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Beschreibung
Titel
Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines
Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Kaltstart, des Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Bei Fahrzeugen, sog. Brennstoffzellenfahrzeugen, bei denen die Antriebsenergie u.a. durch ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Brennstoff Wasserstoff benutzt, um in der Brennstoffzelle zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack zusammengeführt werden. Herausfordernd ist bei den mobilen Brennstoffzellensystemen der Start des Systems bei allen weltweit relevanten Bedingungen und bei unterschiedlich langen Stillstandszeiten der Fahrzeuge: funktional zu realisieren und dabei die Lebenszeitanforderungen an das System zu erreichen.
Bei sog. Kaltstarts, auch genannt Gefrierstarts, ist u.a. das Ziel im Fokus, den Stack möglichst schnell aus der Gefrierzone (Temperatur > 0°C) zu bringen,
2 damit entstehendes Wasser an kritischen Stellen im Stack nicht einfriert. Bei einem fehlerhaften Gefrierstart können sowohl der Stack massiv irreversible Schäden nehmen als auch das System nicht startfähig sein, d.h. das Fahrzeug muss bei einem Gefrierstart möglichst schnell in eine „warme“ Umgebung gebracht werden. Wichtig ist es zumeist, wie viel Wasser der Stack vor dem Start bzw. beim Beginn des Starts enthält. Dieses Maß an Wasser soll vorteilhafterweise innerhalb eines Toleranzbandes liegen, damit der Stack einerseits das beim Start anfallende Wasser noch in seine speicherfähigen Komponenten (wie z. B. Membran, Gasdiffusionslage, etc.) einlagern kann, ohne Blockaden durch gefrierendes Wasser zu bekommen. Andererseits soll der Stack auch nicht komplett getrocknet werden, sodass keine Protonenleitfähigkeit der Membran möglich ist und die Membran durch zu trockene Zustände geschädigt wird. Somit sind den Starts vorgelagerte Zustände und Betriebsarten essentiell wichtig, um bereits vorbereitende Maßnahmen für den Wiederstart sicherzustellen, wie z. B.:
Trocknungsverfahren des Stacks beim Abstellen des Systems, und/oder
Purge-Vorgang im Stillstand des Systems.
Die Trocknung des Kathodenpfades kann bspw. mittels eines Luftverdichtungssystems (zum „Ausblasen“ des Stacks) für eine definierte Zeit durchgeführt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht vor: ein Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Kaltstart bzw. Gefrierstart, des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Zudem sieht die Erfindung eine entsprechende Steuereinheit und ein entsprechendes Computerprogramm mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und
- 3 jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Kaltstart, des Brennstoffzellensystems.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
Einleiten eines Trocknungsvorganges des Brennstoffzellensystems, oder mit anderen Worten Einschalten des Luftverdichtungssystems zum Ausblasen eines Kathodensystems (umfassend einen Kathodenpfad und/oder einen Kathodenraum im Stack) und/oder eines Anodensystems bzw. (umfassend einen Anodenpfad und/oder einen Anodenraum im Stack) des Brennstoffzellensystems,
Einregeln mindestens eines Betriebsparameters in mindestens einem Funktionssystem des Brennstoffzellensystems auf ein konstantes Niveau bzw. auf einen konstanten Wert,
Überwachen mindestens einer Auslasstemperatur aus einem Stack des Brennstoffzellensystems in mindestens einem Funktionssystem des Brennstoffzellensystems, insbesondere in einem Kathodensystem und/oder in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems,
Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur, insbesondere eines Gradienten der mindestens einen Auslasstemperatur,
Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges in Abhängigkeit von dem Auswerten, und insbesondere Beenden des Trocknungsvorganges zum bestimmten Abschlusszeitpunkt.
Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der vorgegebenen oder in einer abgeänderten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgen.
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Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, insbesondere brennstoffangetriebenen Fahrzeugen, verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann als Hauptenergielieferant für ein Fahrzeug dienen. Zugleich ist es aber auch denkbar, dass das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung ein Nebenantrieb und/oder Hilfsantrieb eines Fahrzeuges, bspw. eines Hybridfahrzeugs, sein kann. Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann zudem für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann dabei einen oder mehrere Stacks mit jeweils mehreren gestapelten Brennstoffzellen und den dazugehörigen Funktionssystemen aufweisen, umfassend: Mediensysteme (Luft- bzw. Kathodensystem, Brennstoff- bzw. Anodensystem, Kühlsystem) sowie ein elektrisches System. Vorzugsweise kann das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung mehrere Module in Form von einzelnen Stacks mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen umfassen.
Das mindestens eine Funktionssystem im Sinne der Erfindung kann ein Mediensystem (enthaltend: ein Luft- bzw. Kathodensystem, ein Brennstoff- bzw. Anodensystem und ein Kühlsystem) sowie ein elektrisches System umfassen.
