EP1779454A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

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EP1779454A1
EP1779454A1 EP05763397A EP05763397A EP1779454A1 EP 1779454 A1 EP1779454 A1 EP 1779454A1 EP 05763397 A EP05763397 A EP 05763397A EP 05763397 A EP05763397 A EP 05763397A EP 1779454 A1 EP1779454 A1 EP 1779454A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
fuel
cell system
amount
hydrogen
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05763397A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Kurrle
Matthias Lederbogen
Gerald Post
Volker Schempp
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the preamble of claim 1.
  • Offenlegüngsschrift DE 101 40 602 A1 discloses a method in which the cold start phase of the fuel cell system is improved and thus a duration of the shortage of supply of the fuel cell is shortened by increasing the pressure build-up in the fuel cell the fuel cell system as fast as possible and rea ⁇ lome. It is dosed after completion of a cold start ei ⁇ ne larger amount of fuel in the system volume of the fuel cell system, as would correspond to the amount that would be necessary to provide the currently required electrical power rule.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a fuel cell system, with the less fuel to avoid undersupply of a fuel cell with fuel must be used and ei ⁇ ne start time of the fuel cell system can be shortened.
  • an amount of fuel is metered into the fuel cell system taking into account a content of fuel stored in the fuel cell. If a larger amount of fuel is metered into an anode-side volume of the Brennstoffzel ⁇ lens system in the startup phase to avoid a deficiency of the fuel cell with fuel, as would correspond to the amount that would be necessary to provide a currently required electrical power, the actually supplied Men ⁇ the fuel to the current, stored in the fuel cell content can be reduced.
  • the fuel used is preferably hydrogen or a hydrogen-rich gas ein ⁇ . Furthermore, the starting phase of the fuel cell system can be shortened during a restart.
  • the content of stored fuel is determined by a determination of an electrical voltage at the fuel cell, a precise and simple estimation of the available and the required amount of fuel can be made.
  • hydrogen or a hydrogen-rich gas is used as the fuel. Since the fuel cell is capacitively charged with hydrogen during its operation and its amount slowly decreases after the fuel cell has been switched off, the fuel cell, after switching off, has an electrical residual voltage which decreases with time in proportion to the content of the stored hydrogen.
  • the starting phase can therefore be shortened advantageous.
  • the metered amount of fuel can recirculated anode gas from the anode loop.
  • the Dosie ⁇ tion can be done either active or passive. If it is active, for example, a pump can be used, the pump is operated at high residual voltage with a correspondingly reduced pump power and low residual voltage with a correspondingly increased pump power. This contributes to an improvement in the efficiency of the fuel cell system.
  • a time course of the fuel cell residual voltage is observed after the fuel cell system has been switched off, with metering of fuel occurring when the fuel cell system is switched on or switched on as a function of the time profile of the fuel cell residual voltage.
  • the FIGURE schematically shows a profile of a fuel cell residual voltage when the fuel cell system is switched off over time in connection with an amount of excess fuel to be metered in when the fuel cell system is restarted.
  • the invention is preferably used in a fuel cell vehicle.
  • the fuel cell system may provide drive of the vehicle with drive power, or the fuel cell system may additionally or alternatively be set as an auxiliary power source for the supply of electrical loads independently of a drive of the vehicle ein ⁇ .
  • the fuel cell system comprises a fuel cell which is composed of a plurality of individual cells, which are electrically connected in series and / or in parallel in order to be able to deliver a sufficient electrical power.
  • the fuel cell system is switched off at a time to, because there is no current requirement, ie the supply of the fuel cell with hydrogen as the reducing agent and oxygen as the oxidizing agent is interrupted.
  • the electrical voltage U of the fuel cell then drops with time t.
  • the course of the electrical voltage U of the fuel cell after switching off corresponds to a time-dependent residual fuel cell voltage which is produced by hydrogen stored in the fuel cell during operation, the hydrogen being charged with hydrogen during operation. If the fuel cell is switched off, the fuel cell releases this hydrogen again, and the residual fuel cell voltage decreases with time to zero.
