AT523952B1 - Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes von zumindest einem Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes von zumindest einem Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems, wobei das Spülventil stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet ist und ein Spülvolumen vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Strom des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich ermittelt wird, wobei eine Öffnungsdauer des Spülventils auf Basis des ermittelten elektrischen Stroms eingestellt wird, wobei eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels von zumindest einem Sensor gemessen und ein Anodendruck durch zumindest einen Sensor bestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch die gemessene Temperatur und den Anodendruck mitbestimmt wird. Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem sowie die Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR REGELUNG EINES SPÜLVENTILS EINES ANODENABSCHNITTES VON ZUMINDEST EINEM BRENNSTOFFZELLENSTAPEL EINES PEM-BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes von zumindest einem Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems, wobei das Spülventil stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet ist und ein Spülvolumen vorgegeben wird, wobei ein elektrischer Strom des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich ermittelt wird, wobei eine Offnungsdauer des Spülventils auf Basis des ermittelten elektrischen Stroms eingestellt wird.
[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.
[0003] Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems.
[0004] PEM-Brennstoffzellensysteme und deren Verwendung in Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter ist es bekannt, dass jedes PEM- Brennstoffzellensystem ein Spülventil umfassen soll, um einen Wasserstoffgehalt in einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels kontrollieren und regeln zu können. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems nimmt ein Wasserstoffgehalt üblicherweise kontinuierlich ab, weil insbesondere Stickstoff in den Anodenabschnitt diffundiert. Um einen Wasserstoffgehalt wieder anzuheben und dadurch einen einwandfreien Betrieb des Brennstoffzellensystem zu gewährleisten, ist es bekannt, dass Spülventil für eine gewisse Zeitspanne, insbesondere periodisch zu öffnen um Anodengas aus dem Anodenabschnitt abzuführen.
[0005] Wann und wie lange das Spülventil geöffnet wird, ist folglich insbesondere von einem Wasserstoffgehalt im Anodenabschnitt abhängig. Um diesen bestimmen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zumindest einen Sensor im Anodenabschnitt anzuordnen, sSodass der Wasserstoffgehalt unmittelbar gemessen werden kann. Diese Lösung hat den Nachteil, dass entsprechende Sensoren sehr kostenintensiv und zugleich jedoch nicht wirklich zuverlässig sind. Um diesen Nachteil zu überwinden sind aus dem Stand der Technik auch sensorlose Verfahren zur Bestimmung einer Wasserstoffkonzentration bekannt geworden. Beispielsweise werden hierfür Simulationsmodelle verwendet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass dabei eine Kalibration für einen ungünstigsten Fall durchgeführt werden muss, welche alle anderen Einflussfaktoren berücksichtigt. Dies kann zu einem zu hohen Wasserstoffgehalt im Anodenabschnitt führen, was zwar den Brennstoffzellenstapel nicht schädigt, aber ineffizient ist.
[0006] Weitere Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes eines Brennstoffzellensystems sind beispielsweise aus der US 2015280260 A1, der US 2007111046 A1 und der WO 2005119824 A2 bekannt.
[0007] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders effiziente Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes bereit zu stellen, welche die oben beschriebenen Nachteile überwindet.
[0008] Weiter ist es ein Ziel ein PEM-Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.
[0009] Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.
[0010] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels von zumindest einem Sensor gemessen und ein Anodendruck durch zumindest einen Sensor bestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch die gemessene Temperatur und den Anodendruck mitbestimmt wird.
[0011] Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die erfindungs
gemäßen Verfahrensschritte eine Effizienz deutlich erhöht ist und weiter eine Kalibration einer erlaubter Wasserstoffkonzentration erleichtert wird.
[0012] Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Brennstoffzellenstapelstrom kontinuierlich, sprich ein Strom, welcher vom Brennstoffzellenstapel gezogen wird, mitgeschrieben und/oder aufgezeichnet. Folglich steht eine Stromhistorie zur Verfügung. Aufgrund des aufgezeichneten Stroms über eine vorbestimmte Zeitdauer wird eine Offnungsdauer des Spülventils eingestellt. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass eine Wasserstoffkonzentration und insbesondere auch eine Stickstoffkonzentration davon abhängig ist, wieviel Strom von der Brennstoffzelle gezogen wird. D. h. wenn über einen längeren, vorbestimmten Zeitraum überdurchschnittlich viel Strom gezogen wird, steigt ein Stickstoffanteil im Anodenabschnitt und in Wasserstoffanteil sinkt. Das Spülventil muss geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Anodenabschnitt zu spülen, sodass eine notwendige Wasserstoffkonzentration im Anodenabschnitt wiederhergestellt wird.
[0013] Erfindungsgemäß ist im Rahmen der Erfindung unter einem Strom stets ein elektrischer Strom zu verstehen. Im Gegensatz dazu ist beispielsweise ein Massenstrom ein Strom eines Betriebsfluides.