Die Erfindung schlägt vor, den Trocknungsvorgang des Brennstoffzellensystems optimiert zu steuern und insbesondere in einem passenden Zeitfenster zu beenden, damit folgende Vorteile erreicht werden können, vorzugsweise sodass: der Stack nicht zu feucht abgestellt wird, wodurch Probleme bei einem Kalt- und/oder Gefrierstart reduziert bis gar vermieden werden können, die die Gefahr der Degradation, Schädigung und/oder Fehlfunktionen von Systemkomponenten mit sich bringen können, die Membran des Stacks nicht zu trocken wird, wodurch die Gefahr der Degradation der Membran, bspw. durch Schrumpfung und/oder Ausdünnung der Membran, Brennstoff- Diffusion von Anode nach Kathode, Brennstoff- Konzentrationserhöhung in der Kathode und/oder unnötiger Brennstoff-Verbrauch reduziert bis gar vermieden werden können,
- 5 das Abstellen des Brennstoffzellensystems nicht zu lange dauert, d.h. zeitoptimiert erfolgt, wodurch eine Optimierung der Postdrive- Zeit und eine Reduktion von unerwünschten Schwingungen, sog. NVH, beim Abstellen des Systems erzielt werden können.
Die Erfindungsidee liegt dabei darin, die Dauer des Trocknungsvorganges anhand von Temperatur(en) im Anodenpfad, insbesondere am Stack-Ausgang, und/oder von Temperatur(en) im Kathodenpfad, insbesondere am Stack- Ausgang, zu steuern.
Vorzugsweise kann die Erfindung eine Einregelung konstanter Stack- Betriebsbedingungen in den Funktionssystemen des Brennstoffzellensystems vorsehen, umfassend: ein Luftsystem bzw. Kathodensystem, ein Kühlsystem, ein Brennstoffsystem bzw. Anodensystem, und/oder ein elektrisches System.
Das Überwachen kann insbesondere umfassen:
Die Temperatur(en), gemeint sind insbesondere die Ausgangstemperatur(en), im Kathodenpfad und/oder im Anodenpfad können mit der Zeit erfasst und in Abhängigkeit von der Zeit als Funktion(en) bzw. Trajektorie(n) abgebildet werden.
Das Auswerten kann insbesondere umfassen:
Die Temperatur(en), insbesondere die Funktion(en) bzw. Trajektorie(n) der Temperatur(en), im Kathodenpfad und/oder im Anodenpfad können hinsichtlich der ersten Ableitung bzw. dem Gradienten ausgewertet werden, wobei insbesondere die Auswertung zumindest zum Teil oder ganz an eine externe Recheneinheit, bspw. Cloud, ausgelagert werden kann.
Das Bestimmen des Abschlusszeitpunktes kann insbesondere umfassen:
Wählen einer passenden Dauer des aktuellen Trocknungsvorgangs in Abhängigkeit von der Auswertung.
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Zudem kann das Verfahren durch eine Kombination mit weiteren Kriterien, wie bspw. einer Auswertung (der Trajektorie(n)) einer Impedanz und/oder einer Spannung, verfeinert und/oder plausibilisiert werden.
Ferner kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau bzw. auf einen konstanten Wert eingeregelt wird: mindestens ein Betriebsparameter in einem Kathodensystem des Brennstoffzellensystems, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Kathodensystem zumindest einen Luftmassenstrom, ein Druckniveau in einem Kathodenpfad und/oder eine Kathodeneintrittstemperatur aufweist, mindestens ein Betriebsparameter in einem Kühlsystem des Brennstoffzellensystems, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Kühlsystem zumindest eine Temperatur eines Kühlmittels an einem Stack- Eintritt und/oder eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen einem Stack- Eintritt und einem Stack-Austritt aufweist, mindestens ein Betriebsparameter in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im Anodensystem zumindest ein Druckniveau in einem Anodenpfad aufweist, und/oder mindestens ein Betriebsparameter in einem elektrischen System des Brennstoffzellensystems, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter im elektrischen System zumindest einen elektrischen Strom und/oder eine Stromdichte aufweist.