  • the hydrogen still present in the fuel cell can be used. If, when starting the fuel cell system, its fuel cell anode side is purged with hydrogen in order to avoid undersupplying the fuel cell with hydrogen, a quantity reduced by the amount of hydrogen present in the fuel cell can be used to rinse the anode side. Based on the total amount of water So Stoffs less hydrogen must be supplied, and this can be done in less time.
  • the amount of hydrogen in the fuel cell system is metered in a starting phase when starting or restarting the fuel cell system, taking into account the content of hydrogen stored in the fuel cell.
  • the content of stored hydrogen is determined by a determination of the electrical voltage U at the fuel cell when the fuel cell system is switched off.
  • a quantitative correlation between residual fuel cell voltage and the amount of hydrogen in the fuel cell can be determined beforehand by measurement series and / or modeling, and is available in operation in a memory of a control unit, for example.
  • the metering can take place as a function of a cooling water temperature of the fuel cell.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei in einer Startphase zur Vermeidung einer Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzellensystems dosiert wird, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre. Eine Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff kann vermieden und eine Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt werden, wenn beim Starten die Menge von Brennstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff dosiert wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass bei BrennstoffZeilensystemen mit einem Gaserzeugungssystem oder mit einer Wasserstoffspeicherein¬ richtung (z.B. Druckspeichertank) in der Startphase, also be¬ vor das gesamte System seine Betriebstemperatur erreicht hat, spezielle Betriebsbedingungen gelten. So wird beispielsweise in der Startphase sehr häufig bei einem weitaus geringeren Systemdruck gearbeitet als im Normalbetrieb des Brennstoff¬ zellensystems. Um den Druckaufbau, der dadurch erforderlich ist, zu -gewährleisten, muss häufig in Kauf genommen werden, dass die Brennstoffzelle zumindest zwischenzeitlich nicht mit einer ausreichenden Menge an Wasserstoff oder wasserstoffhal- tigem Gas zum Erzeugen der geforderten Leistung der Brenn¬ stoffzelle versorgt wird. Die fehlende elektrische Leistung kann dann beispielsweise aus einem Zwischenspeicher, etwa ei¬ ner Batterie oder dergleichen, zugeführt werden. In einem Fahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, kann dazu beispielsweise eine Zusatzbatterie mitgeführt werden.
Aus der Offenlegüngsschrift DE 101 40 602 Al ist ein Verfah¬ ren bekannt, bei dem die Kaltstartphase des Brennstoffzellen¬ systems verbessert und damit eine Dauer der Unterversorgung der Brennstoffzelle verkürzt wird, indem der Druckaufbau in dem Brennstoffzellensystem möglichst schnell und einfach rea¬ lisiert wird. Es wird nach Abschluss einer Kaltstartphase ei¬ ne größere Menge von Brennstoff in das Systemvolumen des Brennstoffzellensystems dosiert, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell geforderten elektri¬ schen Leistung notwendig wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, mit dem weniger Brennstoff zur Vermeidung einer Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eingesetzt werden muss und ei¬ ne Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Starten eines Brennstoffzellensystems eine Menge von Brennstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff dosiert. Wenn in der Startphase zur Vermeidung einer Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzel¬ lensystems dosiert wird, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen einer aktuell geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre, kann die tatsächlich zugeführte Men¬ ge des Brennstoffs um den aktuellen, in der Brennstoffzelle gespeicherten Gehalt vermindert werden. Als Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas ein¬ gesetzt. Weiterhin kann die Startphase