DE10216691A1 - System zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage - Google Patents
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Abstract
Ein System dient zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage, wobei eine Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten anhand von wenigstens annährend gemessenen und berechneten Betriebsparametern der Brennstoffzellenanlage, externen Bedingungen und Erfahrungswerten ermittelt wird, wonach kontinuierlich Vorgabewerte für Betriebsparameter der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenanlage entsprechend der ermittelten Degradation angepaßt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein System zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage.
- Aus der Praxis bekannt sind Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenanlagen, die beispielsweise in Kraftfahrzeugen Strom für einen Elektromotor liefern. Dabei unterscheidet man Brennstoffzellenanlagen, die mit Wasserstoff direkt betrieben werden und bei denen ein zusätzliches Gaserzeugungssystem den nötigen Wasserstoff etwa aus Methanol erzeugt. Bei letzteren Systemen schließt sich an das Brennstoffzellensystem noch ein katalytischer Brenner an.
- Herkömmliche Brennstoffzellenanlagen werden, wenn sie in Kraftfahrzeuge integriert sind, unabhängig von ihrem Alter bzw. ihrer Einsatzdauer (gefahrene Kilometer) grundsätzlich mit denselben Betriebsparametern betrieben. Demzufolge entsteht in nachteilhafter Weise bei fortschreitenden Betriebszeiten der Brennstoffzellenanlage ein ansteigendes Performancedefizit der Brennstoffzelle bzw. der gesamten Brennstoffzellenanlage, da Betriebsparameter gar nicht oder nur selten (z. B. bei Wartungsarbeiten) an den Alterszustand der Brennstoffzellenanlage angepaßt werden.
- Beispielsweise kann zu Beginn der Lebensdauer der Brennstoffzellenanlage die Temperatur im Reformer auf 200° eingestellt sein, um einen entsprechenden Umsatz an der Brennstoffzelle zu erhalten. Nach und nach, wenn die Brennstoffzellenanlage einen bestimmten Prozentsatz ihrer Lebenszeit erreicht hat, wäre es notwendig, die Temperatur zu erhöhen, um wieder einen entsprechenden Umsatz der Brennstoffzelle zu bekommen und damit wieder eine optimale Performance zu erreichen, denn nach und nach erfolgt eine Alterung des katalytischen Brenners, bei dem immer mehr von seiner Oberfläche belegt wird. Genauso erfährt die Brennstoffzelle selbst einen Alterungsprozeß.
- In der JP 11195423 A wird beschrieben, die Degradation einer Brennstoffzelle mittels der darin auftretenden Zellspannungen zu ermitteln.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage zu schaffen, das eine lange Lebensdauer bei gleichzeitiger optimaler Performance bzw. Leistung der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenanlage gewährleistet.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten anhand von fortlaufend gemessenen und berechneten Betriebsparametern der Brennstoffzellenanlage, externen Bedingungen und Erfahrungswerten ermittelt wird, wonach kontinuierlich Vorgabewerte für Betriebsparameter der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenanlage entsprechend der ermittelten Degradation angepaßt werden.
- Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können die Vorgaben für die Betriebsparameter der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten in einfacher und vorteilhafter Weise fortlaufend anhand der errechneten Degradation angepaßt werden. Dadurch kann das Gesamtsystem immer seinem Alter entsprechend optimal betrieben werden. Dementsprechend ergibt sich über die gesamte Lebensdauer der Anlage hinweg eine durchgehend gute Performance, welche sich natürlich auch zusätzlich positiv auf die Gesamtlebensdauer der Brennstoffzellenanlage auswirken kann. Bei einer fortlaufenden Nachstellung der Betriebsparameter aufgrund der ermittelten Degradation kann das System beispielsweise mehrere tausend Stunden mit optimaler Performance betrieben werden. Der Erfinder hat festgestellt, dass zu Beginn der Nutzung der Brennstoffzelle ein Airbleed von 0,5% des Gasstroms ausreicht, um das CO zu reduzieren. Nach einer Vielzahl von Stunden ist es möglicherweise notwendig, das Airbleed entsprechend zu erhöhen, um den gleichen Umsatz zu erhalten. Bei der Berechnung der aktuellen Degradation der Anlage fließen neben den gemessenen bzw. berechneten Betriebsparametern zusätzlich noch externe Bedingungen und Erfahrungswerte ein. Dies führt zu wesentlich genaueren und aussagekräftigeren Ergebnissen.