Auf diese Weise können möglichst konstante Bedingungen am und/oder im Stack eingestellt werden, sodass die Ausgangstemperatur(en) im Kathodenpfad und/oder im Anodenpfad, insbesondere deren Ableitungen bzw. Gradienten, bezeichnend für den Fortschritt des Trocknungsvorganges bzw. für die Restfeuchtigkeit im System sein können. Beim Trocknungsvorgang bzw. beim
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Ausblasen des Kathodensystems und/oder Anodensystems wird Feuchtigkeit bzw. Wassertröpfchen im Kathodenpfad und auch im Anodenpfad ausgetragen und gelangt so auch zu den Temperatursensoren stromabwärts des Stacks. Durch Verdunstung dieser Feuchtigkeit ergibt sich eine kühlende Wirkung (Verdampfungsenthalpie von Wasser liegt im relevanten Bereich bei 41 bis 45 KJ/mol), wodurch die Sensoren ein Absinken der Temperatur anzeigen. Die Temperaturen am Stack-Eingang liegen dabei über den Temperaturen am Stack- Ausgang. Das Kühlmittel kann wiederum eine höhere Temperatur als die Temperaturen am Stack-Ausgang aufweisen, an die sich auch die Temperaturen am Stack-Ausgang annähern würden, sofern sich die Eingangsbedingungen nicht oder nicht wesentlich ändern und sofern nur wenig Brennstoff oder nur vortemperierter Brennstoff in den Anodenkreislauf zudosiert wird. Zu Beginn des Trocknungsvorgangs sind die Membran, die Gasdiffusionslage, die Kanäle, bzw. die kompletten Oberflächen der Bipolarplatten gut mit Feuchtigkeit versorgt bzw. mit Wasser benetzt. Nach fortschreitender Trocknung nimmt das ungebundene und damit leicht abtransportierbare Wasser immer mehr ab. Die Gasmassenströme im Kathodenpfad und Anodenpfad führen immer weniger Wassertröpfchen aus dem Stack ab und die Feuchtigkeit stromabwärts des Stacks nimmt ab. Dadurch vermindert sich auch die Verdunstung und einhergehend nehmen auch die Temperaturgradienten am Stack-Ausgang ab. Sinken somit die Gradienten am Stack-Ausgang, bspw. unter applizierbare Schwellenwerte, ab bzw. steigen die Ausgangstemperaturen wieder an, dann ist der Trocknungsvorgang ausreichend durchgeführt. Eine weitere Trocknung würde die Membran zu stark austrocknen, ggf. zu erhöhter Degradation führen, zu einem unerwünschten Brennstofftransport von Anode zu Kathode, zu einem unnötigen Brennstoffverbrauch, zu einem unnötigen Zeitbedarf und zu unnötigen Vibrationen beim Abstellen des Systems.
Vorteilhafterweise können beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters mindestens ein Parameter unterschiedlicher Funktionssysteme zeitgleich, zumindest teilweise zur gleichen Zeit oder nacheinander eingeregelt werden. Auf diese Weise kann die Steuerung des Trocknungsvorganges auf eine flexible Art und Weise ermöglicht werden.
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Vorzugsweise kann vor dem Einleiten des Trocknungsvorganges mindestens ein Vorbereitungsschritt durchgeführt werden, um insbesondere den mindestens einen Betriebsparameter in mindestens einem Funktionssystem des Brennstoffzellensystems auf ein gewünschtes Niveau einzustellen oder zumindest nahezubringen. Auf diese Weise können nach dem Einleiten des Trocknungsvorganges relativ schnell konstante Bedingungen im System eingestellt werden und das Verfahren zeitsparend durchgeführt werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass beim Durchführen des Verfahrens unterschiedliche Parametersets des mindestens einen Betriebsparameters verwendet werden, und/oder dass beim Durchführen des Verfahrens unterschiedliche Werte des mindestens einen Betriebsparameters, insbesondere sequenziell, vorzugsweise mit einem transienten Übergang ohne Auswerten, verwendet werden. Auf diese Weise kann ein stufenweises Durchführen des Trocknungsvorganges ermöglicht werden, welcher schonend für den Stack ablaufen kann.
Wie oben bereits erwähnt, können beim Überwachen der mindestens einen Auslasstemperatur:
- eine Auslasstemperatur in einem Kathodensystem und/oder
- eine Auslasstemperatur in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems erfasst werden. Die Temperatur(en), insbesondere die Ausgangstemperatur(en), im Kathodensystem, umfassend den Kathodenpfad zu dem und/oder durch den Stack, und/oder im Anodensystem, umfassend den Anodenpfad zu dem und/oder durch den Stack, können bezeichnend für den Fortschritt des Trocknungsvorgangs sein, um einen verbesserten Abschlusszeitpunkt des Trocknungsvorgangs zu bestimmen.
Vorteilhafterweise können beim Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur zumindest ein Gradient einer Temperaturfunktion und/oder eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Punkten einer Temperaturfunktion ausgewertet werden. Die Gradienten, die abfallen und mit der Zeit des Trocknungsvorganges sich dem Nullwert näheren, können ein Anzeichen für einen ausreichenden Fortschritt des Trocknungsvorganges und somit für passenden Abschlusszeitpunkt des Trocknungsvorganges sein. Durch
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Überwachen der Temperaturdifferenz können die Ergebnisse des Verfahrens verfeinert werden.
