WO2023066813A2 - Verfahren zur bestimmung des trocknungszustandes einer anode eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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Helerson Kemmer
Matthias Rink
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method of drying an anode of a fuel cell system with the features of the preamble of patent claim 1.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cell systems need air and hydrogen for the chemical reaction within the cells. In order to provide the required amount of energy, the fuel cells arranged within a fuel cell system are interconnected to form so-called fuel cell stacks. The waste heat from the cells is dissipated by means of a cooling circuit and released to the environment. The hydrogen required to operate fuel cell systems is usually made available to the systems from high-pressure tanks.
  • a start at temperatures below freezing is called a freeze start.
  • the cells of the fuel cell stack must be dry so that they are not already iced up when the freeze starts and can absorb water or ice during the start process (ice tolerance).
  • a correspondingly effective drying process is therefore important when the fuel cell system is switched off.
  • the drying process is usually carried out with a pre-controlled process, which does not take into account the current moisture content of the cells or the systems due to a lack of suitable sensors. This must also work in a worst-case scenario and must therefore be determined through complex application measurements. This extreme drying process is then always used, with excessive drying of the cells and the associated excessive stress on the cells as a result.
  • the method according to the invention for detecting the drying state of an anode of a fuel cell system with the features of the independent claim has the advantage that the drying state of the cells can be determined so that corresponding operating strategies for controlling the drying process can be implemented.
  • Reliable drying of the cells of the fuel cell stack can be ensured in contrast to the pre-controlled course, which does not take into account the current moisture content of the cells or the systems due to a lack of suitable sensors. In this way, a subsequent freezing start can be carried out safely and robustly, even under extreme conditions.
  • the proposed method leads to a reduction in costs, since ice buffer measures in the stack and system can be significantly reduced.
  • the service life of the fuel cell stack is increased by adapting the drying process and preventing cell icing, since too much water in the fuel cell system can lead to irreversible damage due to ice formation during a freeze start.
  • the fuel cell system can be operated more efficiently as a result of the experience according to the invention, since the drying process is not continued unnecessarily in cases where there is only a low moisture content in the fuel cell system. By determining the state of drying, the drying process is stopped in good time and an unnecessary escape of hydrogen via the purge and drain process is avoided. Overall, this leads to a reduction in H2 consumption.
  • the gradient of the H2 concentration is determined after opening the purge and drain valve and is compared with a second threshold value, with drying occurring when the gradient of the H2 concentration is above the second threshold value, since the Calculation of the gradient individual outliers and measurement errors are recognized and thus the evaluation has a higher robustness.
  • a particular advantage is achieved by optimizing the H2 consumption when the drying process is terminated when drying is taking place and is otherwise continued
  • the air mass flow is kept constant by controlling the air compressor and/or compressor during the purge and drain processes that are carried out to dry the anode, since this increases the measurement accuracy.
  • An adaptation of the drying process is advantageous because it can be used for checking purposes in addition to measuring the drying state and leads to increased accuracy when determining the drying state.
  • the method according to the invention can be used in particular in fuel cell-powered motor vehicles.
  • use in other fuel cell-powered means of transportation, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or in stationary fuel cell-powered objects is also conceivable.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a flow chart of the individual steps of a method according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment and a second exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic topology of a fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the invention with at least one fuel cell stack 101.
  • the at least one fuel cell system 100 has an air path 10, an exhaust gas line 12 and a fuel line 20.
  • the at least one fuel cell stack 101 can be used for mobile Applications with high power requirements, e.g. in trucks, or for stationary applications, e.g. in generators.
  • the air path 10 serves as an air supply line in order to supply air from the environment to a cathode 105 of the fuel cell stack 101 via an inlet 16 .
  • a sensor 13 which measures the oxygen content of the air, can optionally be arranged in the air line.
  • Components which are required for the operation of the fuel cell stack 101 are arranged in the air path 10 .
  • An air compressor 11 and/or a compressor 11 is arranged in the air path 10 and compresses or sucks in the air according to the respective operating conditions of the fuel cell stack 101 . Downstream from the air compressor 11 and/or compressor 11 there can be a humidifier 15 which enriches the air in the air path 10 with a higher concentration of liquid.