[0014] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche aufgezeichnete Daten wie den Strom und/oder eine Spannung weiterverarbeitet und eine Offnungsdauer und/oder Offnungsperiode des Spülventils vorgibt.
[0015] Unter Öffnungsdauer des Spülventils ist im Rahmen jene Zeit zu verstehen, innerhalb welcher das Spülventil offen ist. Es kann vorgesehen sein, dass das Spülventil mehrmals hintereinander, insbesondere periodisch, geöffnet und geschlossen wird. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Offnungsdauer immer gleich lang oder auch unterschiedlich lang ist.
[0016] Im Rahmen der Erfindung kann der Strom direkt durch einen oder mehrere Sensoren gemessen werden. Der Strom kann allerdings auch indirekt durch eine Spannungs- und/oder Leistungsmessung festgestellt werden. Zur Zellspannungsmessung kann beispielsweise ein CVMVerfahren verwendet (Cell Voltage Monitoring) werden, wofür bevorzugt jede einzelne Zelle des Brennstoffzellenstapels mit einem Sensor zur Ermittlung einer Zellspannung verbunden wird. Es kann allerdings auch von Vorteil sein, wenn nicht die Spannung jeder einzelnen Zelle, sondern Zellen paarweise vermessen oder beispielsweise eine Spannung von vier oder fünf Zellen gemeinsam ermittelt wird. Wird die Spannung von mehr als einer Zelle bzw. von mehreren Zellen eins Brennstoffzellenstapels gemeinsam gemessen, wird anschließend ein Mittelwert davon gebildet. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein DC/DC-Wandler angeordnet, welcher Spannungswerte und/oder Stromwerte ausgibt und insbesondere an beiden (Plus und Minus) Leitungen mit dem Brennstoffzellensystem verbunden. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Strom über THDA oder einen externen Strommesser zu ermitteln.
[0017] Das Spülvolumen wird insbesondere vom Brennstoffzellenstapel und/oder vom Brennstoffzellenstapelhersteller selbst vorgegeben. Das vorgegebene Spülvolumen bezeichnet ein Gasvolumen, welches vom Anodenabschnitt über das Spülventil abgelassen werden soll.
[0018] Es ist vorgesehen, dass eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels von zumindest einem Sensor gemessen wird. Vom Sensor wird dabei insbesondere eine Wasserstofftemperatur des Anodenabschnittes gemessen, wofür zumindest ein Sensor im Anodenabschnitt angeordnet ist. Es kann allerdings auch vorteilhaft sein, wenn eine Kühlmitteltemperatur gemessen wird. Kühlmittel durchströmt bevorzugt das Brennstoffzellensystem und insbesondere auch den Brennstoffzellenstapel, weshalb eine Temperatur des Kühlmittels im Wesentlichen gleich jener des Wasserstoffs ist.
[0019] Vorteilhaft ist es, wenn der Strom des Brennstoffzellenstapels über eine vorgegebene Zeitdauer integriert wird. Dadurch wird also die Strommenge, welche über die Zeitdauer gezogen wird in Amperestunden berechnet. Dieser berechnete Wert wird anschließend mit dem Faktor des vorgegebenen Spülvolumens (Liter/Amperestunde) oder einem an einem Prüfstand ermittelten Faktor (Liter/Amperestunde) multipliziert. Der daraus resultierende Wert (Liter) wird als erster Referenzwert in einem zweidimensionalen Kennfeld bevorzugt in der Steuereinheit oder einer
Speichereinheit gespeichert. Dieses Kennfeld und/oder einzelne Daten werden in weiterer Folge zur Regelung des Spülventils verwendet.
[0020] Dabei ist es weiter vorgesehen, dass die Öffnungsdauer des Spülventils durch die gemessene Temperatur mitbestimmt wird, wobei insbesondere ein zu spülende Anodenvolumen mit einem temperaturabhängigem Faktor multipliziert wird. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein Hinweis, darauf wieviel Wasser sich im Brennstoffzellenstapel befindet. Je höher die Temperatur ist, d. h. je mehr Wasserdampf und/oder Stickstoff im Brennstoffzellenstapel ist, desto öfter muss gespült oder ein Spülvolumen erhöht werden.
[0021] Dabei ist es weiter günstig, wenn das Integrieren gestoppt und zurückgesetzt wird, sobald das Spülventil geschlossen wird. Das Integrieren startet dann bevorzugt von Neuem. Das Ermitteln des Stroms wird allerdings bevorzugt weder gestoppt noch zurückgesetzt.
