WO2023041388A1 - Brennstoffzellensystem mit selbsttätiger erkennung eines geleerten wasserabscheiders - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit selbsttätiger erkennung eines geleerten wasserabscheiders Download PDF

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WO2023041388A1
WO2023041388A1 PCT/EP2022/074801 EP2022074801W WO2023041388A1 WO 2023041388 A1 WO2023041388 A1 WO 2023041388A1 EP 2022074801 W EP2022074801 W EP 2022074801W WO 2023041388 A1 WO2023041388 A1 WO 2023041388A1
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coupled
anode
fuel cell
hydrogen
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PCT/EP2022/074801
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Tobias FALKENAU
Timo Bosch
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • Fuel cells use reaction gases in the form of hydrogen and oxygen to generate electrical power through catalytic bonding while releasing waste heat and water. Air can be used instead of pure oxygen, particularly when used in vehicles.
  • the reaction gases are to be fed continuously to the fuel cells, with hydrogen being fed to the fuel cells on the anode side and oxygen on the cathode side.
  • anodes and cathodes can be separated from one another by a membrane.
  • Several fuel cells can be combined in the form of a stack with common supply and exhaust channels in order to increase the electrical voltage generated and to optimize the operation of the fuel cells.
  • the hydrogen supplied on the anode side is at least partially consumed, with water being produced on the cathode side, which also diffuses through to the anode.
  • Water separators are usually used to separate liquid water and a gaseous part of the anode waste gas, which often also store separated water in addition to the separation function. When the water separator's reservoir is full, the stored water is discharged by opening a drain valve, also known as a drain valve. Nitrogen can get into the anode through diffusion processes. A further source of nitrogen can also be provided by hydrogen that is not supplied in completely pure form. The presence of nitrogen in the anode can reduce the cell voltage and thus the stack voltage delivered by the fuel cell stack, resulting in efficiency losses. To avoid this, gas is repeatedly discharged from the anode compartment during operation in order to reduce the nitrogen content there. This discharge is done with a flush valve, also known as a purge valve.
  • the fuel cells are supplied with hydrogen by means of hydrogen metering valves, which can be designed as proportional valves.
  • a possible control strategy envisages using such a valve to adjust the gas pressure within an anode path, measured by a pressure sensor at a defined position, to a defined target pressure as a function of the system operating point. Due to consumption of the hydrogen due to the electrochemical conversion or due to other losses, for example due to the drain valve being opened for too long or due to the flushing valve being opened, fresh hydrogen is always supplied at the desired setpoint pressure. Even draining water leads to a reduction in the water column in the water separator by opening the drain valve and requires an increased flow of fresh gas through the hydrogen metering valve in order to maintain the desired setpoint pressure.
  • depleted anode off-gas which still contains useful hydrogen, is recirculated to a hydrogen inlet.
  • This is often achieved using a combination of a jet pump and an active gas pumping unit.
  • the jet pump uses the pressure of the fresh hydrogen supplied to recirculate gas in the so-called anode path.
  • the active gas delivery unit supports this recirculation process.
  • the object of the invention is therefore to propose a device or a method with which a state of a water separator can be reliably identified in which no more liquid water is passing through the drain valve during a draining process and a previously formed water column is reduced to a minimum.
  • a fuel cell system having at least one fuel cell with an anode and a cathode, a hydrogen supply line, a jet pump coupled to the hydrogen supply line, an anode exhaust gas line, a water separator, a drain valve, a gas delivery unit coupled to the anode exhaust gas line and the jet pump, and a control unit, wherein the water separator is coupled to the anode off-gas line and is configured to separate and collect water from an anode off-gas, wherein the drain valve is coupled to the water separator and is configured to drain separated water from the water separator, wherein the gas delivery unit is configured to collect anode off-gas to recirculate via the jet pump to the hydrogen supply line.
  • control unit is coupled to the gas delivery unit, and the control unit is designed to at least temporarily detect a power consumption of the gas delivery unit when the drain valve is open and to generate a control signal and make it available at a control signal output if the power consumption drops by a predeterminable proportion, wherein the control signal represents an empty water trap.
  • the fuel cell system preferably has a number of fuel cells which are combined to form a fuel cell stack.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • others could Be realized forms of fuel cells, which may include, inter alia, solid oxide and direct methanol fuel cells.
  • the fuel cells can be coupled on the cathode side to an air supply unit, which could have one or more compressors, which introduces pressurized air into a cathode path upstream of the fuel cell system.
  • the compressor or compressors could be operated by an electric motor that is supplied with a voltage that is provided by the fuel cell system itself and/or an external voltage source, such as a buffer battery.
  • a turbine could also be provided, which is arranged downstream of the fuel cells in the cathode path and supports the compressor or compressors.
  • the hydrogen supply line supplies hydrogen to the fuel cell system and can consequently be connected to a hydrogen source.
  • the jet pump which mixes anode exhaust gas into the hydrogen feed line, is provided downstream of the hydrogen source.
  • the anode waste gas which can still contain a proportion of unused hydrogen, is thereby fed back into the anode path and is not lost for use in the fuel cell.
  • the jet pump could have a propulsion nozzle for introducing the hydrogen into a mixing comb to produce a mixture of fresh hydrogen and recirculated anode exhaust gas.