des Brennstoffzellen¬ systems bei einem Neustart verkürzt werden. Bei einem Brenn¬ stoffzellenfahrzeug, bei dem üblicherweise bei beginnender Stromentnahme das Brennstoffzellensystem eingeschaltet wird und das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, wenn kein Strom entnommen wird, kann mittels des erfindungsgemäßen Ver- fahrens eine vorteilhafte Betriebsstrategie mit einem Start- Stopp-Betrieb realisiert werden. Da demnach beim Starten oder Wiederstarten des Brennstoffzellensystems weniger unver¬ brauchter Brennstoff abgegeben wird, wird in der Betriebspha¬ se, z.B. mit einem Start-Stopp-Betrieb, der Brennstoff¬ verbrauch insgesamt vorteilhaft vermindert und eine Reichwei¬ te des Brennstoffzellenfahrzeugs bei sonst gleichen Leis¬ tungsdaten verbessert.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Wird der Gehalt an gespeichertem Brennstoff durch eine Be¬ stimmung einer elektrischen Spannung an der Brennstoffzelle bestimmt, kann eine genaue und einfache Abschätzung der ver¬ fügbaren und der benötigten Menge an Brennstoff erfolgen. Vorzugsweise wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff verwendet. Da die Brennstoffzelle während ih¬ res Betriebs sich kapazitiv mit Wasserstoff belädt und sich dessen Menge nach Abschalten der Brennstoffzelle langsam ver¬ ringert, weist die Brennstoffzelle nach dem Abschalten eine elektrische Restspannung auf, die mit der Zeit proportional zum Gehalt des gespeicherten Wasserstoffs abnimmt.
Vorzugsweise wird beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene Zeitspanne abhängig vom Gehalt an gespei¬ chertem Brennstoff weniger Brennstoff zudosiert. Es wird we¬ niger Brennstoff unnütz in die Umgebung abgegeben. Wird ein Überschuss an Brennstoff zugegeben, kann unter Berücksichti¬ gung des in der Brennstoffzelle gespeicherten Gehalts die In¬ betriebnahme in kürzerer Zeit erfolgen. Die Startphase kann daher vorteilhaft verkürzt werden.
Weist das BrennstoffZeilensystem eine Anodengas-Rezirkulation auf (Anoden-Loop) , so kann die zudosierte Menge an Brennstoff rezirkuliertes Anodengas aus dem Anoden-Loop sein. Die Dosie¬ rung kann dabei entweder aktiv oder passiv erfolgen. Erfolgt sie aktiv, so kann z.B. eine Pumpe eingesetzt werden, wobei die Pumpe bei hoher Restspannung mit entsprechend reduzierter Pumpleistung betrieben wird und bei geringer Restspannung mit entsprechend erhöhter Pumpleistung. Dies trägt zu einer Ver¬ besserung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems bei.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine Zudosierung abhängig von einer Kühlwassertemperatur der Brennstoffzelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein zeitlicher Ver¬ lauf der Brennstoffzellen-Restspannung nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems beobachtet, wobei beim Einschal¬ ten oder Wiedereinschalten des Brennstoffzellensystems eine Dosierung von Brennstoff abhängig von dem zeitlichen Verlauf der Brennstoffzellen-Restspannung erfolgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei¬ spiels näher erläutert. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fach¬ mann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinn¬ vollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigt die Figur schematisch einen Verlauf einer Brenn¬ stoffzellen-Restspannung bei abgeschaltetem Brennstoffzellen- system über der Zeit in Zusammenhang mit einer Menge an zuzu- dosierendem überschüssigem Brennstoff beim Wiederstarten des Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellen— fahrzeug eingesetzt. Das Brennstoffzellensystem kann einen Antrieb des Fahrzeugs mit Antriebsleistung versorgen, oder das Brennstoffzellensystem kann zusätzlich oder alternativ als eine Hilfsenergiequelle zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern unabhängig von einem Antrieb des Fahrzeugs ein¬ gesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, die aus einer Mehrzahl von Einzelzellen zu¬ sammengesetzt ist, die elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet sind, um eine ausreichende elektrische Leistung abgeben zu können.