- In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann folgendes vorgesehen sein: eine Langzeitspeichereinheit, eine Berechnungseinheit zur Ermittlung der Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten mittels Funktionen und/ oder Kennlinienfeldern, welche als Eingabeparameter die in der Langzeitspeichereinheit abgelegten Werte erhalten, und Stellmittel zur Einstellung der Vorgabewerte für die Betriebsparameter der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten aufgrund der von der Berechnungseinheit ermittelten Degradation auf Basis von entsprechenden Kennlinienfeldern bzw. Funktionen.
- In der Langzeitspeichereinheit werden in einfacher Art und Weise alle zur Berechnung der Degradation benötigten Daten teilweise fortlaufend gespeichert und stehen dann sofort zur Ermittlung der Degradation der Berechnungseinheit zur Verfügung. Zusätzlich können mit Hilfe einer Langzeitspeichereinheit, die ein hohes Speichervolumen aufweist, eine Fülle von Daten, die die Brennstoffzellenanlage betreffen, abgelegt werden. Vor allem über längere Zeiträume hinweg können so Trends oder ähnliches extrahiert werden, die die weitere Grundlage für verbesserte Erfahrungswerte bilden.
- Die Berechnungseinheit berechnet die Degradation der Brennstoffzelle bzw. ihrer Einzelkomponenten, arbeitet unabhängig von den anderen Bestandteilen des Systems und erhält die notwendigen Daten aus der Langzeitspeichereinheit. Anhand der berechneten Degradationen werden Stellmittel betätigt, die die Vorgabewerte für die Betriebsparameter der Brennstoffzellenanlage anpassen. Durch diese Maßnahmen wird ein vorteilhaftes modulares System zur Einstellung der Brennstoffzellenanlage geschaffen.
- Von Vorteil ist es, wenn bei der Ermittlung der Degradation in der Berechnungseinheit in den Funktionen und/oder Kennlinienfeldern die einzelnen Betriebsparameter aus der Langzeitspeichereinheit verschieden gewichtet werden.
- Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, daß für die Degradation des Gesamtsystems bzw. die Degradation der Einzelkomponenten einzelne Parameter unterschiedliche Rollen spielen können. Während hohe Temperaturen in einigen Einzelkomponenten des Systems keine große Rolle spielen, ist beispielsweise bekannt, daß ein Katalysator sehr viel stärker unter hoher Temperatur altert. Demzufolge müßte für die Degradation des Katalysators die Temperatur sehr viel stärker gewichtet werden wie in anderen Einzelkomponenten der Brennstoffzellenanlage.
- Für die Berechnung der Degradation der gesamten Brennstoffzellenanlage wäre es ebenfalls vorteilhaft, einen Kaltstart des Gesamtsystems bei verschiedenen Temperaturen verschieden zu gewichten, so wäre es beispielsweise denkbar, einen Kaltstart bei -5°C Außentemperatur mit 10% einzuberechnen, während er bei +10°C nur mit 2,5% in die Berechnung der Degradation einfließt.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, daß die Betriebsparameter, externe Bedingungen, insbesondere die Außentemperatur beim Start der Brennstoffzellenanlage und/oder Luftkontamination und/oder Betrieb in großer Höhe, und Erfahrungswerte, welche daraus resultieren, daß Brennstoffzellenanlagen bzw. deren Einzelkomponenten auf vergleichbare Veränderungen immer annähernd gleich reagieren, wenigstens teilweise regelmäßig oder fortlaufend in der Langzeitspeichereinheit abgelegt werden.
