven Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem 10 erfolgt zur Wirkungsgradoptimierung eine Betriebsdrucksenkung, während bei einer negativen Wasserbilanz im Brennstoffzellensystem 10 eine Betriebsdruckerhöhung bis zur Wasserbedarfsdeckung erfolgt und anschließend ein einer ausgeglichenen Wasserbilanz entsprechender Betriebsdruck eingestellt wird. Dabei wird die Wasserbilanz mittels eines Vergleichs zwischen der verfügbaren, rückgewonnenen Wassermenge und der zur Reformierung benötigten Wassermenge bestimmt.
Die weitere Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10 ist an sich bekannt, so dass auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet wird.

Claims

Verfahren zum Steuern des Betriebsdrucks eines Brennstoffzellensystems (10), das eine Brennstoffzelleneinheit (16) sowie eine Reformereinheit (12) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gasgemischs für die Brennstoffzelleneinheit (16) umfasst, und die Reformereinheit (12) mit Wasser beliefert wird, das aus einem Abgas der Brennstoffzelleneinheit (16) zurückgewonnen wird, wobei eine Wasserbilanz durchgeführt wird, welche die Menge zurückgewonnenen Wassers mit der in der Reformereinheit (12) benötigten Wassermenge vergleicht, und der Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems (10) in Abhängigkeit mindestens eines Parameters eingestellt wird, der in Bezug auf die Wasserrückgewinnung relevant ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer positiven Wasserbilanz eine wirkungsgraderhöhende Betriebsdrucksenkung erfolgt und bei einer negativen Wasserbilanz eine Betriebsdruckerhöhung bis zur Wasserbedarfsdeckung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdruckeinstellung automatisiert mittels einer Steuereinrichtung (42) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter die Umgebungslufttemperatur und/oder der Umgebungsluftdruck und/oder die Umgebungsluftfeuchte herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter die Kraftfahrzeuggeschwindigkeit herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückgewinnungsmenge anhand einer insbesondere kontinuierlichen Füllstandsmessung in einem Wasserbehälter (40) des Brennstoffzellensystems (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückgewinnungsmenge anhand einer Durchflussmessung in einer einen Kühler (34) mit einem Wasserbehälter (40) verbindenden Kondensatleitung (38) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückgewinnungsmenge anhand einer Messung der Abgaseintrittstemperatur in einen Kühler (34), der Umgebungslufttemperatur und der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Wasserrückgewinnungsmenge berechnet und in einem Kennfeld hinterlegt werden, das insbesondere in einer Steuereinrichtung (42) abgespeichert wird.
Brennstoffzellensystem (10), gekennzeichnet durch eine Betriebsdrucksteuereinrichtung (42) die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdrucksteuereinrichtung (42) mit einer Wasserrückgewinnungsmengen-Erfassungs- und/oder -Ermittlungseinrichtung operativ verbunden ist.