WO2024104769A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und brennstoffzellensystem - Google Patents

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hydrogen
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gas
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Tobias FALKENAU
Timo Bosch
Simon Buehler
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system.
  • Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell systems convert hydrogen into electrical energy using oxygen, generating waste heat and water.
  • the conversion of hydrogen means that hydrogen molecules are consumed or removed on the anode side and air and oxygen can be converted into electricity, water and heat at the polymer electrolyte membrane.
  • a fuel cell can have an anode that is supplied with hydrogen and a cathode that is supplied with air, and a polymer electrolyte membrane placed between them.
  • Several such individual fuel cells can advantageously be stacked in order to increase the electrical voltage generated, whereby supply channels can be located inside this stack that supply the individual cells with hydrogen and air and can transport away depleted moist air and the depleted anode exhaust gas.
  • Recirculation can usually be achieved by means of the recirculation fan or passively by means of the jet pump and by using water separators a separation of liquid water and gaseous parts of the anode exhaust gas can be achieved, whereby the water separator can also store a certain volume of the waste water. After a certain limit is reached, the water can be discharged by opening a so-called drain valve, which is usually done at the outlet of the anode.
  • a measure of recirculation is the ratio of hydrogen supplied to the fuel cell to hydrogen consumed by the electrochemical reaction, which is usually referred to as lambda and corresponds to the relation , where a temporal change in the mass of hydrogen present at the anode can be divided by the temporal change in the mass of hydrogen consumed at the anode.
  • the lambda mentioned is an essential parameter for the fuel cell, whereby a sufficiently high lambda and thus a hydrogen concentration can be present at the anode inlet so that the catalyst in the stack of the fuel cell can be supplied with a specified amount of H2 over the entire flow range. Furthermore, a foreign gas, such as nitrogen, can also enter the anode area via diffusion processes, although the freshly supplied fuel can also contain a certain amount of this foreign gas. Nitrogen is an inert gas for the fuel cell, which can reduce the cell voltage and thus the voltage on the stack. For this reason, it is desirable to be able to repeatedly discharge gas from the anode chamber during a driving cycle in order to reduce the foreign gas content, which can be done with a so-called purge valve.
  • Fresh hydrogen can be supplied by hydrogen metering valves, which can be designed as proportional valves. Using a control strategy, this valve can be used to regulate the gas pressure within the anode path, measured by a pressure sensor at a defined position, to a defined target pressure depending on the system operating point. Valves such as these required for discharging foreign gas/nitrogen and water or a combined valve are usually installed in a device in the recirculation path.
  • the nitrogen concentration can be reduced and the lambda can be increased again.
  • the discharge can be carried out in a pilot-controlled manner depending on the operating point or can be carried out as required based on a hydrogen concentration determination.
  • the present invention provides a method for operating a fuel cell system according to claim 1 and a fuel cell system according to claim 9.
  • the idea underlying the present invention is to provide a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system, for example for a vehicle, wherein a supply of the fuel cell with fuel, which is required to generate an associated power of the fuel cell, can be improved.
  • poor fuel with a high concentration of foreign gases or nitrogen can be better identified in order to limit the performance of the fuel cell system if necessary, so that the need for an emergency shutdown can at least be reduced.
  • a corresponding message can be given to the driver so that he can complain about the fuel in the tank and replace it if necessary. In this way, customer satisfaction and the availability of the fuel cell system can be increased.
  • the method for operating a fuel cell system involves determining a gas concentration of hydrogen and/or a concentration of a foreign gas in a gas fuel on an anode side of a fuel cell and while the fuel cell is operating; comparing the gas concentration of the hydrogen with a predetermined hydrogen concentration value and/or the concentration of the foreign gas with a predetermined foreign gas concentration value; opening a drain valve in a recirculation circuit, the recirculation circuit being connected to the anode side and the gas fuel being at least partially drained from the recirculation circuit via the drain valve when the gas concentration of the hydrogen falls below the predetermined hydrogen concentration value and/or when the concentration of the foreign gas exceeds the predetermined foreign gas concentration value; introducing fresh hydrogen from a hydrogen supply line into the recirculation circuit, the hydrogen supply line being connected to the recirculation circuit; monitoring an opening time of the drain valve and comparing the opening time with a predetermined time; and reducing an operating power of the fuel cell by a certain degree and over a certain time when the
  • an associated operating point can be known and under this operating point the necessary operating conditions for the type of fuel cell in question can be known, for example which predetermined hydrogen concentration value should at least be present and/or which predetermined foreign gas concentration value can at most be present.