  • Air containing oxygen is made available to the fuel cell stack 101 via the air path 10 .
  • the fuel cell system 100 can furthermore have a cooling circuit which is designed to cool the fuel cell stack 101 .
  • the cooling circuit is not shown in FIG. 1 because it is not part of the invention.
  • a high-pressure tank 21 and a shut-off valve 22 are located at the inlet of the fuel line 20. Further components can be arranged in the fuel line 20 in order to supply an anode 103 of the fuel cell stack 101 with fuel as required.
  • various components such as a jet pump 51 operated with the metered fuel or a blower 52 can be installed.
  • a combination of jet pump 51 and blower 52 is also possible.
  • the recirculation circuit 50 Since the amount of water and nitrogen continues to increase over time, the recirculation circuit 50 must be purged from time to time by being refilled with hydrogen and the gas mixture of hydrogen, nitrogen and water being removed from the recirculation circuit 50. In this way it can be achieved that the performance of the fuel cell stack 101 does not decrease due to an excessive amount of water and/or nitrogen concentration in the fuel line 20 .
  • a purge and drain line 40 is arranged between the recirculation circuit 50 and the exhaust gas line 12 so that the water and the gas mixture of hydrogen and nitrogen can flow from the recirculation circuit 50 into the exhaust gas line 12 during a flushing process.
  • a purge and drain valve 41 is arranged in the purge and drain line 40 and can open and close the connection between the recirculation circuit 50 and the exhaust gas line 12 .
  • the purge and drain valve 41 is usually opened for a short time, so that the gas mixture and water is conducted into the exhaust gas line 12 via the purge and drain line 40 .
  • the exhaust pipe 12 serves to transport exhaust gas into the environment via an outlet 18 .
  • the exhaust gas has a gas mixture with components of the air from the air path 10 and water.
  • the exhaust gas from the exhaust gas line 12 can also contain hydrogen (H2) because parts of the hydrogen from the fuel line 20 can diffuse through the membrane of the fuel cell stack 101 .
  • hydrogen a gas mixture with nitrogen and water can get into the exhaust gas line 12 via the purge and drain line 40 .
  • An H2 sensor 45 is arranged in the exhaust gas line 12 and measures the concentration of hydrogen in the exhaust gas, since too much hydrogen must not get into the environment via the exhaust gas line 12 . Furthermore, the formation of an explosive mixture must be avoided.
  • a drying method according to the invention is based on the anode 103 being dried by regularly opening the purge/drain valve 41 .
  • FIG. 2 shows a diagram with a measurement showing the opening of the purge and drain valve 41 and the H2 concentration in the exhaust pipe 12 during a drying process.
  • the x-axis represents the course over time, while the other variables are represented dimensionless along the y-axis. In the course of time, the drying of the anode in the measurement shown continues to increase.
  • the dashed line represents the H2 concentration at the H2 sensor 45, while the solid line represents the open purge drain valve with a value of 1 and the closed purge drain valve with a value of 0.
  • the H2 concentration at the H2 sensor 45 in the exhaust gas line 12 increases with each further opening of the purge and drain valve 41 . This increase is not due to the increase in the H2 concentration in the recirculation circuit 50, since this only increases by 10% within the period shown.
  • the observed increase is mainly due to the amount of hydrogen reaching the H2 sensor 45, which differs from the opening of the purge/drain valve 41 in Recirculation circuit 50 existing amount of water depends. For example, if a lot of water has to be removed at the beginning of the drying process, correspondingly less hydrogen is removed in the limited duration of the purge and drain process.
  • the drier the recirculation circuit 50 is, the greater the amount of hydrogen which via the purge and drain line 40 in the exhaust line 12, and the greater the measured H2 concentration at the H2 sensor 45 in the exhaust line 12.
  • the duration of the purge and drain process means the opening duration of the purge and drain valve 41 .
  • the interval of the purge and drain process is to be understood as the time interval between the initiation of two purge and drain processes.
  • the maximum H2 concentration increases with each purge and drain process.
  • the anode or the recirculation circuit 50 has dried, no change in the maximum H2 concentration can be detected.
  • H2 concentration at the H2 sensor 45 increases more slowly with a moist anode 103 or with water in the recirculation circuit 50 due to the water, the H2 concentration at the H2 sensor 45 increases more quickly with a dried anode 103 or recirculation circuit 50 at.