  • the type of jet pump is irrelevant to the invention. For example, reference is made to DE102016210020A1, in which jet pumps are explained.
  • the gas delivery unit which can also be known as a recirculation fan, is provided to support the jet pump. It could be switched on during the flushing process or when the jet pump was expected to deliver insufficient power.
  • the anode exhaust line carries anode exhaust away from the fuel cell system.
  • the water separator is provided Water removed from the anode exhaust.
  • the state of the water separator can be detected in which the water separator is practically completely empty or the water column formed therein is reduced to a minimum. This is achieved by recording and examining the power consumption of the gas delivery unit.
  • the input power depends on whether gas leaves an anode path. If, for example, the drain valve is opened and gas escapes from the anode exhaust gas line through the drain valve, the function of the jet pump is supported. Consequently, the gas delivery unit provided to support the jet pump has to apply less mechanical power for this operating state, with the result that its power consumption also decreases rapidly. If the fuel cell system is in stationary operation and the water separator is emptied by opening the drain valve with water flowing out, only a small amount of counter-regulation is required to maintain the target pressure in the anode in order to bring the anode gas volume, which has been increased by the water volume, to the desired target pressure.
  • a drop in the power consumption by the predefinable proportion can be precisely detected. If this is detected, this is an indication that the water separator is completely empty. The difference in performance that occurs is more pronounced the larger the opening of the drain valve and consequently the stronger the gas flow that begins from the drain valve.
  • this knowledge can be used, for example, to close the drain valve again after the water separator has been emptied. In addition, it can be used to to continuously calibrate complex models for determining the amount of water in the water separator.
  • the power consumption of the gas delivery unit after the release valve is closed again could be slightly lower than before it was opened.
  • the reason for this could be the changing gas concentration in the anode due to the discharge of gas.
  • the reduction in power consumption could be determined depending on the amount of water and gas discharged, as well as the concentration and temperature at the start of the discharge process.
  • the predefinable proportion could be at least 10%, preferably at least 25% of the power consumption.
  • the proportion by which the power consumption drops can be dependent on the size of the cross section of the discharge valve through which flow occurs.
  • the proportion can also be dependent on activation of the drain valve. In the majority of applications of the fuel cell system in motor vehicles, a proportion of around 25% can be a realistic quantity that can be detected easily, reliably and with the exclusion of measurement noise.
  • control unit could be designed to actuate the discharge valve to open and/or close and to record the power consumption after the actuation to open the discharge valve. If the control unit controls the discharge valve to open, the control unit can have direct knowledge of when the discharge valve is opened and consequently start recording the power consumption at this point in time or directly before it. Equally, it makes sense for the control unit to also close the drain valve, since the control unit has immediate knowledge of this status from the previously described detection of the desired, emptied state of the water separator and can consequently also implement this immediately to close the drain valve.
  • the control unit could be configured to close the drain valve by transmitting the control signal.
  • the detection of the emptied State of the water trap is therefore directly implemented to stop draining the water trap.
  • a hydrogen source could be coupled to the hydrogen supply line by means of a hydrogen valve, with the hydrogen valve being controlled in order to achieve and/or maintain a setpoint pressure of hydrogen in the anode.
  • the inlet pressure can therefore be regulated by appropriately controlling the hydrogen valve.
  • a corresponding sensor could be provided in particular downstream of the jet pump.
  • the hydrogen valve could be located upstream of the jet pump. It is particularly preferred if the hydrogen valve is arranged upstream of a mixing chamber which is coupled to the jet pump. The hydrogen valve is therefore an independent device for regulating the pressure.
  • the water separator could be arranged upstream of the gas transport unit.
  • the gas delivery unit is arranged downstream of the water separator and is only supplied with anode waste gas that has been largely freed from water.
  • the invention also relates to a method for operating a fuel cell system, comprising supplying hydrogen to an anode of at least one fuel cell via a hydrogen supply line, recirculation of anode waste gas from an anode waste gas line via a jet pump coupled to the hydrogen supply line and a gas delivery unit coupled to the anode waste gas line and the jet pump into the Hydrogen supply, separating and collecting water from the anode off-gas by means of a water separator coupled to the anode off-gas line, and at least temporarily draining water from the water separator.
  • the predefinable proportion could be at least 25% of the power consumption.
  • the method may include closing the dump valve by transmitting the control signal through the control unit.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the fuel cell system
  • FIG. 2 shows a diagram showing the fill level, the opening state of the drain valve and the power consumption of the gas delivery unit
  • FIG. 3 shows a block-based representation of a method for operating a fuel cell system.
  • FIG. 1 shows part of a fuel cell system 2 with a fuel cell 4 with an anode 6, a cathode 8 and a membrane 10 lying between them.
  • the anode 6 is connected to a hydrogen feed line 12, via which the anode 6 is supplied with hydrogen.
  • a jet pump 14 is coupled to the hydrogen supply line 12 which, for example, is preceded by a mixing chamber 16 upstream.
  • the anode 6 is further connected to an anode exhaust line 18 to which a water separator 20 is coupled.
  • the water separator 20 can separate and collect water from anode off-gas.
  • a drain valve 22 is coupled to the water separator 20 to drain water collected therein and direct it to an outlet 24 .