  • the opening time of the drain valve, with which the hydrogen and/or the foreign gas can be drained, can advantageously be used to regulate the gas concentration of hydrogen and/or the concentration of the foreign gas remaining in the gas fuel of the recirculation path.
  • the gas concentration of hydrogen and/or the concentration of the foreign gas can be determined at certain points in the recirculation circuit and the opening time can be adjusted to meet or approach the concentration specifications of the hydrogen and/or the foreign gas.
  • a supply line of fresh hydrogen can be adjusted to the determined gas concentration of hydrogen and/or the concentration of the foreign gas to meet or approach the concentration specifications of the hydrogen and/or the foreign gas and in both adjustment cases, if necessary, the power of the fuel cell and/or the vehicle drive can then be reduced so that the reduced power can function with a lower gas concentration of hydrogen and/or a higher concentration of the foreign gas with a minimum operation.
  • the steps of determining the gas concentrations, comparing them, opening the drain valve and closing it when the gas concentrations again correspond to the specifications, as well as reducing an operating power can be carried out sequentially in a control loop and repeatedly during operation of the fuel cell.
  • the foreign gas is nitrogen
  • the specific degree of reduction of the operating power of the fuel cell is determined as a function of an amount of deviation of the opening time of the drain valve from the specified time.
  • the operating power of the fuel cell is increased again after the certain time when the opening time falls below the specified time again.
  • the determined degree of reduction of the operating power of the fuel cell is adjusted according to a gradient of the deviation.
  • the power reduction can be continuous with a gradient of 5 - 50 kW/s until the next test step occurs or stepwise in 1-10 kW steps until the next test step occurs.
  • the reduction of the operating power of the fuel cell is indicated to a user of the fuel cell system and thereby information is provided about a quality of the gas fuel and/or the fresh hydrogen.
  • the predetermined hydrogen concentration value and/or the predetermined time is determined as a function of the operating point for a predetermined operation of the fuel cell.
  • the power should be reduced.
  • a minimum operation of the fuel cell is maintained during the reduction.
  • the minimum operation may be a predetermined minimum operation.
  • the fuel cell system comprises a fuel cell with a cathode side and an anode side; a recirculation circuit which is connected to the anode side and a drain valve in the recirculation circuit, via which the gas fuel can be at least partially drained from the recirculation circuit; a hydrogen supply line which is connected to the recirculation circuit and via which fresh hydrogen can be fed into the recirculation circuit; a sensor device which is arranged on the anode side and/or in the recirculation circuit and with which a gas concentration of hydrogen and/or a concentration of a foreign gas in the gas fuel on an anode side and/or in the recirculation circuit can be determined; and a control device which is connected to the sensor device, the fuel cell and to the drain valve and is designed to carry out a method according to the invention.
  • the drain valve is arranged in a flow direction of the gas fuel in the recirculation circuit between the anode side and the hydrogen supply line.
  • the fuel cell system can also be characterized by the features and advantages mentioned in connection with the process and vice versa.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a block diagram of method steps of the method for operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system BS comprises a fuel cell BZ with a cathode side K and an anode side A; a recirculation circuit RZ, which is connected to the anode side A and a drain valve AV in the recirculation circuit RZ, via which the gas fuel can be at least partially drained from the recirculation circuit RZ; a hydrogen supply line WL, which is connected to the recirculation circuit RZ and via which fresh hydrogen can be fed into the recirculation circuit RZ; a sensor device S, which is arranged on the anode side A and/or in the recirculation circuit RZ, and with which a gas concentration of hydrogen and/or a concentration of a foreign gas in the gas fuel on an anode side A and/or in the recirculation circuit RZ can be determined; and a control device SE, which is connected to the sensor device, the fuel cell and to the drain valve AV, and is set up to carry out a method according to the invention.
  • the drain valve AV can be arranged in a flow direction of the gas fuel in the recirculation circuit RZ between the anode side A and the hydrogen supply line WL.
  • a water separator WA can be arranged in the recirculation circuit RZ, which can separate any moisture that occurs in the gas fuel and store it in an internal tank, whereby this process water can then be drained via a water drain valve DV.
  • the drain valve AV can be arranged in the flow direction of the recirculation circuit RZ before or after the water separator WA.
  • the recirculation circuit RZ can also contain a blower device GB with an electric motor M for the blower and its inverter INV and a hydrogen injection unit HGI, which can be connected to the hydrogen supply line WL and to a suction jet pump SP in the recirculation circuit RZ.