- Dementsprechend können sämtliche die Degradation der Brennstoffzellenanlage betreffende Daten in der Langzeitspeichereinheit abgelegt werden, um von der Berechnungseinheit zur Ermittlung der Degradation herangezogen zu werden. Wichtig ist die Aufnahme sogenannter externer Bedingungen, wie Außentemperatur beim Start der Brennstoffzellenanlage oder ähnliches, die sich sehr stark auf das Gesamtsystem auswirken können. Des weiteren bilden die Erfahrungswerte für die Einzelkomponenten bzw. die gesamte Brennstoffzellenanlage eine wichtige Grundlage zur Ermittlung der Degradation. Es ist bekannt, daß sich Kaltstarts negativ auf die Lebensdauer des Systems auswirken, oder daß ein Katalysator sehr viel schneller unter hoher Temperatur altert. Derartige Erfahrungswerte werden etwa in Form eines Kennlinienfeldes in der Langzeitspeichereinheit dem System zur Verfügung gestellt.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
- Es zeigt:
- Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Flußdiagramms des erfindungsgemäßen Systems;
- Fig. 2a eine Kurve eines Performanceverlustes aufgrund einer Degradation durch Temperatur;
- Fig. 2b eine Messung am Vergleichspunkt V; und
- Fig. 2c eine ermittelte Degradation einer Brennstoffzellenanlage.
- Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist das erfindungsgemäße System 1 zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage eine Langzeitspeichereinheit 2 auf, in der Betriebsparameter 3, externe Bedingungen 4, dies sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere die Außentemperatur beim Start der Brennstoffzellenanlage, Luftkontamination und Betrieb in großer Höhe, und Erfahrungswerte 5 abgelegt bzw. aufgezeichnet werden.
- Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich, weist das System 1 eine Berechnungseinheit 6 zur Ermittlung der Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten mittels Funktionen und/oder Kennlininenfeldern auf. Als Eingangsparameter erhält die Berechnungseinheit 6 die in der Langzeitspeichereinheit 2 abgelegten Werte, nämlich die Betriebsparameter 3, die externen Bedingungen 4 und die Erfahrungswerte 5.
- Aufgrund der von der Berechnungseinheit 6 ermittelten Degradation werden auf der Basis von Kennlinienfeldern bzw. Funktionen Vorgabewerte für die Betriebsparameter 3 der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten durch Stellmittel 7a, 7b und 7c nachgestellt. Dementsprechend werden dann die Leistungen der Einzelkomponenten der Anlage bzw. das Gesamtsystem wieder optimiert.
- Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestimmt das Stellmittel 7a den Vorgabewert für das Luft-λ, das Stellmittel 7b stellt den Vorgabewert für die Temperatur und das Stellmittel 7c ist zuständig für die Einstellung des Volumenstroms bzw. der Stöchiometrie.
- Des weiteren kann die von der Berechnungseinheit 6 berechnete Degradation beispielsweise die Wartungsintervalle des Gesamtsystems, die Häufigkeit des Filterwechsels beeinflussen oder den Austausch von Teilmodulen der Brennstoffzellenanlage nach sich ziehen.
- Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die folgenden Betriebsparameter 3, die sich auf die Lebensdauer einer Brennstoffzellenanlage auswirken können, in die Berechnung der Degradation mit einbezogen bzw. in der Langzeitspeichereinheit 2 abgelegt. Dabei ist zu bemerken, daß nur solche Betriebsparameter 3 herangezogen werden können, die an Bord des Kraftfahrzeugs meßbar bzw. über eine hinterlegte Kennlinie berechenbar sind.
- Folgende Betriebsparameter 3 werden für den Brennstoffzellenstack mit aufgenommen:
- - Kühlung Temperatur Stack ein/aus,
- - Gastemperatur Stack ein/aus,
- - Befeuchtungsgrad Gase,
- - Stöchiometrie Anode/Kathode,
- - Leistung,
- - Strom,
- - Spannung Einzelzellen/Gesamtspannung,
- - Verschmutzungsgrad Kondensat Anode/Kathode,
- - Druck Anode/Kathode,
- - Anzahl Starts (> 0°C, 0-10°C, < 10°C, Warmstart).
- Folgende Betriebsparameter 3 wurden für die gesamte Brennstoffzellenanlage herangezogen:
- - Anzahl Starts (> 0°C, 0-10°C, < 10°C, Warmstart),
- - Verschmutzungsgrad System,
- - Leistung,
- - Kühlung Komponenten,
- - Wasserhaushalt,
- - Druckregelung System,
- - Lamda,
- - Temperatur,
- - Last,
- - Drehzahlen von Pumpen und Motoren,
- - gefahrene. Kilometer.
- Zusätzliche Ergebnisse, die bei etwaigen zwischenzeitlichen Wartungen ermittelt wurden, können ebenfalls als Betriebsparameter 3 mit aufgenommen werden, dies sind z. B. Konzentrationen der Medien, etwa CO/MeOH, Feuchte, etc.