  • FIG. 3 shows a measurement with a moist anode 103 (A) and a dried anode 103 (B).
  • the x-axis represents the course over time, while the other variables are represented dimensionless along the y-axis.
  • the dashed line represents the H2 concentration at the H2 sensor 45, while the solid line represents the open purge drain valve with a value of 1 and the closed purge drain valve with a value of 0.
  • the increase in the H2 concentration occurs significantly faster with a dried anode shown in diagram (B) than with a moist anode 103 shown in diagram (A).
  • FIG. 4 shows a flow chart of the individual steps of the method according to the invention for determining the drying state of a Anode 103 of a fuel cell system 100 according to a first embodiment.
  • the H2 concentration over time in the exhaust gas line 12 is measured during a purge and drain process, and the dryness of the anode 103 and the recirculation circuit 50 is determined by evaluating the measured H2 concentration.
  • a purge and drain process is initiated. This purge and drain process is initiated to remove water from the anode and recirculation circuit.
  • the purge valve 41 is opened to initiate the purge and drain process. In this way, the current power level of the fuel cell stack 101 can be kept as constant as possible.
  • step 210 the air mass flow is kept constant. This can be done, for example, by deliberately controlling the air compressor 11 to a fixed performance level.
  • the H2 concentration in the exhaust gas measured during the purge process is measured by the H2 sensor 45 at short time intervals and stored if necessary. The measurement ends when the purge valve 41 is closed again and the H2 concentration in the exhaust pipe 12 has dropped.
  • the maximum value of the H2 concentration measured during the purge and drain process is compared to a first threshold value.
  • the drying process is continued by opening the purge/drain valve 41 at regular intervals in order to dry the anode 103. For this purpose, a time interval is awaited in step 240, which corresponds to the respective corresponds to the current purge and drain interval before the method is continued again with method step 200.
  • the drying process is ended in method step 250 by closing the purge/drain valve 41 or by not continuing the purge and drain process. Further method steps can follow, in which the temperature in the recirculation circuit 50 is lowered in order to avoid evaporation and redistribution of water in the fuel cell system 100 .
  • method steps 200 to 220 correspond to the steps described in the first exemplary embodiment.
  • method step 230 the increase in the H2 concentration during the purge drain process is evaluated and a check is then made to determine whether the gradient in the H2 concentration is above or below the second threshold value. If the gradient of the H2 concentration is below the second threshold value, method step 240 is entered. If the gradient of the H2 concentration is above the second threshold value, method step 250 is followed.
  • Method steps 240 and 250 correspond to the method steps of the first exemplary embodiment.
  • method step 230 it is also possible for method step 230 to check both whether the maximum of the H2 concentration is above the first threshold value and whether the gradient of the H2 concentration is above the second threshold value.
  • the drying process can be adapted after the method according to the invention, with the required number of purge cycles being carried out after at least one drying process. and drain processes until the anode has dried is stored in the control unit. Future drying processes can then be carried out using the data stored in the control unit.

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Abstract

Verfahren zur Erkennung des Trocknungszustandes eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere einer Anode (103), wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstack (101), einen Luftpfad (10), eine Abgasleitung (12) und einen Brennstoffleitung (20) mit Rezirkulationskreis (50) aufweist. Während eines Purge- und Drainvorgangs wird der zeitliche Verlauf der H2-Konzentration in der Abgasleitung (12) gemessen und durch eine Auswertung der gemessenen H2-Konzentration der Trocknungszustand des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere der Anode (103), ermittelt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Bestimmung des Trocknungszustandes einer Anode eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren des Trocknungszustandes einer Anode eines Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Zellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt.