  • a blower device GB with an electric motor M for the blower and its inverter INV and a hydrogen injection unit HGI, which can be connected to the hydrogen supply line WL and to a suction jet pump SP in the recirculation circuit RZ.
  • the sensor device S which can be arranged, for example, on the recirculation circuit RZ between the HGI and the anode A, can measure the pressure and temperature there and pass them on to the control device SE, which can then control the supply of hydrogen and/or the power of the fuel cell BZ and/or the opening time of the valves DV and/or AV.
  • the sensor device S and the control device SE can serve as a device for determining the concentration of the gas fuel on the anode side, whereby the hydrogen concentration required for the operating point can be regulated by activating the drain valve AV as required.
  • the nitrogen/hydrogen mixture can advantageously be discharged from the recirculation circuit RZ and from the anode side A and the concentration of hydrogen can be increased by adding fresh hydrogen.
  • the necessary open time of the drain valve AV can increase due to the concentration control.
  • the corresponding control limit is reached, for example if the valve is permanently open or the maximum open time is reached, for example if the Otherwise, the released gas cannot be sufficiently diluted. In this case, the hydrogen concentration in the anode can fall, which can lead to an increasing control deviation in the hydrogen concentration control. If a predetermined threshold value for the opening time is exceeded, the system according to the invention can reduce the power until the target value of the hydrogen concentration can be maintained again.
  • a shutdown as would occur without the procedure according to the invention, can be at least shortened or even avoided. If the corresponding power reduction is carried out over a longer period of time, the driver can also be shown a message that can indicate poor fuel and a resulting power limitation of the fuel cell system.
  • a previously set operating point-dependent limit for the maximum opening time of the drain valve AV can also be defined. If the control device as a controller requires correspondingly longer opening times, this can be an indication of poor fuel and the driver can be given appropriate feedback. With this variant, poor fuel can also be detected outside of a full load point.
  • variable effects over the service life such as service life-dependent valve flow and/or nitrogen transfer (crossover) across the membrane of the fuel cell, which may be known for this type of fuel cell, can be taken into account.
  • Information about a reduction in performance or an increase in performance due to an improvement in the supply situation can be made available to other subsystems such as the control unit of the entire vehicle.
  • the concentration determinations can also be carried out, for example, on the GB blower device with appropriate sensors.
  • the corresponding parameters on the fuel cell can be BZ, such as the output current, can be regulated.
  • the consumed mass flow m'W2_Stack_con can be determined and compared with the supplied mass flow of hydrogen mH2,m on the anode side A of the fuel cell BZ.
  • the inlet mass flow of hydrogen and nitrogen can be determined from the supply line WL.
  • Fig. 2 shows a block diagram of method steps of the method for operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • the method involves determining S1 a gas concentration of hydrogen and/or a concentration of a foreign gas in a gas fuel on an anode side of a fuel cell and while the fuel cell is operating; comparing S2 the gas concentration of the hydrogen with a predetermined hydrogen concentration value and/or the concentration of the foreign gas with a predetermined foreign gas concentration value; opening S3 a drain valve in a recirculation circuit, wherein the recirculation circuit is connected to the anode side and the gas fuel is at least partially drained from the recirculation circuit via the drain valve when the gas concentration of the hydrogen falls below the predetermined hydrogen concentration value and/or when the concentration of the foreign gas exceeds the predetermined foreign gas concentration value; introducing S4 fresh hydrogen from a hydrogen supply line into the recirculation circuit, wherein the hydrogen supply line is connected to the recirculation circuit; monitoring S5 an opening time of the drain valve and comparing the opening time with a predetermined time; and reducing S6 an operating power of the fuel cell by a certain degree and over a

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (BS), umfassend ein Ermitteln (S1) einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite (A) einer Brennstoffzelle (BZ) und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle (BZ); ein Vergleichen (S2) der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert; ein Öffnen (S3) eines Ablassventils (AV) in einem Rezirkulationskreis (RZ), wobei der Rezirkulationskreis (RZ) mit der Anodenseite (A) verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil (AV) zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis (RZ) abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet; ein Einleiten (S4) von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung (WL) in den Rezirkulationskreis (RZ), wobei die Wasserstoffzuleitung (WL) mit dem Rezirkulationskreis (RZ) verbunden ist; - Überwachen (S5) einer Öffnungszeit des Ablassventils (AV) und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und ein Reduzieren (S6) einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet.