  • a gas delivery unit 26 is coupled to the anode exhaust gas line 18 and the jet pump 14 and supports the jet pump 14 in the recirculation of the anode exhaust gas.
  • a control unit 28 is coupled to the gas delivery unit 26 and is designed to at least temporarily detect a power consumption of the gas delivery unit 26 when the drain valve 22 is open and to generate a control signal 30 and make it available at a control signal output 32 if the power consumption drops by a predeterminable proportion represents an emptied water trap 20.
  • the drop in power consumption could be at least 25%.
  • the water separator 20 is in a condition where the collected water is drained and gas begins to flow out of the water separator 20 through the drain valve. This state can be detected precisely and used in particular to close the drain valve 22 .
  • the control signal 30 could be transmitted to the drain valve 22 .
  • the gas delivery unit 26 is an electrically operated gas delivery unit 26 whose power consumption can be easily detected.
  • a flushing valve 34 is provided, for example, which is provided for flushing the anode 6 in order to remove nitrogen.
  • the purge valve 34 is also connected to the outlet 24 .
  • a hydrogen source 36 is provided upstream of the jet pump 14 , which is coupled to the hydrogen supply line 12 via the mixing chamber 16 via a hydrogen valve 38 .
  • the hydrogen valve 38 is controlled to achieve and/or maintain a setpoint pressure of hydrogen in the anode 6 .
  • 2 shows an example of a diagram in which a fill level 40 of the water separator 20, an opening state 42 of the drain valve 22 and a power consumption 44 of the gas delivery unit 26 are shown one above the other over time.
  • the fill level 40 of the water separator 20 is 100%, for example.
  • the drain valve 22 is open, the opening state is "1" here.
  • the fill level 40 consequently decreases continuously.
  • the power consumption 44 of the gas delivery unit 26 is “H1” here, which corresponds to a higher power consumption.
  • the power consumption 44 drops abruptly to a lower level “LO”.
  • the fill level 40 remains at 0% while the drain valve 22 is still open. This state can be recognized by the control unit 28 and used to close the drain valve 22 .
  • the opening state 42 of the drain valve 22 changes to "0", after which the level 40 starts to rise continuously and the power consumption 44 returns to the previous level "H1".
  • the drop from “HI” to “LO” can be about 50% here, for example.
  • Fig. 3 also shows a schematic representation of the method explained above for operating the fuel cell system 2 and has the steps of supplying 46 hydrogen to the anode 6 via the hydrogen supply line 12, the recirculation 48 of anode exhaust gas from the anode exhaust gas line 18 via the hydrogen supply line 12 coupled jet pump 14 and the gas delivery unit 26 coupled to the anode exhaust gas line 18 and the jet pump 14 into the hydrogen supply line 12, separating 50 and collecting 52 water from the anode exhaust gas by means of the water separator 20 coupled to the anode exhaust gas line 18, and at least temporarily draining 54 water from the water separator 20 on.
  • the method also includes detecting 56 the power consumption 44 of the gas delivery unit 26 when the drain valve 22 is open by the control unit 28 coupled to the gas delivery unit 26 and, if the power consumption 44 drops by a predeterminable proportion, generating 58 the control signal 30 and providing it 60 at the control signal output 32 , wherein the control signal 30 represents an emptied water separator 20.
  • the method also includes, for example, the closing 62 of the drain valve 22 by transmission 64 of the control signal 30 by the control unit 28.

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, eine Wasserstoffzuleitung, eine mit der Wasserstoffzuleitung gekoppelte Strahlpumpe, eine Anodenabgasleitung, einen Wasserabscheider, ein Ablassventil, eine mit der Anodenabgasleitung und der Strahlpumpe gekoppelte Gasfördereinheit, und eine Steuereinheit, wobei der Wasserabscheider mit der Anodenabgasleitung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, Wasser aus einem Anodenabgas abzuscheiden und zu sammeln, wobei das Ablassventil mit dem Wasserabscheider gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, abgeschiedenes Wasser aus dem Wasserabscheider abzulassen, wobei die Gasfördereinheit dazu ausgebildet ist, Anodenabgas über die Strahlpumpe zu der Wasserstoffzuleitung zu rezirkulieren. Es ist vorgesehen, dass die Steuereinheit mit der Gasfördereinheit gekoppelt ist, und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, bei geöffnetem Ablassventil zumindest zeitweise eine Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit zu erfassen und bei Abfall der Leistungsaufnahme um einen vorgebbaren Anteil ein Steuersignal zu generieren und an einem Steuersignalausgang bereitzustellen, wobei das Steuersignal einen geleerten Wasserabscheider repräsentiert.

Description

2023/041388 PCT/EP2022/074801
- 1 -
Beschreibung
Titel:
Brennstoffzellensystem mit selbsttätiger Erkennung eines geleerten Wasserabscheiders
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Brennstoffzellen nutzen Reaktionsgase in Form von Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung von elektrischer Leistung durch katalytische Verbindung unter Abgabe von Abwärme und Wasser. Statt reinen Sauerstoffs kann insbesondere bei der Anwendung in Fahrzeugen Luft verwendet werden. Die Reaktionsgase sind den Brennstoffzellen kontinuierlich zuzuführen, wobei Wasserstoff den Brennstoffzellen anodenseitig und Sauerstoff kathodenseitig zugeführt wird. Je nach Bauart können Anoden und Kathoden durch eine Membran voneinander separiert sein. Mehrere Brennstoffzellen können in Form eines Stapels mit gemeinsamen Versorgungs- und Abfuhrkanälen kombiniert werden, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen und den Betrieb der Brennstoffzellen zu optimieren.