Ein Start bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt wird Gefrierstart genannt. Damit ein Gefrierstart gelingt, müssen die Zellen des Brennstoffzellenstacks trocken sein, damit sie nicht bereits beim Gefrierstart vereist sind und Wasser bzw. Eis während des Startvorganges aufnehmen können (Eistoleranz). Daher ist ein entsprechend wirksamer Trocknungsvorgang in der Abstellphase des Brennstoffzellensystems wichtig. Der Trocknungsvorgang wird in der Regel mit einem vorgesteuerten Verlauf durchgeführt, welcher den aktuellen Feuchtegehalt der Zellen bzw. der Systeme mangels geeigneter Sensorik nicht berücksichtigt. Dieser muss auch in einem Worstcase Szenario funktionieren, und muss daher durch aufwändige Applikationsmessungen ermittelt werden. Dieser extreme Trocknungsvorgang wird dann immer angewendet, mit exzessiver Trocknung der Zellen und der einhergehenden übermäßigen Belastung der Zellen als Folge.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung des Trocknungszustandes einer Anode eines Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass der Trocknungszustand der Zellen bestimmt werden kann, so dass entsprechende Betriebsstrategien zur Regelung des Trocknungsvorganges durchgeführt werden können.
Es kann eine zuverlässige Trocknung der Zellen des Brennstoffzellenstacks sichergestellt werden im Gegensatz zu dem vorgesteuerten Verlauf, welcher den aktuellen Feuchtegehalt der Zellen bzw. der Systeme mangels geeigneter Sensorik nicht berücksichtigt. Auf diese Weise kann ein nachfolgender Gefrierstart sicher und robust auch bei extremen Bedingungen durchgeführt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren führt zu einer Reduzierung der Kosten, da Eispuffermaßnahmen im Stack und System deutlich reduziert werden können.
Die der Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks wird durch eine Anpassung des Trocknungsvorganges und Verhinderung von Zellvereisungen erhöht, da zu viel Wasser im Brennstoffzellensystem aufgrund der Eisbildung zu irreversiblen Schäden führen während eines Gefrierstarts führen kann.
Durch das erfindungsgemäße Erfahren kann das Brennstoffzellensystem effizienter betrieben werden, da der Trocknungsvorgang in den Fällen, in denen nur ein geringer Feuchtegehalt im Brennstoffzellensystem vorliegt, nicht unnötig fortgesetzt wird. Durch die Bestimmung des Trocknungszustandes wird der Trocknungsvorgang rechtzeitig abgebrochen und ein unnötiges Austreten von Wasserstoff über den Purge- und Drainvorgang vermieden. Dies führt in Summe zu einer Reduzierung des H2- Verbrauches.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.
Es ist von Vorteil, wenn ein Maximalwert der H2- Konzentration während eines Purge- und Drainvorgangs mit einem ersten Schwellenwert verglichen wird und eine Trocknung vorliegt, wenn das Maximum der H2- Konzentration oberhalb des ersten Schwellenwertes liegt, da diese Form der Auswertung besonders einfach und schnell ist, da die Messwerte nicht weiterverarbeitet werden müssen.
Es ist von Vorteil wenn der Gradient der H2- Konzentration nach dem Öffnen des Purge- und Drainventils ermittelt wird und mit einem zweiten Schwellenwert verglichen wird, wobei eine Trocknung vorliegt, wenn der Gradient der H2- Konzentration oberhalb des zweiten Schwellenwertes liegt, da durch die Berechnung des Gradienten einzelne Ausreißer und Messfehler erkannt werden und damit die Auswertung eine höhere Robustheit aufweist.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn sowohl das Maximum der H2- Konzentration und der Gradient der H2- Konzentration zur Bestimmung des Trocknungszustandes eingesetzt werden, da die Robustheit des Verfahrens weiter gesteigert werden kann.
Ein besonderer Vorteil wird durch die Optimierung des H2-Verbrauches erzielt, wenn das Trocknungsverfahren beendet wird, wenn eine Trocknung vorliegt und ansonsten fortgesetzt wird
Es ist vorteilhaft, wenn der Luftmassenstrom durch eine Ansteuerung des Luftverdichters und/oder Verdichters während der Purge- und Drainvorgänge, die zum Trocknen der Anode durchgeführt werden, konstant gehalten wird, da dies die Messgenauigkeit steigert. Eine Adaption des Trocknungsvorganges ist vorteilhaft, weil sie zu Überprüfungszwecken neben der Messung des Trocknungszustandes eingesetzt werden kann und zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung des Trocknungszustandes führt.