Description

Beschreibung
Titel
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
In einem Brennstoffzellensystem wird im Anodenkreis der Wasserstoff aus dem Mitteldruckbereich der Brennstoffzelle zugeführt. Dabei wird typischerweise ein Regelventil zur bedarfsgerechten Dosierung des Wasserstoffes und eine Gebläsevorrichtung verwendet. Mit einem Rezirkulationsgebläse, nachfolgend ARB (Anode Recirculation Blower) genannt, kann im Brennstoffzellensystem der unverbrauchte Wasserstoff, aus dem Auslass der Brennstoffzelle (Stack) wieder in den Zulauf zurückgeführt werden. Dieser Rücklauf kann ein Teil des Anodensubsystems sein, bei dem in der Regel ein vorgelagerter Wasserabscheider integriert sein kann. Da der vorgelagerte Wasserabscheider das Prozesswasser meist nicht vollständig abscheiden kann, werden ARBs eingesetzt, die einen integrierten Wasserabscheider aufweisen können.
Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser. Das Umwandeln von Wasserstoff ist hierbei gleichbedeutend damit, dass Wasserstoffmoleküle anodenseitig verbraucht bzw. entfernt werden und an der Polymer Elektrolyt Membran Luft und Sauerstoff zu Strom, Wasser und Wärme umgesetzt werden können. Eine Brennstoffzelle kann eine Anode aufweisen, die mit Wasserstoff versorgt wird, und eine Kathode, die mit Luft versorgt wird, und eine dazwischen platzierte Polymer Elektrolyt Membran. Es können vorteilhaft mehrere solcher einzelner Brennstoffzellen gestapelt werden, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, wobei sich im Inneren dieses Stapels Versorgungskanäle befinden können, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff und Luft versorgen und eine abgereicherte feuchte Luft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren können.
Ein Rezirkulieren kann üblicherweise mittels des Rezirkulationsgebläses oder passiv mittels der Strahlpumpe erreicht werden und mit der Anwendung von Wasserabscheidern kann eine Separation von flüssigem Wasser und gasförmigen Anteilen des Anodenabgases erzielt werden, wobei der Wasserabscheider auch ein gewisses Volumen des Abwassers speichern kann. Nach einem Erreichen einer bestimmten Grenze kann ein Ausleiten des Wassers mittels des Öffnens eines so genannten Drain-Ventils erfolgen, was üblicherweise am Ausgang der Anode erfolgt.
Ein Maß für die Rezirkulation ist das Verhältnis aus einem der Brennstoffzelle zugeführten und dem durch die elektrochemische Reaktion verbrauchten Wasserstoff, wobei dieses Verhältnis üblicherweise als Lambda bezeichnet wird und der Relation
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entsprechen kann, wobei eine zeitliche Änderung der an der Anode anliegenden Masse des Wasserstoffs durch die zeitliche Änderung der an der Anode verbrauchten Masse des Wasserstoffs geteilt werden kann.
Das genannte Lambda ist eine essentielle Kenngröße für die Brennstoffzelle, wobei ein ausreichend hohes Lambda und damit eine Wasserstoffkonzentration am Anoden-Eingang vorliegen kann, so dass der Katalysator im Stapel der Brennstoffzelle über den gesamten Strömungsbereich hinweg mit einer Vorgabe an H2 versorgt werden kann. Des Weiteren kann über Diffusionsprozesse auch ein Fremdgas, beispielsweise Stickstoff, in den Anodenbereich gelangen, wobei aber auch der frisch zugeführte Brennstoff einen gewissen Anteil an diesem Fremdgas enthalten kann. Stickstoff stellt für die Brennstoffzelle ein Inertgas dar, wodurch eine Zellspannung und somit die Spannung am Stapel reduziert werden kann. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, während eines Fahrzyklus wiederholt auch Gas aus dem Anodenraum ausleitet zu können, um den Fremdgasanteil reduzieren zu können, was mit einem sogenannten Purge-Ventil (Ablassventil) erfolgen kann. Eine Versorgung mit frischem Wasserstoff kann durch Wasserstoffdosierventile erfolgen, die als Proportionalventil ausgeführt sein können. Mittels einer Regelstrategie kann mit diesem Ventil der Gasdruck innerhalb des Anodenpfads, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck eingeregelt werden. Üblicherweise werden solche für das Ausleiten von Fremdgas/Stickstoff und Wasser benötigten Ventile oder ein kombiniertes Ventil in einer Vorrichtung des Rezirkulationspfades montiert.