Bei dem Brennstoffzellenprozess wird der anodenseitig zugeführte Wasserstoff zumindest teilweise verbraucht, wobei kathodenseitig Wasser entsteht, das auch auf die Anode durchdiffundiert. Zur Separation von flüssigem Wasser und einem gasförmigen Teil des Anodenabgases werden üblicherweise Wasserabscheider verwendet, welche neben der Abscheidefunktion oftmals auch abgeschiedenes Wasser speichern. Ist der Speicher des Wasserabscheiders voll, erfolgt das Abführen des gespeicherten Wassers durch Öffnens eines Ablassventils, das auch als Drain-Ventil bekannt ist. Durch Diffusionsprozesse kann Stickstoff in die Anode gelangen. Eine weitere Quelle von Stickstoff kann auch durch einen nicht vollständig rein zugeführten Wasserstoff vorliegen. Das Vorliegen von Stickstoff in der Anode kann die Zellspannung und somit die durch den Brennstoffzellenstapel gelieferte Stackspannung reduzieren, was zu Wirkungsgradeinbußen führt. Um dies zu vermeiden wird während des Betriebs wiederholt Gas aus dem Anodenraum ausgeleitet, um dort den Stickstoffgehalt zu reduzieren. Diese Ausleitung geschieht mit einem Spülventil, das auch als Purge-Ventil bekannt ist.
Die Versorgung der Brennstoffzellen mit Wasserstoff erfolgt nach dem Stand der Technik mittels Wasserstoffdosierventilen, die als Proportionalventil ausgeführt sein können. Eine mögliche Regelstrategie sieht vor, mit einem solchen Ventil den Gasdruck innerhalb eines Anodenpfads, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck einzuregeln. Durch Verbrauch des Wasserstoffs aufgrund der elektrochemischen Umwandlung oder durch sonstige Verluste, etwa durch zu langes Öffnen des Ablassventils oder durch Öffnen des Spülventils, wird stets frischer Wasserstoff auf dem gewünschten Solldruck nachgeliefert. Bereits das Ausleiten von Wasser führt zum Verringern der Wassersäule im Wasserabscheider durch Öffnen des Ablassventils und erfordert einen erhöhten Frischgaszufluss durch das Wasserstoffdosierventil, um den gewünschten Solldruck aufrechtzuerhalten.
Nach dem Stand der Technik wird abgereichertes Anodenabgas, das immer noch nutzbaren Wasserstoff enthält, zu einem Wasserstoffeingang rezirkuliert. Dies wird oftmals mittels einer Kombination von Strahlpumpe und einer aktiven Gasfördereinheit erreicht. Die Strahlpumpe nutzt dabei den Druck des zugeführten, frischen Wasserstoffs, um Gas im sogenannten Anodenpfad zu rezirkulieren. Die aktive Gasfördereinheit unterstützt diesen Rezirkulationsprozess.
Offenbarung der Erfindung
Es ist wünschenswert, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems dahingehend zu verbessern, dass durch das Öffnen von Ablass- oder Spülventil keine signifikanten Leistungseinbußen entstehen. Die Aufgabe der Erfindung liegt demnach darin, eine Vorrichtung oder ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein Zustand eines Wasserabscheiders zuverlässig erkennbar ist, bei dem bei einem Ablassvorgang gerade kein Flüssigwasser mehr das Ablassventil passiert und eine zuvor entstandene Wassersäule auf ein Minimum reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, eine Wasserstoffzuleitung, eine mit der Wasserstoffzuleitung gekoppelte Strahlpumpe, eine Anodenabgasleitung, einen Wasserabscheider, ein Ablassventil, eine mit der Anodenabgasleitung und der Strahlpumpe gekoppelte Gasfördereinheit, und eine Steuereinheit, wobei der Wasserabscheider mit der Anodenabgasleitung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, Wasser aus einem Anodenabgas abzuscheiden und zu sammeln, wobei das Ablassventil mit dem Wasserabscheider gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, abgeschiedenes Wasser aus dem Wasserabscheider abzulassen, wobei die Gasfördereinheit dazu ausgebildet ist, Anodenabgas über die Strahlpumpe zu der Wasserstoffzuleitung zu rezirkulieren. Es ist vorgesehen, dass die Steuereinheit mit der Gasfördereinheit gekoppelt ist, und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, bei geöffnetem Ablassventil zumindest zeitweise eine Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit zu erfassen und bei Abfall der Leistungsaufnahme um einen vorgebbaren Anteil ein Steuersignal zu generieren und an einem Steuersignalausgang bereitzustellen, wobei das Steuersignal einen geleerten Wasserabscheider repräsentiert.