Eine Steigerung der Genauigkeit wird hierbei erzielt, wenn die Adaption des Trocknungsvorganges für unterschiedlichen Leistungsstufen oder Betriebsparameter durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Messung, welche die Öffnung des Purge- und Drainventils, die Zellentemperatur und die H2- Konzentration in der Abgasleitung darstellt,
Fig. 3 eine Messung, welche die Öffnung des Purge- und Drainventils, die Zellentemperatur und die H2- Konzentration in der Abgasleitung darstellt, und
Fig. 4 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In der Figur 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem 100 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW’s, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In der Luftleitung kann optional ein Sensor 13 angeordnet sein, welcher den Sauerstoffgehalt der Luft misst. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Befeuchter 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 mit einer höheren Flüssigkeitskonzentration anreichert.
Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der Figur 1 nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist.
Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen von der Seite der Kathode 105 auf die Seite der Anode 103 diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder ein Gebläse 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Gebläse 52 sind möglich.
Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, indem er mit Wasserstoff neu befüllt wird und das Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasser aus dem Rezirkulationskreis 50 entfernt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Menge an Wasser und/oder Stickstoffkonzentration in der Brennstoffleitung 20 nicht abnimmt.
Es ist eine Purge- und Drainleitung 40 zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 angeordnet, so dass während eines Spülvorganges das Wasser und das Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann.
In der Purge- und Drainleitung 40 ist ein Purge- und Drainventil 41 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purge- und Drainventil 41 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Gasgemisch und Wasser über die Purge- und Drainleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird.
Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Des Weiteren können über die Purge- und Drainleitung 40 Wasserstoff, ein Gasgemisch mit Stickstoff und Wasser in die Abgasleitung 12 gelangen. In der Abgasleitung 12 ist ein H2-Sensor 45 angeordnet, welcher die Konzentration von Wasserstoff im Abgas misst, da nicht zu viel Wasserstoff über die Abgasleitung 12 in die Umgebung gelangen darf. Des Weiteren muss die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches vermieden werden.
Ein erfindungsgemäßes Trocknungsverfahren basiert darauf, dass die Anode 103 durch regelmäßiges Öffnen des Purge-/Drain-Ventils 41 getrocknet wird. In Figur 2 ist ein Diagramm mit einer Messung, welche die Öffnung des Purge- und Drainventils 41, und die H2- Konzentration in der Abgasleitung 12 während eines Trocknungsverfahrens darstellt. Die x-Achse stellt den zeitlichen Verlauf dar, während die anderen Größen entlang der y-Achse dimensionslos dargestellt sind. Im Laufe der Zeit nimmt der Trocknung der Anode in der dargestellten Messung immer weiter zu.
Die gestrichelte Linie stellt die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 dar, während die durchgezogene Linie das geöffnete Purge-Drainventil mit Wert 1 und das geschlossene Purge-Drainventil mit Wert 0 darstellt.
Wie aus dem Verlauf der gepunkteten Linie ersichtlich ist, nimmt die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 in der Abgasleitung 12 mit jedem weiteren Öffnen des Purge- und Drainventils 41 zu. Diese Zunahme ist nicht auf die Zunahme der H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 zurückzuführen, da diese innerhalb des dargestellten Zeitraumes nur um 10% zunimmt.
Da in der gezeigten Messung das Intervall und die Dauer des Purge- und Drainvorganges konstant bleiben, ist die beobachtete Zunahme hauptsächlich auf die den H2-Sensor 45 erreichende Menge an Wasserstoff zurückzuführen, welche von der beim Öffnen des Purge-/Drain-Ventils 41 in Rezirkulationskreis 50 vorhandenen Wassermenge abhängt. Wenn beispielsweise zu Beginn des Trocknungsverfahrens viel Wasser abgeführt werden muss, wird in der begrenzten Dauer des Purge- und Drainvorganges entsprechend weniger Wasserstoff abgeführt. Je trockener der Rezirkulationskreis 50 ist, desto größer wird die Menge an Wasserstoff welche über die Purge- und Drainleitung 40 in die Abgasleitung 12 gelangt, und umso größer wird die gemessene H2- Konzentration am H2-Sensor 45 in der Abgasleitung 12.