- Die externen Bedingungen 4 können beispielsweise Außentemperatur beim Start der Brennstoffzellenanlage, Luftkontamination und Betrieb in großer Höhe sein. Die Außentemperatur beim Start des Gesamtsystems wirkt sich wesentlich auf dessen Lebensdauer aus. Der Betrieb des Fahrzeugs bzw. der Brennstoffzellenanlage bei einer hohen Außenluftkontamination, beispielsweise in einer Großstadt, könnte von Bedeutung sein. Derartige Umwelteinflüsse sind allerdings nur schwer im Fahrzeug zu messen (Stickoxide etc.), statt dessen könnte dies durch eine Messung der Luftgüte mittels einer stationären Anlage bewerkstelligt werden, von der aus dann die Daten in das Fahrzeug eingespeist würden.
- Die Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten wird in der Berechnungseinheit 6 anhand der fortlaufend gemessenen und berechneten Betriebsparameter 3 der Brennstoffzellenanlage, der externen Bedingungen 4 und der Erfahrungswerte 5 ermittelt und danach kontinuierlich die Vorgabewerte für die Betriebsparameter 3 durch die Stellmittel 7a, 7b, 7c entsprechend der ermittelten Degradation angepaßt.
- Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden bei der Ermittlung der Degradation in der Berechnungseinheit 6 durch Funktionen und/oder Kennlinienfelder die einzelnen Werte 3, 4, 5 aus der Langzeitspeichereinheit 2 verschieden gewichtet. Dabei könnte z. B. ein Kaltstart bei -5°C Außentemperatur mit 10% in die Degradation eingerechnet werden, während ein Kaltstart bei +10°C nur mit 2,5% mit in die Degradation einberechnet wird.
- Die Erfahrungswerte 5 resultieren daraus, daß Brennstoffzellenanlagen bzw. deren Einzelkomponenten auf vergleichbare Veränderungen immer annähernd gleich reagieren. Dies kann z. B. aus Messungen bzw. Erfahrungen an Testständen oder ähnlichem ermittelt werden.
- Mit dem System 1 kann nun in einfacher und vorteilhafter Weise eine Brennstoffzellenanlage über ihre gesamte Lebensdauer optimal genutzt bzw. betrieben werden. Hierbei werden sämtliche für die Lebensdauer des Fahrzeugs bzw. der Brennstoffzellenanlage wichtige Faktoren zur Berechnung einer Degradation bzw. einer Alterung der Brennstoffzellenanlage herangezogen und damit Vorgaben für die Betriebsparameter 3 der Brennstoffzellenanlage optimal fortlaufend eingestellt. Es wird unter anderem berücksichtigt, wie dynamisch ein System gefahren wird, ob es ständig im Stadtverkehr oder nur auf Langstrecken benutzt wird oder wie lange es in Voll- oder Teillast gefahren wird. Zusätzlich kann durch die optimale Einstellung der Betriebsparameter 3 der Brennstoffzellenanlage natürlich auch eine Verlängerung deren Gesamtlebensdauer erreicht werden.
- Wie aus Fig. 2a ersichtlich, ergibt sich durch eine Degradation durch Temperatur eine Abnahme der Performance P, dies wird in Fig. 2a durch die Kurven 8a (gute Performance P), 8b (mäßig degradierte Performance P), 8c (stark degradierte Performance P) angedeutet. Pfeil 9a weist auf die Abnahme der Performance P hin. Die Kurven 8a, 8b, 8c stellen die Performance P in verschiedenen Lastbereichen dar.
- Wie aus Fig. 2b ersichtlich, wird eine Degradation durch Temperatur in einem Vergleichspunkt V und daraus eine Degradation des Gesamtsystems in Fig. 2c ermittelt. Eine Differenz 9b entspricht im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Betriebsdauer von etwa 4.000 Stunden, wobei eine Kurve 10a einer Betriebsdauer von 1.000 Stunden entspricht und eine Kurve 10b einer Betriebsdauer von 5.000 Stunden. Die Differenz 9b beträgt demnach 4.000 Stunden, was der Degradation des Gesamtsystems entspricht.