Vorzugsweise kann beim Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur zumindest ein Schwellenwert, insbesondere für den Gradienten einer Temperaturfunktion, auf Unterschreitung überwacht werden. Dies kann eine rechnerisch einfache und zuverlässige Methode darstellen, um einen ausreichenden Fortschritt des Trocknungsvorganges und somit einen passenden Abschlusszeitpunkt des Trocknungsvorganges zu bestimmen.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass, wenn beim Überwachen der mindestens einen Auslasstemperatur eine Auslasstemperatur in einem Kathodensystem und eine Auslasstemperatur in einem Anodensystem des Brennstoffzellensystems (bzw. beide Auslasstemperaturen der Reaktandenpfade am Stack-Ausgang) erfasst werden, die zeitlich spätere Unterschreitung eines Schwellenwerts als eine Abbruchbedingung beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges berücksichtigt wird, und/oder nach einer ersten Unterschreitung eines Schwellenwerts eine vordefinierte Wartezeit eingestellt wird, die maximal verstreichen darf, bis der Trocknungsvorgang beendet wird, um auf die zeitlich spätere Unterschreitung eines Schwellenwerts zu warten.
Der Trocknungsvorgang kann somit variabel durchgeführt werden, verfeinerte Ergebnisse liefern und passend bzw. rechtzeitig beendet werden.
Zudem ist es denkbar, dass beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges ein theoretisch bestimmter Zeitpunkt in Abhängigkeit von dem Auswerten verwendet wird, wobei vorzugsweise: der Abschlusszeitpunkt als der theoretisch bestimmte Zeitpunkt bestimmt wird, oder der Abschlusszeitpunkt als der theoretisch bestimmte Zeitpunkt mit einer weiteren (bzw. plus eine weitere) Kompensationszeit bestimmt wird.
Im ersteren Falle kann ein schnelles Durchführen des Verfahrens ermöglicht werden. Im letzteren Falle können noch eventuelle Unsicherheiten aus der
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Auswertung und/oder dreidimensionalen Verteilung der thermodynamischen Größen im Stack kompensiert werden.
Außerdem ist es denkbar, dass nach dem Beenden des Trocknungsvorganges zum Abschlusszeitpunkt mindestens ein weiterer Abstellvorgang durchgeführt wird, bspw. umfassend: einen Bleed-Down-Vorgang und/oder einen Purge-Vorgang.
Auf diese Weise kann der Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems neben dem optimierten Trocknungsvorgang mit weiteren vorteilhaften Maßnahmen kombiniert werden.
Um das Verfahren noch weiter zu verfeinern, kann vorgesehen sein, dass neben dem Überwachen und Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur mindestens ein weiterer Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems überwacht und ausgewertet wird, umfassend: eine Impedanz, eine elektrische Spannung des Brennstoffzellensystems, und/oder eine elektrische Spannung von Einzelzellen des Brennstoffzellensystems. Das Verfahren kann somit mit weiteren Triggern bzw. Diagnosen bzw. Überwachungsfunktionen kombiniert werden. Durch Kombination mehrerer Kriterien kann die Dauer des Trocknungsverfahrens noch robuster adaptiert werden.
Ferner ist es denkbar, dass, wenn mehrere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems überwacht und ausgewertet werden, beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges mindestens zwei, vorzugsweise vier, Betriebsparameter berücksichtigt werden, oder beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes zum Beenden des Trocknungsvorganges eine Gütefunktion der Betriebsparameter verwendet wird, die insbesondere die Werte der Betriebsparameter normiert, gewichtet und/oder nach Verfügbarkeit verbindet.
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Im ersteren Falle kann ein verfeinertes und zugleich relativ schnelles Durchführen des Verfahrens ermöglicht werden. Im letzteren Falle kann das Verfahren besonders robuste und zuverlässige Ergebnisse liefern.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zumindest zum Teil, insbesondere zum Teil: Auswerten und/oder Bestimmen, durch eine externe Recheneinheit, insbesondere Cloud, durchgeführt werden.
Das Verfahren kann weiterhin zumindest zum Teil, umfassend Einleiten,
Einregeln und/oder Überwachen, durch eine Steuereinheit des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
Eine entsprechende Steuereinheit stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung bereit. In einer Speichereinheit der Steuereinheit kann ein Computerprogramm in Form eines Codes hinterlegt werden, welcher bei Ausführen des Codes durch eine Recheneinheit der Steuereinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Die Steuereinheit kann mit Temperatursensoren am Stack-Ausgang des Kathodensystems und/oder des Anodensystems in einer Kommunikationsverbindung stehen, um bspw. die Ausgangstemperaturen abzufragen und/oder zu erhalten. Die Steuereinheit kann die Aktoren in den Funktionssystemen des Brennstoffzellensystems entsprechenden ansteuern, um das Verfahren entsprechend durchzuführen.
Außerdem kann die Steuereinheit mit einer externen Recheneinheit in einer Kommunikationsverbindung stehen, um einige Verfahrensschritte und/oder Berechnungen ganz oder tlw. an die externe Recheneinheit auszulagern.