Unter der Dauer des Purge- und Drainvorgangs ist die Öffnungsdauer des Purge- und Drainventils 41 zu verstehen. Unter dem Intervall des Purge- und Drainvorgangs ist der zeitliche Abstand zwischen dem Einleiten zweier Purge- und Drainvorgänge zu verstehen.
Im dargestellten Diagramm wird mit jedem Purge- und Drainvorgang das Maximum der H2- Konzentration größer. Wenn die Anode bzw. der Rezirkulationskreis 50 getrocknet sind, ist keine Veränderung im Maximum der H2- Konzentration mehr festzustellen.
Neben der Zunahme des Maximums der H2- Konzentration während des Trocknungsverfahrens, ist auch ein schnellerer Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45 zu beobachten. Während bei einer feuchten Anode 103 bzw. mit Wasser im Rezirkulationskreis 50 der Anstieg der H2- Konzentration am H2- Sensor 45 aufgrund des Wassers langsamer erfolgt, steigt die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 bei einer getrockneten Anode 103 bzw. Rezirkulationskreis 50 schneller an.
In Figur 3 ist eine Messung mit feuchter Anode 103 (A) und getrockneter Anode 103 (B) dargestellt. Die x-Achse stellt den zeitlichen Verlauf dar, während die anderen Größen entlang der y-Achse dimensionslos dargestellt sind.
Die gestrichelte Linie stellt die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 dar, während die durchgezogene Linie das geöffnete Purge-Drainventil mit Wert 1 und das geschlossene Purge-Drainventil mit Wert 0 darstellt. Wie aus den beiden Darstellungen ersichtlich, erfolgt der Anstieg der H2- Konzentration bei einer getrockneten Anode im Diagramm (B) dargestellt deutlich schneller als bei einer feuchten Anode 103 im Bild (A) dargestellt.
Fig. 4 zeigt ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des Trocknungszustandes einer Anode 103 eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
In dem Verfahren wird während eines Purge- und Drainvorgangs der zeitliche Verlauf der H2- Konzentration in der Abgasleitung 12 gemessen und durch eine Auswertung der gemessenen H2- Konzentration der Trocknungszustand der Anode 103 und des Rezirkulationskreises 50 ermittelt.
Im Verfahrensschritt 200 wird ein Purge- und Drainvorgang eingeleitet. Dieser Purge- und Drainvorgang wird eingeleitet, um Wasser aus der Anode und dem Rezirkulationskreis zu entfernen.
Zum Einleiten des Purge- und Drainvorganges wird das Purgeventil 41 geöffnet. Hierbei kann die aktuelle Leistungsstufe des Brennstoffzellenstacks 101 möglichst konstant gehalten.
In einem optionalen Verfahrensschritt 210 wird der Luftmassenstrom konstant gehalten. Dies kann beispielsweise durch eine bewusste Regelung des Luftverdichters 11 auf ein festes Leistungsniveau erfolgen.
Im Verfahrensschritt 220 wird die während des Purgevorganges gemessene H2- Konzentration im Abgas durch den H2-Sensor 45 in kurzen zeitlichen Abständen gemessen und gegebenenfalls gespeichert. Die Messung wird beendet, wenn das Purgeventil 41 wieder geschlossen ist und die H2- Konzentration in der Abgasleitung 12 abgesunken ist.
Im Verfahrensschritt 230 wird der während des Purge- und Drainvorgangs gemessene Maximalwert der H2- Konzentration mit einem ersten Schwellenwertes verglichen.
Wenn der während des Purge- und Drainvorgangs gemessene Maximalwert der H2- Konzentration unterhalb des ersten Schwellenwert liegt, wird das Trocknungsverfahren fortgesetzt wird, indem das Purge-/Drain-Ventil 41 in regelmäßigen Abständen geöffnet wird, um die Anode 103 zu trocknen. Hierzu wird im Verfahrensschritt 240 ein Zeitintervall abgewartet, welches dem jeweils aktuellen Purge- und Drainintervall entspricht, bevor das Verfahren erneut mit dem Verfahrensschritt 200 fortgesetzt wird.