Claims (8)
1. System zur Einstellung einer
Brennstoffzellenanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw.
ihrer Einzelkomponenten anhand von wenigstens
annähernd fortlaufend gemessenen und berechneten
Betriebsparametern (3) der Brennstoffzellenanlage,
externen Bedingungen (4) und Erfahrungswerten (5)
ermittelt wird, wonach wenigstens annähernd
kontinuierlich Vorgabewerte für Betriebsparameter (3)
der Brennstoffzelle bzw. der
Brennstoffzellenanlage entsprechend der ermittelten Degradation
angepaßt werden.
2. System nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine Langzeitspeichereinheit (2);
eine Berechnungseinheit (6) zur Ermittlung der Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten mittels Funktionen und/oder Kennlinienfeldern, welche als Eingangsparameter die in der Langzeitspeichereinheit (2) abgelegten Werte (3, 4, 5) erhalten; und
Stellmittel (7a, 7b, 7c) zur Einstellung der Vorgabewerte für die Betriebsparameter (3) der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten aufgrund der von der Berechnungseinheit (6) ermittelten Degradation auf Basis von entsprechenden Kennlinienfeldern bzw. Funktionen.
eine Langzeitspeichereinheit (2);
eine Berechnungseinheit (6) zur Ermittlung der Degradation der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten mittels Funktionen und/oder Kennlinienfeldern, welche als Eingangsparameter die in der Langzeitspeichereinheit (2) abgelegten Werte (3, 4, 5) erhalten; und
Stellmittel (7a, 7b, 7c) zur Einstellung der Vorgabewerte für die Betriebsparameter (3) der Brennstoffzellenanlage bzw. ihrer Einzelkomponenten aufgrund der von der Berechnungseinheit (6) ermittelten Degradation auf Basis von entsprechenden Kennlinienfeldern bzw. Funktionen.
3. System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Ermittlung der Degradation in der
Berechnungseinheit (6) in den Funktionen und/oder
Kennlinienfeldern die einzelnen Werte (3, 4, 5) aus der
Langzeitspeichereinheit (2) verschieden gewichtet
werden.
4. System nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Betriebsparameter (3) fortlaufend gemessen
bzw. aus Kennlinienfeldern berechnet werden und
als λ und/oder Temperatur und/oder Volumenströme
bzw. Stöchiometrie und/oder Drücke bzw.
Druckregelung System und/oder Befeuchtungsgrad der Gase
und/oder Drehzahlen von Motoren und Pumpen
und/oder Wasserhaushalt und/oder Kühlung der
Komponenten und/oder Anzahl der Starts und/oder
Leistung und/oder Verschmutzungsgrad des Systems
und/oder Spannungsverhältnis und/oder Strom
und/oder Last ausgebildet werden.
5. System nach Anspruch 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Betriebsparameter (3) in der
Langzeitspeichereinheit (2) wenigstens annähernd fortlaufend bzw.
regelmäßig gespeichert bzw. aufgezeichnet werden.
6. System nach Anspruch 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
in der Langzeitspeichereinheit (2) die externen
Bedingungen (4), insbesondere die Außentemperatur
beim Start der Brennstoffzellenanlage und/oder
Luftkontamination und/oder Betrieb in großer Höhe,
wenigstens annähernd fortlaufend bzw. regelmäßig
gespeichert werden.
7. System nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
in der Langzeitspeichereinheit (2) die
Erfahrungswerte (5) gespeichert werden, welche daraus
resultieren, daß Brennstoffzellenanlagen bzw. deren
Einzelkomponenten auf vergleichbare Veränderungen
immer annähernd gleich reagieren.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennstoffzellenanlage in einem Kraftfahrzeug
eingebaut ist, wobei sie zur Erzeugung von
elektrischer Energie, insbesondere zum Antrieb eines
Elektromotors, dient.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10216691A DE10216691A1 (de) | 2002-04-16 | 2002-04-16 | System zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10216691A DE10216691A1 (de) | 2002-04-16 | 2002-04-16 | System zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE10216691A1 true DE10216691A1 (de) | 2003-11-06 |
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ID=28798426
Family Applications (1)
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DE10216691A Withdrawn DE10216691A1 (de) | 2002-04-16 | 2002-04-16 | System zur Einstellung einer Brennstoffzellenanlage |
Country Status (1)
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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