Gemäß eines weiteren Aspekts stellt die Erfindung ein
Computerprogrammprodukt bereit, umfassend Befehle, die bei der Ausführung
12 des Computerprogrammprodukts durch einen Computer, wie z. B. die Recheneinheit der Steuereinheit, den Computer veranlassen, das Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Steuereinheit beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung,
Fig. 2 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Ausgangstemperatur(en), in einem Kathodenpfad eines Kathodensystems und in einem Anodenpfad eines Anodensystems sowie einer Eingangstemperatur eines Kühlmittels in einem Kühlmittelpfad eines Brennstoffzellensystems zur Erklärung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 3 einen beispielhaften Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
Die Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Stack 101 zusammengefügt werden. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 zumindest vier Funktionssysteme 1, 2, 3, 4, darunter: ein Kathodensystem 1, um einen Kathodenraum bzw. einen Kathodenpfad K des Stacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu
- 13 - versorgen, ein Anodensystem 3, um einen Anodenraum bzw. einen Anodenpfad A des Stacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem 2, um den Stack 101 zu temperieren, und ein elektrisches System 4, um die erzeugte elektrische Leistung vom Stack 101 abzuführen.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein Kathodensystem 1 mit einer Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und einer Abluftleitung 12 vom Stack 101. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern.
Die Gasfördermaschine V im Kathodensystem 1 kann in Form eines Verdichters ausgeführt sein, um die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer Zuluft an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft aus dem System 100 wieder an die Umgebung U abgelassen.
Wie es die Figur 1 andeutet, kann stromabwärts nach dem Verdichter mindestens ein Zuluftkühler IC und ggf. ein nicht dargestellter Befeuchter vorgesehen sein.
Vor und nach dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 können Absperrventile SV1, SV2 vorgesehen sein. Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein Ventil CVexh als Druckregler vorgesehen sein.
In der Zuluftleitung 11 und/oder in der Abluftleitung 12 können auch mehrere Sensoren vorgesehen sein, wie z. B. Feuchtigkeitssensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Massen- und/oder Volumensensoren usw. Alle Sensoren sind in der Figur 1 lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt.
Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein. Die Bypassleitung 13 kann bspw. zur Massenstromsteuerung im Kathodensystem 1 und/oder zur Verdünnung der, ggf. wasserstoffhaltigen, Abluft von dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 genutzt werden.
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Das Anodensystem 3 weist mehrere Komponenten auf. Zu den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, gehören ein Brennstofftank 31 und mindestens ein Druckregler 32. Der Druckregler 32 kann außerdem über eine Absperrfunktion verfügen. Wenn der Druckregler 32 über keine Absperrfunktion verfügt, kann ein separates Absperrventil am Eingang in den Anodenraum bzw. Anodenpfad A vorgesehen sein.
Weitere Komponenten im Anodensystem 3 sind eine Strahlpumpe 33 und eine Rezirkulationspumpe 34. Zudem kann im Anodensystem 3 ein Purge- und/oder Drainventil 35 vorgesehen sein.
Mithilfe der Figuren 2 und 3 wird ein Verfahren im Sinne der Erfindung beschrieben, welches zur Steuerung eines Trocknungsvorganges eines Brennstoffzellensystems 100, insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 100, vorzugsweise in Vorbereitung auf einen Start, insbesondere einen Kaltstart, des Brennstoffzellensystems 100 dient, das bspw. wie in der Figur 1 gezeigt ausgeführt sein kann.
Das Verfahren weist dabei folgende Schritte auf:
START Einleiten eines Trocknungsvorganges des Brennstoffzellensystems 100, oder mit anderen Worten Einleiten eines Ausblasens eines Kathodensystems 1, insbesondere eines Kathodenpfades K, und/oder eines Anodensystems 3, insbesondere eines Anodenpfades A, des Brennstoffzellensystems 100,
PI Einregeln mindestens eines Betriebsparameters i, ii, iii in mindestens einem Funktionssystem 1, 2, 3, 4 des Brennstoffzellensystems 100 auf ein konstantes Niveau bzw. auf einen konstanten Wert,
P2 Überwachen mindestens einer Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut aus dem Stack 101 in mindestens einem Funktionssystem 1, 2, 3, 4 des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere in einem Kathodensystem 1 und/oder in einem Anodensystem 3 des Brennstoffzellensystems,
P3 Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur TCathOut,
TAnodOut, insbesondere einer ersten Ableitung bzw. eines Gradienten der mindestens einen Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut,
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P4 Bestimmen eines Abschlusszeitpunktes tdryEnd zum Beenden des Trocknungsvorganges in Abhängigkeit von dem Auswerten, und insbesondere:
END Beenden des Trocknungsvorganges zum bestimmten Abschlusszeitpunkt tdryEnd.
Die Erfindung ermöglicht es somit, den Trocknungsvorgang des Brennstoffzellensystems 100 optimiert zu steuern und insbesondere zu einem passenden Abschlusszeitpunkt tdryEnd zu beenden.