Wenn der während des Purge- und Drainvorgangs gemessene Maximalwert der H2- Konzentration oberhalb des ersten Schwellenwertes liegt, wird im Verfahrensschritt 250 das Trocknungsverfahren beendet wird, indem das Purge- Drain-Ventil 41 geschlossen wird bzw. der Purge- und Drainvorgang nicht fortgesetzt wird. Es können sich weitere Verfahrensschritte anschließen, bei denen die Temperatur im Rezirkulationskreis 50 abgesenkt wird, um ein Verdampfen und Umverteilen von Wasser im Brennstoffzellensystem 100 zu vermeiden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechen die Verfahrensschritte 200 bis 220 den im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Schritten.
Im Verfahrensschritt wird 230 der Anstieg der H2- Konzentration während des Purge- Drainvorgangs ausgewertet und daraufhin überprüft, der Gradient der H2- Konzentration oberhalb oder unterhalb des zweiten Schwellenwertes liegt. Falls der Gradient der H2- Konzentration unterhalb des zweiten Schwellenwertes liegt wird zum Verfahrensschritt 240 gegangen. Liegt der Gradient der H2- Konzentration oberhalb des zweiten Schwellenwertes wird zum Verfahrensschritt 250 gegangen.
Die Verfahrensschritte 240 und 250 entsprechen den Verfahrensschritte des ersten Ausführungsbeispiels.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahren ist es auch möglich, dass im Verfahrensschritt 230 sowohl überprüft wird, ob das Maximum der H2- Konzentration über dem ersten Schwellenwert als auch ob der Gradient der H2- Konzentration über dem zweiten Schwellenwert liegt.
In einer weiteren Ausführungsform kann im Anschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Adaption des Trocknungsvorganges durchgeführt werden, wobei nach mindestens einem Trocknungsvorgang die benötigte Anzahl von Purge- und Drainvorgängen bis zur Trocknung der Anode im Steuergerät hinterlegt wird. Zukünftige Trocknungsvorgänge können dann mit den im Steuergerät hinterlegten Daten durchgeführt werden. Hierbei kann die Adaption des Trocknungsvorganges für unterschiedlichen
Leistungsstufen oder Betriebsparameter durchgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erkennung des Trocknungszustandes eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere einer Anode (103), wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstack (101), einen Luftpfad (10), eine Abgasleitung (12) und einen Brennstoffleitung (20) mit Rezirkulationskreis (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Purge- und Drainvorgangs der zeitliche Verlauf der H2- Konzentration in der Abgasleitung (12) gemessen wird und durch eine Auswertung der gemessenen H2- Konzentration der Trocknungszustand des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere der Anode (103), ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalwert der H2- Konzentration während eines Purge- und Drainvorgangs mit einem ersten Schwellenwert verglichen wird und eine Trocknung vorliegt, wenn das Maximum der H2- Konzentration oberhalb des ersten Schwellenwertes liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient der H2- Konzentration nach dem Öffnen des Purge- und Drainventils (41) ermittelt wird und mit einem zweiten Schwellenwert verglichen wird, wobei eine Trocknung vorliegt, wenn der Gradient der H2- Konzentration oberhalb des zweiten Schwellenwertes liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trocknung vorliegt, wenn das Maximum der H2- Konzentration über dem ersten Schwellenwert und der Gradient der H2- Konzentration über dem zweiten Schwellenwert liegt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsverfahren beendet wird, wenn eine Trocknung vorliegt und ansonsten fortgesetzt wird
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsverfahren fortgesetzt wird, indem das Purge-/Drain-Ventils (41) in regelmäßigen Abständen geöffnet wird, um die Anode zu trocknen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsverfahren beendet wird, indem das Purge-Drain-Ventil (41) geschlossen wird und die Temperatur im Rezirkulationskreis (50) abgesenkt wird, um ein Verdampfen und Umverteilen von Wasser im Brennstoffzellensystem (100) zu vermeiden.
8. Verfahren nach Anspruch einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom während des Purge- und Drainvorgangs in der Abgasleitung (12) konstant gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adaption des Trocknungsvorganges durchgeführt wird, wobei nach mindestens einem Trocknungsvorgang die benötigte Anzahl von Purge- und Drainvorgängen bis zur Trocknung im Steuergerät hinterlegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Adaption des Trocknungsvorganges für unterschiedlichen Leistungsstufen oder Betriebsparameter durchgeführt wird.
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