Wie aus der Figur ersichtlich, wird zu einem Zeitpunkt to das Brennstoffzellensystem abgeschaltet, weil keine Stromanforde¬ rung vorliegt, d.h. die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Reduktionsmittel und Sauerstoff als Oxidati- onsmittel wird unterbrochen. Ausgehend von einer Betriebs¬ spannung Ub fällt die elektrische Spannung U der Brennstoff¬ zelle daraufhin mit der Zeit t ab. Der Verlauf der elektri¬ schen Spannung U der Brennstoffzelle nach dem Abschalten ent¬ spricht einer zeitabhängigen Brennstoffzellen-Restspannung, die durch in der Brennstoffzelle im Betrieb eingelagerten Wasserstoff entsteht, wobei sich die Brennstoffzelle im Be¬ trieb mit Wasserstoff auflädt. Wird die Brennstoffzelle abge¬ schaltet, gibt die Brennstoffzelle diesen Wasserstoff wieder frei, und die Brennstoffzellen-Restspannung sinkt mit der Zeit gegen Null ab. Wird jedoch zu einem Zeitpunkt, zu dem die Brennstoffzellen-Restspannung noch nicht ganz abgeklungen ist, das Brennstoffzellensystem wieder eingeschaltet, weil beispielsweise eine Leistungsanforderung des Fahrers des Brennstoffzellenfahrzeugs anliegt, kann auf den in der Brenn¬ stoffzelle noch vorhandenen Wasserstoff zurückgegriffen wer¬ den. Wird beim Starten des Brennstoffzellensystems dessen Brennstoffzellen-Anodenseite mit Wasserstoff gespült, um eine Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu ver¬ meiden, kann eine um die in der Brennstoffzelle vorhandene Wasserstoffmenge verminderte Menge zum Spülen der Anodenseite verwendet werden. Bezogen auf die Gesamtmenge des Wasser- Stoffs muss also weniger Wasserstoff zugeführt werden, und dies kann in kürzerer Zeit erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brenn¬ stoffzellensystems wird daher in einer Startphase beim Star¬ ten oder Wiederstarten des BrennstoffZeilensystems die Menge von Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berück¬ sichtigung des Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeicher¬ tem Wasserstoff dosiert.
Der Gehalt an gespeichertem Wasserstoff wird durch eine Be¬ stimmung der elektrischen Spannung U an der Brennstoffzelle bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem bestimmt. Eine quantitative Korrelation zwischen Brennstoffzellen- Restspannung und der Menge an Wasserstoff in der Brennstoff¬ zelle kann durch Messreihen und/oder eine Modellierung vorab bestimmt werden und steht im Betrieb beispielsweise in einem Speicher einer Steuereinheit zur Verfügung.
Im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren wird beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene. Zeit¬ spanne abhängig vom Gehalt an gespeichertem Brennstoff weni¬ ger Wasserstoff zudosiert.
Zweckmäßigerweise werden weitere Parameter in der Startphase berücksichtigt, die den Bedarf an Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, beeinflussen können, beispielsweise kann die Zu- dosierung abhängig von einer Kühlwassertemperatur der Brenn¬ stoffzelle erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines BrennstoffZeilensystems, wobei in einer Startphase zur Vermeidung einer Unterver¬ sorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzellensystems dosiert wird, als der Menge ent¬ sprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell gefor¬ derten elektrischen Leistung notwendig wäre, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten die Menge von Brennstoff in das Brenn¬ stoffZellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff do¬ siert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an gespeichertem Brennstoff durch eine Bestimmung einer elektrischen Spannung an der Brennstoff¬ zelle bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene Zeitspanne abhängig vom Gehalt an gespeichertem Brennstoff weniger Brennstoff zudosiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zudosierung abhängig von einer Kühlwassertempe¬ ratur der Brennstoffzelle erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der Brennstoffzellenspannung beobachtet und eine Dosierung von Brennstoff abhängig von dem zeitlichen Verlauf erfolgt.
EP05763397A 2004-07-30 2005-07-11 Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Withdrawn EP1779454A1 (de)

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