Das Brennstoffzellensystem weist bevorzugt mehrere Brennstoffzellen auf, die zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert sind. Bei dem Einsatz in Kraft- oder Nutzfahrzeugen ist es besonders vorteilhaft, Polymerelektrolytmembran (PEM)- Brennstoffzellen zu verwenden, bei denen die Anode durch eine Membran von der Kathode getrennt ist. Alternativ könnten selbstverständlich auch andere Formen von Brennstoffzellen realisiert sein, die unter anderem Festoxid- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen umfassen können.
Neben den vorangehend genannten, anodenseitig angeordneten Komponenten sind auch kathodenseitig angeordnete Komponenten notwendig, für den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht besonders relevant. Beispielsweise können die Brennstoffzellen kathodenseitig mit einer Luftzufuhreinheit gekoppelt sein, die einen oder mehrere Verdichter aufweisen könnte, welche stromaufwärts des Brennstoffzellensystems druckbeaufschlagte Luft in einen Kathodenpfad einleitet. Der oder die Verdichter könnten durch einen Elektromotor betrieben werden, der mit einer Spannung versorgt wird, die von dem Brennstoffzellensystem selbst und/oder einer externen Spannungsquelle, etwa einer Pufferbatterie, bereitgestellt wird. Zusätzlich dazu könnte auch eine Turbine vorgesehen sein, die stromabwärts der Brennstoffzellen in dem Kathodenpfad angeordnet ist und den oder die Verdichter unterstützt.
Die Wasserstoffzuleitung führt dem Brennstoffzellensystem Wasserstoff zu und kann folglich mit einer Wasserstoffquelle verbunden sein. Stromabwärts der Wasserstoffquelle ist die Strahlpumpe vorgesehen, welche Anodenabgas in die Wasserstoffzuleitung mischt. Das Anodenabgas, welches noch einen Anteil unverbrauchten Wasserstoffs aufweisen kann, wird dadurch in den Anodenpfad zurückgeführt und geht der Verwertung in der Brennstoffzelle nicht verloren.
Die Strahlpumpe könnte eine Treibdüse zum Einbringen des Wasserstoffs in eine Misch kämm er zum Erzeugen eines Gemischs aus frischem Wasserstoff und rezirkuliertem Anodenabgas aufweisen. Die Art der Strahlpumpe ist für die Erfindung unerheblich. Beispielhaft wird hierzu auf DE102016210020A1 verwiesen, in der Strahlpumpen erläutert werden. Zum Unterstützen der Strahlpumpe ist die Gasfördereinheit vorgesehen, die auch als Rezirkulationsgebläse bekannt sein kann. Sie könnte während des Spülvorgangs zugeschaltet werden oder dann, wenn die Strahlpumpe voraussichtlich eine unzureichende Leistung liefern würde.
Wie vorangehend erwähnt führt die Anodenabgasleitung Anodenabgas von dem Brennstoffzellensystem fort. Dort ist der Wasserabscheider vorgesehen, der Wasser aus dem Anodenabgas entfernt. Erfindungsgemäß kann der Zustand des Wasserabscheiders detektiert werden, in dem der Wasserabscheider praktisch vollständig geleert ist bzw. die darin gebildete Wassersäule auf ein Minimum reduziert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit erfasst und untersucht wird.
Die Aufnahmeleistung ist für einen definierten Systembetriebspunkt davon abhängig, ob Gas einen Anodenpfad verlässt. Wird beispielsweise das Ablassventil geöffnet und gelangt Gas aus der Anodenabgasleitung durch das Ablassventil nach außen, wird die Funktion der Strahlpumpe unterstützt. Folglich muss die zur Unterstützung der Strahlpumpe vorgesehene Gasfördereinheit für diesen Betriebszustand eine geringere mechanische Leistung aufbringen, sodass folglich auch ihre Leistungsaufnahme rasch abnimmt. Befindet sich das Brennstoffzellensystem in einem stationären Betrieb und wird der Wasserabscheider durch Öffnen des Ablassventils unter Ausfluss von Wasser entleert, ist zum Aufrechterhalten des Solldrucks in der Anode nur eine geringe Gegenregelung erforderlich, um das durch das Wasservolumen vergrößerte Anodengasvolumen auf den gewünschten Solldruck zu bringen. Ist nach einer gewissen Zeit das gesamte Wasser aus dem Wasserabscheider ausgelassen und das Ablassventil noch nicht geschlossen, kann Gas aus der Anodenabgasleitung durch den Wasserabscheider und das Ablassventil nach außen geraten. In der Folge muss eine stärkere Wasserstoffzufuhr erfolgen, um den Solldruck in der Anode aufrechtzuerhalten. Folglich erbringt die Strahlpumpe eine höhere Leistung, welche nicht durch die gasförmige Einheit aufgewandt wird.
Durch Erfassen der Leistungsaufnahme kann ein Abfall der Leistungsaufnahme um den vorgebbaren Anteil präzise detektiert werden. Wird dieser detektiert ist dies ein Indiz dafür, dass der Wasserabscheider vollständig geleert ist. Der Leistungsunterschied, der sich einstellt, ist ausgeprägter, je größer die Öffnung des Ablassventils ist und folglich je stärker der einsetzende Gasstrom aus dem Ablassventil ist. Durch Bereitstellen des Steuersignals kann diese Erkenntnis dazu genutzt werden, beispielsweise das Ablassventil nach Entleerung des Wasserabscheiders wieder zu schließen. Zusätzlich kann es dazu verwendet werden, komplexe Modelle zum Bestimmen der im Wasserabscheider befindlichen Wassermenge kontinuierlich zu kalibrieren.