Durch Öffnen des Ablassventils kann eine Stickstoffkonzentration gesenkt werden und damit auch das Lambda wieder erhöht werden. Das Ausleiten kann betriebspunktabhängig vorgesteuert durchgeführt werden oder anhand einer Wasserstoffkonzentrationsbestimmung bedarfsgerecht durchgeführt werden.
In der DE 10 2020 232178 Al wird ein Betrieb einer Brennstoffzelle beschireben.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 und ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise für ein Fahrzeug, anzugeben, wobei ein Versorgen der Brennstoffzelle mit Treibstoff, welcher zum Aufbringen einer zugehörigen Leistung der Brennstoffzelle benötigt wird, verbessert werden kann.
Vorteilhaft kann Schlechtkraftstoff mit einer hohen Fremdgas- oder Stickstoffkonzentration besser erkannt werden um das Brennstoffzellensystem bei Bedarf in seiner Leistung zu beschränken, so dass die Notwendigkeit für eine Notabschaltung zumindest verringert werden kann. Ein entsprechender Hinweis kann dem Fahrer gegeben werden, so dass er gegebenenfalls den Kraftstoff im Tank reklamieren und austauschen kann. Auf diese Weise kann erzielt werden, die Kundenzufriedenheit zu erhöhen und die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems zu erhöhen.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems ein Ermitteln einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite einer Brennstoffzelle und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle; ein Vergleichen der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert; ein Öffnen eines Ablassventils in einem Rezirkulationskreis, wobei der Rezirkulationskreis mit der Anodenseite verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet; ein Einleiten von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung in den Rezirkulationskreis, wobei die Wasserstoffzuleitung mit dem Rezirkulationskreis verbunden ist; ein Überwachen einer Öffnungszeit des Ablassventils und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und ein Reduzieren einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die
Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet. Es kann für eine gewünschte Betriebsweise, unter welcher bestimmte Betriebsparameter wie beispielsweise die Leistung der Brennstoffzelle eine erwartete Größenordnung einnehmen können, ein zugehöriger Betriebspunkt bekannt sein und unter diesem Betriebspunkt die dazu nötigen Betriebsbedingungen für den vorliegenden Typ der Brennstoffzelle bekannt sein, beispielsweise welcher vorgegebene Wasserstoffkonzentrationswert zumindest vorliegen soll und/oder welcher vorgegebene Fremdgaskonzentrationswert höchstens vorliegen kann.
Die Öffnungszeit des Ablassventils, mit welchem der Wasserstoff und/oder das Fremdgas abgelassen werden kann, kann vorteilhaft zur Regulierung der im Gastreibstoff des Rezirkulationspfades verbleibenden Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder der Konzentration des Fremdgases dienen. Die Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder der Konzentration des Fremdgases kann an bestimmten Stellen des Rezirkulationskreis bestimmt werden und die Öffnungszeit zum Erfüllen oder Annähern an die Konzentrationsvorgaben des Wasserstoffs und/oder des Fremdgases angepasst werden. Ebenso kann eine Zuleitung des frischen Wasserstoffs an die ermittelte Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder der Konzentration des Fremdgases zum Erfüllen oder Annähern an die Konzentrationsvorgaben des Wasserstoffs und/oder des Fremdgases angepasst werden und in beiden Anpassungsfällen dann auch, falls nötig, die Leistung der Brennstoffzelle und/oder des Antriebs des Fahrzeugs verringert werden, damit die verringerte Leistung mit einer geringeren Gaskonzentration des Wasserstoffs und/oder einer höheren Konzentration des Fremdgases mit einem Mindestbetrieb funktionieren kann.
Die Schritte des Ermittelns der Gaskonzentrationen, des Vergleichens, des Öffnens des Ablassventiles und Schließen dieses, wenn die Gaskonzentrationen wieder den Vorgaben entsprechen, sowie das Reduzieren einer Betriebsleistung können nacheinander in eine Regelschleife und wiederholt während eines Betriebs der Brennstoffzelle erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens handelt es sich bei dem Fremdgas um Stickstoff Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem Betrag einer Abweichung der Öffnungszeit des Ablassventils von der Vorgabezeit ermittelt.
Je größer der Betrag der Abweichung desto stärker kann reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Betriebsleistung der Brennstoffzelle nach der bestimmten Zeit wieder erhöht, wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit wieder unterschreitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle entsprechend einem Gradient der Abweichung angepasst.