Mithilfe der Erfindung können folgende Vorteile erreicht werden, sodass: der Stack 101 nicht zu feucht abgestellt wird, was die Gefahr der Degradation, Schädigung und/oder Fehlfunktionen von Systemkomponenten reduziert und nahezu minimiert, die Membran des Stacks 101 nicht zu trocken wird, was die Gefahr der Degradation der Membran, bspw. durch Schrumpfung und/oder Ausdünnung der Membran, Brennstoff- Diffusion vom Anodenraum A zum Kathodenraum K, Brennstoff- Konzentrationserhöhung in dem Kathodenraum K und/oder unnötiger Brennstoff-Verbrauch reduziert bis gar vermeidet, das Abstellen des Brennstoffzellensystems nicht länger als erforderlich dauert, d.h. zeitoptimiert erfolgt, was eine Optimierung der Postdrive- Zeit und eine Reduktion von unerwünschten Schwingungen, sog. NVH, beim Abstellen des Systems mit sich bringt.
Vorteilhafterweise wird die Dauer des Trocknungsvorganges anhand von Temperatur(en) im Anodensystem 3, insbesondere am Stack-Ausgang TAnodOut, und/oder von Temperatur(en) im Kathodensystem 1, insbesondere am Stack- Ausgang TCathOut gesteuert.
Wie es die Figur 3 schematisch andeutet, kann die Erfindung im Schritt PI eine Einregelung konstanter Stack-Betriebsbedingungen in den Funktionssystemen 1, 2, 3, 4 des Brennstoffzellensystems 100 vorsehen, umfassend:
Pl-1 ein Luftsystem bzw. Kathodensystem 1,
Pl-2 ein Kühlsystem,
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Pl-3 ein Brennstoffsystem bzw. Anodensystem 3, und/oder Pl-4 ein elektrisches System 4.
Das Verfahren kann dabei vorsehen, dass beim Einregeln des mindestens einen Betriebsparameters i, ii, iii mindestens einer der nachfolgenden Parameter auf ein konstantes Niveau bzw. auf einen konstanten Wert eingeregelt wird:
Pl-1 mindestens ein Betriebsparameter Pl-li, Pl-lii, Pl-liii in einem Kathodensystem 1 des Brennstoffzellensystems 100, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter Pl-li, Pl-lii, Pl-liii im Kathodensystem 1 zumindest einen Luftmassenstrom, ein Druckniveau in einem Kathodenpfad und/oder eine Kathodeneintrittstemperatur aufweist,
Pl-2 mindestens ein Betriebsparameter Pl-2i, P1-2Ü, Pl-2iii in einem Kühlsystem 2 des Brennstoffzellensystems 100, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter Pl-2i, P1-2Ü, Pl-2iii im Kühlsystem 2 zumindest eine Temperatur eines Kühlmittels an einem Stack- Eintritt und/oder eine Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen einem Stack- Eintritt und einem Stack- Austritt aufweist,
Pl-3 mindestens ein Betriebsparameter Pl-3i, P1-3Ü, Pl-3iii in einem Anodensystem 3 des Brennstoffzellensystems 100, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter Pl-3i, P1-3Ü, Pl-3iii im Anodensystem 3 zumindest ein Druckniveau in einem Anodenpfad aufweist, und/oder
Pl-4 mindestens ein Betriebsparameter Pl-4i, P1-4Ü, Pl-4iii in einem elektrischen System 4 des Brennstoffzellensystems 100, wobei insbesondere der mindestens eine Betriebsparameter Pl-4i, P1-4Ü, Pl-4iii im elektrischen System 4 zumindest einen elektrischen Strom und/oder eine Stromdichte aufweist.
Auf diese Weise können möglichst konstante Bedingungen am und/oder im Stack 101 eingestellt werden, um die Ausgangstemperatur(en) TCathOut, TAnodOut im Kathodenpfad K und/oder im Anodenpfad A, insbesondere deren Ableitungen dT(t)/dt bzw. Gradienten, überwachen und auswerten zu können.
Folglich können die Ausgangstemperatur(en) TCathOut, TAnodOut im Kathodenpfad K und/oder im Anodenpfad A, insbesondere deren Ableitungen
- 17 - dT(t)/dt bzw. Gradienten, als bezeichnende Faktoren für den Fortschritt des Trocknungsvorganges bzw. für die Restfeuchtigkeit im System 101 sein können.