Im Detail könnte die Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit, nachdem das Ablassventil wieder geschlossen ist, etwas geringer sein als vor dem Öffnen. Als Ursache hierfür könnte die sich ändernde Gaskonzentration in der Anode durch das Ausleiten von Gas genannt werden. Die Reduktion der Leistungsaufnahme könnte abhängig von der Menge des ausgeleiteten Wassers und des Gases sowie von der Konzentration und der Temperatur zu Beginn des Ablassvorgangs bestimmt sein.
Der vorgebbare Anteil könnte mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 25% der Leistungsaufnahme betragen. Wie vorangehend erläutert kann der Anteil, um den die Leistungsaufnahme sinkt, von der Größe des durchströmten Querschnitts des Ablassventils sein. Zudem kann der Anteil auch von einer Ansteuerung des Ablassventils abhängig sein. Bei einem Großteil von Anwendungen des Brennstoffzellensystems in Kraftfahrzeugen kann ein Anteil von in etwa 25% eine realistische Größe sein, die einfach, zuverlässig und unter Ausschluss von Messrauschen detektierbar ist.
Weiterhin könnte die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, das Ablassventil zum Öffnen und/oder Schließen anzusteuern und eine Erfassung der Leistungsaufnahme nach dem Ansteuern zum Öffnen des Ablassventils durchzuführen. Steuert die Steuereinheit das Ablassventil zum Öffnen an, kann die Steuereinheit direkt Kenntnis darüber haben, wann das Ablassventil geöffnet wird und folglich die Erfassung der Leistungsaufnahme zu diesem Zeitpunkt bzw. direkt davor starten. Gleichermaßen ist sinnvoll, das Ablassventil durch die Steuereinheit auch schließen zu lassen, da die Steuereinheit durch die vorangehend dargestellte Erfassung des gewünschten, geleerten Zustands des Wasserabscheiders unmittelbar Kenntnis über diesen Zustand hat und diesen folglich auch unmittelbar zum Schließen des Ablassventils umsetzen kann.
Die Steuereinheit könnte dazu ausgebildet sein, das Ablassventil durch Übertragen des Steuersignals zu schließen. Die Detektion des geleerten Zustands des Wasserabscheiders wird daher direkt zum Beenden des Ablassens des Wasserabscheiders umgesetzt.
Weiterhin könnte eine Wasserstoffquelle mittels eines Wasserstoffventils mit der Wasserstoffzuleitung gekoppelt sein, wobei das Wasserstoffventil zum Erreichen und/oder Aufrechterhalten eines Solldrucks an Wasserstoff in der Anode angesteuert ist. Der Eingangsdruck kann demnach durch entsprechendes Ansteuern des Wasserstoffventils geregelt werden. Hierzu kann sich anbieten, einen Druck und gegebenenfalls eine Temperatur des in der Wasserstoffzuleitung strömenden Wasserstoffgases zu erfassen und bei der Ansteuerung des Wasserstoffventils zu berücksichtigen. Ein entsprechender Sensor könnte insbesondere stromabwärts der Strahlpumpe vorgesehen sein.
Das Wasserstoffventil könnte stromaufwärts der Strahlpumpe angeordnet sein. Es ist besonders bevorzugt, wenn das Wasserstoffventil stromaufwärts einer Mischkammer angeordnet ist, die mit der Strahlpumpe gekoppelt ist. Das Wasserstoffventil ist demnach eine zur Regelung des Drucks unabhängige Vorrichtung.
Außerdem könnte der Wasserabscheider stromaufwärts der Gasfördereinheit angeordnet sein. Die Gasfördereinheit ist stromabwärts des Wasserabscheiders angeordnet und wird lediglich mit weitgehend von Wasser befreitem Anodenabgas versorgt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, aufweisend Zuführen von Wasserstoff an eine Anode mindestens einer Brennstoffzelle über eine Wasserstoffzuleitung, Rezirkulation von Anodenabgas aus einer Anodenabgasleitung über eine mit der Wasserstoffzuleitung gekoppelte Strahlpumpe und eine mit der Anodenabgasleitung und der Strahlpumpe gekoppelte Gasfördereinheit in die Wasserstoffzuleitung, Abscheiden und Sammeln von Wasser aus dem Anodenabgas mittels eines mit der Anodenabgasleitung gekoppelten Wasserabscheiders, und zumindest zeitweise Ablassen von Wasser aus dem Wasserabscheider. Gemäß der Erfindung ist das Erfassen einer Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit bei geöffnetem Ablassventil durch eine mit der Gasfördereinheit gekoppelte Steuereinheit, und bei Abfall der Leistungsaufnahme um einen vorgebbaren Anteil das Generieren eines Steuersignals und Bereitstellen an einem Steuersignalausgang, wobei das Steuersignal einen geleerten Wasserabscheider repräsentiert vorgesehen.
Der vorgebbare Anteil könnte dabei, wie vorangehend erläutert, mindestens 25% der Leistungsaufnahme betragen.