Die Reduzierung der Leistung kann kontinuierlich mit einem Gradient von 5 - 50 kW/s erfolgen, bis der nächste Prüfschirtt erfolgt oder Schrittweise in 1-10 kW Schritten, bis der nächste Prüfschritt erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird das Reduzieren der Betriebsleistung der Brennstoffzelle einem Nutzer des Brennstoffzellensystems angezeigt und dadurch Auskunft über eine Qualität des Gastreibstoffs und/oder des frischen Wasserstoffs gegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der vorgegebene Wasserstoffkonzentrationswert und/oder die Vorgabezeit betriebspunktabhängig für einen vorgegebenen Betrieb der Brennstoffzelle bestimmt.
Es kann einen optimalen Wasserstoffkonzentrationsgehalt geben, der vorteilhaft eingehalten werden kann, z.B. 60-100 vol% H2 (Wasserstoff).
Weicht der Wert unter einer Schwelle von 80- 60 % über einen Zeitraum von 1- 100 s ab soll die Leistung reduziert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens bleibt bei dem Reduzieren ein Mindestbetrieb der Brennstoffzelle aufrechterhalten.
Bei dem Mindestbetrieb kann es sich um einen vorbestimmten Mindestbetrieb handeln.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite; einen Rezirkulationskreis, welcher mit der Anodenseite verbunden ist und ein Ablassventils in dem Rezirkulationskreis, über welches der Gastreibstoff aus dem Rezirkulationskreis zumindest teilweise ablassbar ist; eine Wasserstoffzuleitung, welche mit dem Rezirkulationskreis verbunden ist und über welche frischer Wasserstoff in den Rezirkulationskreis zuleitbar ist; eine Sensoreinrichtung, welche an der Anodenseite und/oder in dem Rezirkulationskreis angeordnet ist, und mit welcher eine Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder eine Konzentration eines Fremdgases in dem Gastreibstoff an einer Anodenseite und/oder in dem Rezirkulationskreis ermittelbar ist; und eine Steuereinrichtung, welche mit der Sensoreinrichtung, der Brennstoffzelle und mit dem Ablassventil verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Brennstoffzellensystems ist das Ablassventil in einer Durchlaufrichtung des Gastreibstoffs in dem Rezirkulationskreis zwischen der Anodenseite und der Wasserstoffzuleitung angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem BS umfasst eine Brennstoffzelle BZ mit einer Kathodenseite K und einer Anodenseite A; einen Rezirkulationskreis RZ, welcher mit der Anodenseite A verbunden ist und ein Ablassventils AV in dem Rezirkulationskreis RZ, über welches der Gastreibstoff aus dem Rezirkulationskreis RZ zumindest teilweise ablassbar ist; eine Wasserstoffzuleitung WL, welche mit dem Rezirkulationskreis RZ verbunden ist und über welche frischer Wasserstoff in den Rezirkulationskreis RZ zuleitbar ist; eine Sensoreinrichtung S, welche an der Anodenseite A und/oder in dem Rezirkulationskreis RZ angeordnet ist, und mit welcher eine Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder eine Konzentration eines Fremdgases in dem Gastreibstoff an einer Anodenseite A und/oder in dem Rezirkulationskreis RZ ermittelbar ist; und eine Steuereinrichtung SE, welche mit der Sensoreinrichtung, der Brennstoffzelle und mit dem Ablassventil AV verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dabei kann das Ablassventils AV in einer Durchlaufrichtung des Gastreibstoffs in dem Rezirkulationskreis RZ zwischen der Anodenseite A und der Wasserstoffzuleitung WL angeordnet sein. Im Rezirkulationskreis RZ kann ein Wasserabscheider WA angeordnet sein, welcher anfallende Feuchtigkeit im Gastreibstoff separieren kann und in einem internen Tank speichern kann, wobei dieses Prozesswasser dann über ein Wasserablassventil DV abgelassen werden kann. Das Ablassventil AV kann in Durchlaufrichtung des Rezirkulationskreises RZ vor oder nach dem Wasserabscheider WA angeordnet sein. Im Rezirkulationskreis RZ können ebenso eine Gebläsevorrichtung GB mit einem Elektromotor M für das Gebläse und dessen Inverter INV vorhanden sein und eine Wasserstoffinjektionseinheit HGI, welche mit der Wasserstoffzuleitung WL verbunden sein kann und mit einer Saugstrahlpumpe SP im Rezirkulationskreis RZ verbunden sein kann.