Beim Trocknungsvorgang bzw. beim Ausblasen des Kathodensystems 1 und/oder Anodensystems 3 wird Feuchtigkeit bzw. Wassertröpfchen aus dem Kathodenpfad K und auch aus dem Anodenpfad A ausgetragen und gelangt so auch zu den Temperatursensoren Sl, S3 stromabwärts des Stacks 101. Durch Verdunstung dieser Feuchtigkeit ergibt sich eine kühlende Wirkung an den Sensoren Sl, S3, wodurch die Sensorwerte ein Absinken (dT(t)/dt < 0) der Temperatur T anzeigen. Die Temperaturen am Stack-Eingang liegen dabei über den Temperaturen TCathOut, TAnodOut am Stack-Ausgang. Das Kühlmittel kann wiederum eine höhere Temperatur TCoolln als die Temperaturen TCathOut, TAnodOut am Stack-Ausgang aufweisen, wie es die Figur 2 verdeutlicht. Tendenziell würden sich auch die Temperaturen TCathOut, TAnodOut am Stack-Ausgang an die Temperatur TCoolln des Kühlmittels annähern, sofern sich die Eingangsbedingungen nicht oder nicht wesentlich ändern und sofern nur wenig Brennstoff oder nur vortemperierter Brennstoff in den Anodenkreislauf zudosiert wird.
Zu Beginn des Trocknungsvorgangs sind die Membran, die Gasdiffusionslage, die Kanäle, bzw. die kompletten Oberflächen der Bipolarplatten gut mit Feuchtigkeit versorgt bzw. mit Wasser benetzt. Mit dem Fortschritt des Trocknungsvorganges nimmt das ungebundene und damit leicht abtransportierbare Wasser immer mehr ab. Die Gasmassenströme im Kathodenpfad K und Anodenpfad A führen immer weniger Wassertröpfchen aus dem Stack 101 ab und die Feuchtigkeit stromabwärts des Stacks 101 nimmt ab. Dadurch vermindert sich auch die Verdunstung und einhergehend nehmen auch die Temperaturgradienten dTCathOut(t)/dt, dTAnodOut(t)/dt am Stack-Ausgang ab, wie es die Figur 2 zeigt.
Sinken die Temperaturgradienten dTCathOut(t)/dt, dTAnodOut(t)/dt am Stack- Ausgang, bspw. unter applizierbare Schwellenwerte tdryEndEvalAnod, tdryEndEvalCath, ab bzw. steigen die Temperaturen TCathOut, TAnodOut wieder an, dann ist der Trocknungsvorgang ausreichend durchgeführt.
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Eine weitere Trocknung würde die Membran zu stark austrocknen, ggf. zu erhöhter Degradation führen, zu Brennstofftransport vom Anodenraum A zum Kathodenraum K, zu unnötigem Brennstoffverbrauch, zu unnötigem Zeitbedarf und zu unnötigen Vibrationen beim Abstellen des Systems 100.
Die Parameter unterschiedlicher Funktionssysteme 1, 2, 3, 4 können zeitgleich, zumindest teilweise zur gleichen Zeit oder nacheinander eingeregelt werden.
Wie es die Figur 3 ferner schematisch andeutet, kann vor dem Einleiten des Trocknungsvorganges mindestens ein Vorbereitungsschritt PO durchgeführt werden, um den mindestens einen Betriebsparameter i, ii, iii in mindestens einem Funktionssystem 1, 2, 3, 4 des Brennstoffzellensystems 100 auf ein gewünschtes Niveau einzustellen.
Weiterhin ist es denkbar, dass beim Durchführen des Verfahrens unterschiedliche Parametersets Pl-A, Pl-B des mindestens einen Betriebsparameters i, ii, iii bzw. unterschiedliche Werte Pl-A, Pl-B des mindestens einen Betriebsparameters i, ii, iii verwendet werden. Hierbei können die unterschiedliche Werte Pl-A, Pl-B vorteilhafterweise sequenziell, vorzugsweise mit einem transienten Übergang, insbesondere ohne Auswerten, eingeleitet werden. Somit kann ein stufenweises Durchführen des Trocknungsvorganges ermöglicht werden.
Wie es die Figur 3 weiterhin schematisch andeutet, können/kann in Schritt P2 bzw. beim Überwachen der mindestens einen Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut eine Auslasstemperatur TCathOut in einem Kathodensystem 1 und/oder eine Auslasstemperatur TAnodOut in einem Anodensystem 3 des Brennstoffzellensystems 100 erfasst werden.
Wie es die Figur 3 des Weiteren schematisch andeutet, können/kann beim Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut zumindest ein Gradient dT(t)/dt einer Temperaturfunktion T(t) und/oder eine Temperaturdifferenz dT zwischen mindestens zwei Punkten einer Temperaturfunktion T(t) ausgewertet werden.
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Wie es die Figur 2 mithilfe von Katheten zu den Temperaturfunktionen andeutet, nähern sich die Gradienten mit der Zeit des Trocknungsvorgangenges dem Nullwert, was als Anzeichen für einen ausreichenden Fortschritt des Trocknungsvorganges und somit für einen passenden Abschlusszeitpunkt des Trocknungsvorganges gewertet werden kann.
Wie es die Figur 2 zudem andeutet, können beim Auswerten der Auslasstemperaturen TCathOut, TAnodOut Schwellenwerte tdryEndEvalAnod, tdryEndEvalCath, insbesondere für einen Gradienten dT(t)/dt einer Temperaturfunktion T(t), auf Unterschreitung überwacht werden.