Schließlich kann das Verfahren das Schließen des Ablassventils durch Übertragen des Steuersignals durch die Steuereinheit umfassen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems;
Figur 2 ein Diagramm mit Darstellung des Füllstands, des Öffnungszustands des Ablassventils und der Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit; und
Figur 3 eine blockbasierte Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellensystems 2 mit einer Brennstoffzelle 4 mit einer Anode 6, einer Kathode 8 und einer dazwischen liegenden Membran 10. Die Anode 6 ist mit einer Wasserstoffzuleitung 12 verbunden, über die die Anode 6 mit Wasserstoff versorgt wird. Eine Strahlpumpe 14 ist mit der Wasserstoffzuleitung 12 gekoppelt, der beispielhaft eine Mischkammer 16 stromaufwärts vorgeschaltet ist. Die Anode 6 ist weiter mit einer Anodenabgasleitung 18 verbunden, mit der ein Wasserabscheider 20 gekoppelt ist. Der Wasserabscheider 20 kann Wasser aus Anodenabgas ausscheiden und sammeln. Ein Ablassventil 22 ist mit dem Wasserabscheider 20 gekoppelt, um darin gesammeltes Wasser abzulassen und einem Auslass 24 zuzuführen. Eine Gasfördereinheit 26 ist mit der Anodenabgasleitung 18 und der Strahlpumpe 14 gekoppelt und unterstützt die Strahlpumpe 14 bei der Rezirkulation des Anodenabgases.
Eine Steuereinheit 28 ist mit der Gasfördereinheit 26 gekoppelt und dazu ausgebildet, bei geöffnetem Ablassventil 22 zumindest zeitweise eine Leistungsaufnahme der Gasfördereinheit 26 zu erfassen und bei Abfall der Leistungsaufnahme um einen vorgebbaren Anteil ein Steuersignal 30 zu generieren und an einem Steuersignalausgang 32 bereitzustellen, wobei das Steuersignal einen geleerten Wasserabscheider 20 repräsentiert. Der Abfall der Leistungsaufnahme könnte etwa mindestens 25% betragen. Beim Erkennen eines derartig signifikanten Leistungsabfalls liegt in dem Wasserabscheider 20 ein Zustand vor, bei dem das gesammelte Wasser abgeführt ist und Gas beginnt, aus dem Wasserabscheider 20 durch das Ablassventil zu strömen. Dieser Zustand kann präzise erkannt werden und insbesondere zum Schließen des Ablassventils 22 genutzt werden. Dafür könnte das Steuersignal 30 an das Ablassventil 22 übertragen werden. Es wird hierbei angenommen, dass die Gasfördereinheit 26 eine elektrisch betriebene Gasfördereinheit 26 ist, deren Leistungsaufnahme einfach erfassbar ist.
Weiterhin ist beispielhaft ein Spülventil 34 vorgesehen, das zum Spülen der Anode 6 vorgesehen ist, um Stickstoff zu entfernen. Das Spülventil 34 ist ebenso mit dem Auslass 24 verbunden.
Zum Versorgen der Wasserstoffzuleitung 12 mit frischem Wasserstoff ist eine Wasserstoffquelle 36 stromaufwärts der Strahlpumpe 14 vorgesehen, die über ein Wasserstoffventil 38 mit der Wasserstoffzuleitung 12 über die Mischkammer 16 gekoppelt ist. Das Wasserstoffventil 38 ist dabei zum Erreichen und/oder Aufrechterhalten eines Solldrucks an Wasserstoff in der Anode 6 angesteuert. Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Diagramm, in dem ein Füllstand 40 des Wasserabscheiders 20, ein Öffnungszustand 42 des Ablassventils 22 und eine Leistungsaufnahme 44 der Gasfördereinheit 26 übereinander in einem zeitlichen Verlauf dargestellt sind. Zu Beginn beträgt der Füllstand 40 des Wasserabscheiders 20 beispielhaft 100%. Das Ablassventil 22 ist geöffnet, der Öffnungszustand beträgt hier „l“. Der Füllstand 40 nimmt folglich kontinuierlich ab. Die Leistungsaufnahme 44 der Gasfördereinheit 26 beträgt hier „Hl“, was einer höheren Leistungsaufnahme entspricht. Nach Erreichen eines Füllstands 40 von etwa 0% sinkt die Leistungsaufnahme 44 abrupt auf ein niedrigeres Niveau „LO“. Der Füllstand 40 bleibt weiterhin bei 0% stehen, während das Ablassventil 22 noch geöffnet ist. Dieser Zustand kann von der Steuereinheit 28 erkannt und zum Schließen des Ablassventil 22 verwendet werden. Wird dies durchgeführt, ändert sich der Öffnungszustand 42 des Ablassventils 22 zu „0“, wonach der Füllstand 40 kontinuierlich zu steigen beginnt und die Leistungsaufnahme 44 auf das vorherige Niveau „Hl“ zurückkehrt. Der Abfall von „Hl“ auf „LO“ kann hier beispielhaft etwa 50% betragen.