Im gezeigten Brennstoffzellensystem können die Sensoreinrichtung S, welche beispielsweise an dem Rezirkulationskreis RZ zwischen dem HGI und der Anode A angeordnet sein können, den dortigen Druck und die Temperatur messen und an die Steuereinrichtung SE weitergeben, welche dann die Zufuhr des Wasserstoffs und/oder die Leistung der Brennstoffzelle BZ und/oder die Öffnungszeit der Ventile DV und/oder AV steuern kann. Die Sensoreinrichtung S und die Steuereinrichtung SE können als eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung des Gastreibstoffs an der Anodenseite dienen, wodurch die für den Betriebspunkt notwendige Wasserstoffkonzentration eingeregelt werden kann, indem bedarfsgerecht das Ablassventil AV aktiviert werden kann.
Durch das Öffnen des Ablassventils AV kann vorteilhaft das Stickstoff/Wasserstoffgemisch aus dem Rezirkulationskreis RZ und von der Anodenseite A ausgelassen werden und die Konzentration von Wasserstoff durch zuführen von frischem Wasserstoff erhöht werden. Für den Fall, dass Schlechtkraftstoff zugeführt wird, welcher eine vorbestimmte Vorgabe zur gewünschten Funktion der Brennstoffzelle nicht erfüllt, kann sich üblicherweise mehr Stickstoff in der Anode anreichern, wodurch eine notwendige Offenzeit des Ablassventils AV durch die Konzentrationsreglung zunehmen kann. Es kann dabei auch der Fall sein, dass bei besonders schlechten Kraftstoffen die entsprechende Regelgrenze erreicht wird, etwa wenn das Ventil dauerhaft offensteht oder die maximale Offendauer erreicht ist, zum Beispiel, wenn das abgelassene Gas sonst nicht ausreichend verdünnt werden kann. In diesem Fall kann die Wasserstoffkonzentration in der Anode sinken, so dass es zu einer zunehmenden Regelabweichung bei der Wasserstoffkonzentrationsregelung kommen kann. Wenn ein vorbestimmter Schwellwert für die Öffnungszeit überschritten wird kann das System nach der Erfindung die Leistung so lange reduzieren, bis der Sollwert der Wasserstoffkonzentration wieder gehalten werden kann.
Es kann vorteilhaft ein Abschalten, wie es ohne die erfindungsgemäße Vorgehensweise stattfinden würde, zumindest verkürzt oder sogar vermieden werden. Falls die entsprechende Leistungsreduktion über einen längeren Zeitraum durchgeführt wird, kann dem Fahrer zusätzlich eine Meldung angezeigt werden, die Schlechtkraftstoff und eine daraus folgende Leistungsbegrenzung des Brennstoffzellensystems anzeigen kann.
Es kann anstelle oder zusätzlich zu einer Reglerabweichung auch eine zuvor festgesetzte betriebspunktabhängige Grenze für die maximale Öffnungszeit des Ablassventils AV definiert werden. Falls die Steuereinrichtung als Regler entsprechend längere Öffnungsdauern fordert, kann dies ein Indiz für Schlechtkraftstoff sein und es kann dem Fahrer eine entsprechende Rückmeldung gegeben werden. Mit dieser Variante kann Schlechtkraftstoff auch außerhalb eines Vollastpunktes erkannt werden.
Um eine Genauigkeit des genannten Regelverfahren erzielen zu können, können veränderliche Effekte über Lebensdauer wie etwa lebensdauerabhängiger Ventildurchfluss- und/oder Stickstoffübertrag (Crossover) über die Membran der Brennstoffzelle, welche für diesen Typ der Brennstoffzelle bekannt sein können, berücksichtigt werden. Eine Information über eine Leistungsreduktion- oder auch Erhöhung durch Verbesserung der Versorgungssituation kann anderen Teilsystemen wie z.B. dem Kontrollgerät des Gesamtfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden.
Die Konzentrationsbestimmungen können beispielsweise auch an der Gebläsevorrichtung GB mit entsprechender Sensorik erfolgen. Zur Leistungsregelung können die entsprechenden Parameter an der Brennstoffzelle BZ, etwa der Ausgangsstrom, eingeregelt werden. Zur Ermittlung des entsprechenden Lambdas kann an der Anodenseite A der Brennstoffzelle BZ der konsumierte Massenstrom m'W2_Stack_con mit dem zugeführten Massenstrom des Wasserstoffs mH2,m ermittelt und verglichen werden. Aus der Zuleitung WL kann der Zulaufmassenstrom des Wasserstoffs und des Stickstoffs ermittelt werden.