Wie es die Figur 3 ferner schematisch zeigt, wenn beim Überwachen der mindestens einen Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut beide Auslasstemperaturen TCathOut, TAnodOut im Kathodensystem 1 und im Anodensystem 3 erfasst werden, kann vorgesehen sein, dass: die zeitlich spätere Unterschreitung eines Schwellenwerts tdryEndEvalAnod, tdryEndEvalCath als eine Abbruchsbedingung beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes tdryEnd zum Beenden des Trocknungsvorganges berücksichtigt wird, und/oder nach einer ersten Unterschreitung eines Schwellenwerts tdryEndEvalAnod, tdryEndEvalCath eine vordefinierte Wartezeit twaitforSecond eingestellt wird, die maximal verstreichen darf, bis der Trocknungsvorgang beendet wird, um auf die zeitlich spätere Unterschreitung eines Schwellenwerts tdryEndEvalAnod, tdryEndEvalCath zu warten.
Zudem zeigt die Figur 3 schematisch, dass beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes tdryEnd zum Beenden des Trocknungsvorganges ein theoretisch bestimmter Zeitpunkt tdryEnd Eval in Abhängigkeit von dem Auswerten verwendet werden kann, wobei vorzugsweise: der Abschlusszeitpunkt tdryEnd als der theoretisch bestimmte Zeitpunkt tdryEnd Eval bestimmt wird, oder der Abschlusszeitpunkt tdryEnd als der theoretisch bestimmte Zeitpunkt tdryEnd Eval mit einer weiteren Kompensationszeit dtadditional bestimmt wird.
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Außerdem zeigt die Figur 3 schematisch, dass nach dem Beenden des Trocknungsvorganges zum Abschlusszeitpunkt tdryEnd mindestens ein weiterer Abstellvorgang P5 durchgeführt werden kann, umfassend bspw.: einen Bleed-Down-Vorgang und/oder einen Purge-Vorgang.
Darüber hinaus zeigt die Figur 3, dass das Verfahren noch weitere Verfeinerung neben dem Überwachen und Auswerten der mindestens einen Auslasstemperatur TCathOut, TAnodOut aufweisen kann, wobei mindestens ein weiterer Betriebsparameter ZI, Z2, Z3 (bzw. Kriterium Kl, K2, K3, K4, K5) des Brennstoffzellensystems 100 in Schritt P2 überwacht und in Schritt P3 ausgewertet wird, umfassend: eine Impedanz ZI, eine elektrische Spannung Z2 des Brennstoffzellensystems 100, und/oder eine elektrische Spannung Z3 der Einzelzellen des Brennstoffzellensystems 100.
Wenn mehrere Betriebsparameter TCathOut, TAnodOut, ZI, Z2, Z3 des Brennstoffzellensystems 100 überwacht und ausgewertet werden, kann das Verfahren vorsehen, dass: beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes tdryEnd zum Beenden des Trocknungsvorganges in Schritt P3 mindestens zwei, vorzugsweise vier, Betriebsparameter TCathOut, TAnodOut, ZI, Z2, Z3 berücksichtigt werden, oder, wie es die Figur 3 schematisch zeigt: beim Bestimmen des Abschlusszeitpunktes tdryEnd zum Beenden des Trocknungsvorganges in Schritt P3 eine Gütefunktion G der Betriebsparameter TCathOut, TAnodOut, ZI, Z2, Z3 verwendet wird, die insbesondere die Werte der Betriebsparameter TCathOut, TAnodOut, ZI, Z2, Z3 normiert, gewichtet und/oder nach Verfügbarkeit verbindet.
Ein Beispiel für die Gütefunktion G kann wie folgt abgebildet werden:
G=(gl*Kl*bl +g2*K2*b2+ g3*K3*b3+g4*K4*b4+g5*K5*b5)/(bl+b2+b3+b4-b5).
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Bei einer Gütefunktion G können die Kriterien Kl, K2, K3, K4, K5 (d. h. die Betriebsparameter TCathOut, TAnodOut, ZI, Z2, Z3) als kontinuierliche Größen verwendet oder als normierte Größen (z.B. Erfüllungsgrad k, %) umgerechnet werden. Zudem können die Kriterien Kl, K2, K3, K4, K5 gewichtet (g) werden. Parameter b können für eine plausible Bestimmung (und Verfügbarkeit) stehen
(b=0 oder b=l), sodass nur die Kriterien angewendet werden, die verfügbar und während der aktuellen Auswertung plausibel sind. Z.B. könnte ein Sensor einfrieren und unplausibel werden. In diesem Falle würde der Parameter b=0 sein.
Ist die Gütefunktion G > Glim, dann wird der Trocknungsprozess direkt oder nach einerweiteren Zeit dtadditional beendet.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.