Fig. 3 zeigt weiterhin eine schematische Darstellung des vorangehend erläuterten Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 2 und weist die Schritte des Zuführens 46 von Wasserstoff an die Anode 6 über die Wasserstoffzuleitung 12, der Rezirkulation 48 von Anodenabgas aus der Anodenabgasleitung 18 über die mit der Wasserstoffzuleitung 12 gekoppelte Strahlpumpe 14 und die mit der Anodenabgasleitung 18 und der Strahlpumpe 14 gekoppelte Gasfördereinheit 26 in die Wasserstoffzuleitung 12, des Abscheidens 50 und Sammelns 52 von Wasser aus dem Anodenabgas mittels des mit der Anodenabgasleitung 18 gekoppelten Wasserabscheiders 20, und zumindest zeitweise des Ablassens 54 von Wasser aus dem Wasserabscheider 20 auf. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiterhin das Erfassen 56 der Leistungsaufnahme 44 der Gasfördereinheit 26 bei geöffnetem Ablassventil 22 durch die mit der Gasfördereinheit 26 gekoppelte Steuereinheit 28 und bei Abfall der Leistungsaufnahme 44 um einen vorgebbaren Anteil das Generieren 58 des Steuersignals 30 und Bereitstellen 60 an dem Steuersignalausgang 32, wobei das Steuersignal 30 einen geleerten Wasserabscheider 20 repräsentiert.
Weiterhin umfasst das Verfahren beispielhaft das Schließen 62 des Ablassventils 22 durch Übertragen 64 des Steuersignals 30 durch die Steuereinheit 28.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (2), aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (4) mit einer Anode (6) und einer Kathode, eine Wasserstoffzuleitung (12), eine mit der Wasserstoffzuleitung (12) gekoppelte Strahlpumpe (14), eine Anodenabgasleitung (18), einen Wasserabscheider (20), ein Ablassventil (22), eine mit der Anodenabgasleitung (18) und der Strahlpumpe (14) gekoppelte Gasfördereinheit (26), und eine Steuereinheit (28), wobei der Wasserabscheider (20) mit der Anodenabgasleitung (18) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, Wasser aus einem Anodenabgas abzuscheiden und zu sammeln, wobei das Ablassventil (22) mit dem Wasserabscheider (20) gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, abgeschiedenes Wasser aus dem Wasserabscheider (20) abzulassen, wobei die Gasfördereinheit (26) dazu ausgebildet ist, Anodenabgas über die Strahlpumpe (14) zu der Wasserstoffzuleitung (12) zu rezirkulieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) mit der Gasfördereinheit (26) gekoppelt ist, und die Steuereinheit (28) dazu ausgebildet ist, bei geöffnetem Ablassventil (22) zumindest zeitweise eine Leistungsaufnahme (44) der Gasfördereinheit (26) zu erfassen und bei Abfall der Leistungsaufnahme (44) um einen vorgebbaren Anteil ein Steuersignal (30) zu generieren und an einem Steuersignalausgang (32) bereitzustellen, wobei das Steuersignal (30) einen geleerten Wasserabscheider (20) repräsentiert.
2. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Anteil mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 25% der Leistungsaufnahme (44) beträgt.
3. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) dazu ausgebildet ist, das Ablassventil (22) zum Öffnen und/oder Schließen anzusteuern und eine Erfassung der Leistungsaufnahme (44) nach dem Ansteuern zum Öffnen des Ablassventils (22) durchzuführen.
4. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) dazu ausgebildet ist, das Ablassventil (22) durch Übertragen des Steuersignals (30) zu schließen.
5. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserstoffquelle (36) mittels eines
Wasserstoffventils (38) mit der Wasserstoffzuleitung (12) gekoppelt ist, wobei das Wasserstoffventil (38) zum Erreichen und/oder Aufrechterhalten eines Solldrucks an Wasserstoff in der Anode (6) angesteuert ist.
6. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffventil (38) stromaufwärts der Strahlpumpe (14) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (20) stromaufwärts der
Gasfördereinheit (26) angeordnet ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2), aufweisend Zuführen (46) von Wasserstoff an eine Anode (6) mindestens einer
Brennstoffzelle (4) über eine Wasserstoffzuleitung (12),
Rezirkulation (48) von Anodenabgas aus einer Anodenabgasleitung (18) über eine mit der Wasserstoffzuleitung (12) gekoppelte Strahlpumpe (14) und eine mit der Anodenabgasleitung (18) und der Strahlpumpe (14) gekoppelte Gasfördereinheit (26) in die Wasserstoffzuleitung (12), Abscheiden (50) und Sammeln (52) von Wasser aus dem Anodenabgas mittels eines mit der Anodenabgasleitung (18) gekoppelten Wasserabscheiders (20), und zumindest zeitweise Ablassen (54) von Wasser aus dem Wasserabscheider (20), gekennzeichnet durch
Erfassen (56) einer Leistungsaufnahme (44) der Gasfördereinheit (26) bei geöffnetem Ablassventil (20) durch eine mit der Gasfördereinheit (26) gekoppelte Steuereinheit (28), bei Abfall der Leistungsaufnahme (44) um einen vorgebbaren Anteil Generieren (58) eines Steuersignals und Bereitstellen (60) an einem Steuersignalausgang (32), wobei das Steuersignal (30) einen geleerten Wasserabscheider (20) repräsentiert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Anteil mindestens 25% der Leistungsaufnahme (44) beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Schließen (62) des Ablassventils (22) durch Übertragen (64) des Steuersignals (30) durch die Steuereinheit (28).
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