Fig. 2 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren erfolgt ein Ermitteln S1 einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite einer Brennstoffzelle und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle; ein Vergleichen S2 der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert; ein Öffnen S3 eines Ablassventils in einem Rezirkulationskreis, wobei der Rezirkulationskreis mit der Anodenseite verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet; ein Einleiten S4 von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung in den Rezirkulationskreis, wobei die Wasserstoffzuleitung mit dem Rezirkulationskreis verbunden ist; ein Überwachen S5 einer Öffnungszeit des Ablassventils und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und ein Reduzieren S6 einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (BS), umfassend die Schritte:
- Ermitteln (Sl) einer Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder einer Konzentration eines Fremdgases in einem Gastreibstoff an einer Anodenseite (A) einer Brennstoffzelle (BZ) und unter einem Betrieb der Brennstoffzelle (BZ);
- Vergleichen (S2) der Gaskonzentration des Wasserstoffs mit einem vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert und/oder der Konzentration des Fremdgases mit einem vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert;
- Öffnen (S3) eines Ablassventils (AV) in einem Rezirkulationskreis (RZ), wobei der Rezirkulationskreis (RZ) mit der Anodenseite (A) verbunden ist und der Gastreibstoff über das Ablassventil (AV) zumindest teilweise aus dem Rezirkulationskreis (RZ) abgelassen wird, wenn die Gaskonzentration des Wasserstoffs den vorgegebenen Wasserstoffkonzentrationswert unterschreitet und/oder wenn die Konzentration des Fremdgases den vorgegebenen Fremdgaskonzentrationswert überschreitet;
- Einleiten (S4) von frischem Wasserstoff aus einer Wasserstoffzuleitung (WL) in den Rezirkulationskreis (RZ), wobei die Wasserstoffzuleitung (WL) mit dem Rezirkulationskreis (RZ) verbunden ist;
- Überwachen (S5) einer Öffnungszeit des Ablassventils (AV) und Vergleichen der Öffnungszeit mit einer Vorgabezeit; und
- Reduzieren (S6) einer Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) um einen bestimmten Grad und über eine bestimmte Zeit wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem es sich bei dem Fremdgas um Stickstoff handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) in Abhängigkeit von einem Betrag einer Abweichung der Öffnungszeit des Ablassventils (AV) von der Vorgabezeit ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) nach der bestimmten Zeit wieder erhöht wird, wenn die Öffnungszeit die Vorgabezeit wieder unterschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, bei welchem der bestimmte Grad der Reduzierung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) entsprechend einem Gradient der Abweichung angepasst wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Reduzieren der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (BZ) einem Nutzer des Brennstoffzellensystems (BS) angezeigt wird und dadurch Auskunft über eine Qualität des Gastreibstoffs und/oder des frischen Wasserstoffs gegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der vorgegebene Wasserstoffkonzentrationswert und/oder die Vorgabezeit betriebspunktabhängig für einen vorgegebenen Betrieb der Brennstoffzelle (BZ) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem bei dem Reduzieren ein Mindestbetrieb der Brennstoffzelle (BZ) aufrechterhalten bleibt.
9. Brennstoffzellensystem (BS), umfassend,
- eine Brennstoffzelle (BZ) mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite (A);
- einen Rezirkulationskreis (RZ), welcher mit der Anodenseite (A) verbunden ist und ein Ablassventils (AV) in dem Rezirkulationskreis (RZ), über welches der Gastreibstoff aus dem Rezirkulationskreis (RZ) zumindest teilweise ablassbar ist;
- eine Wasserstoffzuleitung (WL), welche mit dem Rezirkulationskreis (RZ) verbunden ist und über welche frischer Wasserstoff in den Rezirkulationskreis (RZ) zuleitbar ist;
- eine Sensoreinrichtung, welche an der Anodenseite (A) und/oder in dem Rezirkulationskreis (RZ) angeordnet ist, und mit welcher eine Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder eine Konzentration eines Fremdgases in dem Gastreibstoff an einer Anodenseite (A) und/oder in dem Rezirkulationskreis (RZ) ermittelbar ist; und
- eine Steuereinrichtung (SE), welche mit der Sensoreinrichtung, der Brennstoffzelle und mit dem Ablassventil (AV) verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
10. Brennstoffzellensystem (BS) nach Anspruch 9, bei welchem das Ablassventils (AV) in einer Durchlaufrichtung des Gastreibstoffs in dem Rezirkulationskreis (RZ) zwischen der Anodenseite (A) und der Wasserstoffzuleitung (WL) angeordnet ist.
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