[0022] Es ist vorgesehen, dass ein Anodendruck durch zumindest einen Sensor bestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch den Anodendruck mitbestimmt wird. Zur Bestimmung des Anodendrucks ist insbesondere im Anodenabschnitt, bevorzugt in einer Anodenzuführleitung insbesondere unmittelbar vor dem Brennstoffzellenstapel, ein Sensor angeordnet. Der Anodendruck wird bevorzugt direkt mit einem Drucksensor gemessen oder indirekt über beispielsweise eine Messung eines Massenstroms bestimmt. Es wurde festgestellt, dass ein Anodendruck Einfluss auf das Öffnen des Spülventils hat: Je höher der Anodendruck ist desto kürzer kann die Offnungsdauer des Spülventils sein, da in der gleichen Zeit mehr Volumen durch den Anodenabschnitt gefördert wird. Der gemessene Anodendruck wird bevorzugt auch im zweidimensionalen Kennfeld gespeichert, welches in weiterer Folge für die Regelung des Spülventils verwendet.
[0023] Zweckmäßig ist es, wenn eine an eine Umgebung abgebbare Menge an Wasserstoff vorbestimmt wird, wobei die Offnungsdauer des Spülventils durch die Menge an Wasserstoff mitbestimmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass eine Menge an Wasserstoff, welche an eine Umgebung insbesondere von einem Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug abgegeben werden darf, durch Gesetze geregelt wird. Diese vorgegebene Menge wird insbesondere in einem weiteren Kennfeld gespeichert, wobei dieses weitere Kennfeld ein vom zweidimensionalen, oben beschriebenen, Kennfeld verschieden ist. Daten aus dem weiteren Kennfeld und dem zweidimensionalen Kennfeld werden in weiterer Folge bevorzugt zusammengeführt und dadurch wird eine OÖffnungsdauer des Spülventils bestimmt.
[0024] Vorteilhaft ist es, wenn ein Spülintervall bestimmt wird. Es wird also zusätzlich zur Spüldauer auch eine Spülperiode bestimmt, d. h. wie groß ein zeitlicher Abstand zwischen einem wiederholten Öffnen des Spülventils ist. Die Spülperiode ist insbesondere davon abhängig, wie groß eine zulässige maximale Menge an Wasserstoff im Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels ist. Dieser Wert ist insbesondere vom Brennstoffzellenstapelhersteller selbst vorgegeben und kann beispielsweise vorgeben, dass eine Wasserstoffkonzentration im Anodenabschnitt stets zwischen 70 % und 90 % sein. Um dies zu erreichen, kann es notwendig sein, den Anodenabschnitt durch ein periodisches Öffnen des Spülventils zu spülen.
[0025] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn das PEM-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art, zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt sowie ein Spülventil umfasst, wobei das Spülventil an einem Anodenausgang angeordnet ist.
[0026] Damit ergeben sich die gleichen Vorteile, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich beschrieben worden sind. Alle diesbezüglichen Merkmale, Vorteile und Wirkungen gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzellensystem. Das erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit beispielsweise mehreren 100 einzelnen Brennstoffzellen umfassend einen Kathoden- und einen Anodenabschnitt auf. Weiter ist vorteilhaft ein Anodenzuführabschnitt zum Einbringen von Anodenzuführgas (Wasserstoff) in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und ein Kathodenzuführabschnitt zum Einbringen von Kathodenzu-
führgas (Luft) in den Kathodenabschnitt vorgesehen. Die Luftfördereinrichtung ist insbesondere als Kompressor ausgebildet. Verbrauchtes Anodenabgas wird bevorzugt über einen Anodenabführabschnitt abgeführt und läuft durch einen Wasserabscheider. Neben einer Abfuhr über das Spülventil, ein sogenanntes Purgeventil, an die Umgebung und/oder in den Kathodenabführabschnitt kann auch eine Rezirkulation des Anodenabgases über eine passive Rezirkulationsvorrichtung, beispielsweise in Form einer Ejektorvorrichtung, erfolgen. Der Wasserabscheider kann auch im Rezirkulationsabschnitt oder im Anodenzuführabschnitt stromabwärts der Ejektorvorrichtung angeordnet sein. Weiter ist vorteilhaft ein Kompresser zur Förderung von Kathodengas (Luft) vorgesehen.
[0027] Eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil in einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann dabei ein PKW sein, vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Kraftfahrzeug ein LKW, Bus oder dergleichen ist.
[0028] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch:
[0029] Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0030] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es wird ein Strom des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich ermittelt und mitgeschrieben. Der Strom wird über eine vorgegebene Zeitdauer integriert und die erhaltenen Amperestunden werden mit einem vorgegebenen Spülvolumen multipliziert, sodass ein dadurch erhaltenes Volumen (Liter) berechnet und insbesondere in ein zweidimensionales Kennfeld überführt wird.
[0031] Weiter wird eine Brennstoffzellenstapeltemperatur gemessen, welche über ein eigenes Kennfeld in einen Faktor überführt wird, der anschließend mit dem abzuführenden Volumen multipliziert wird. Das daraus resultierende temperaturabhängige Volumen wird als erster Referenzwert in ein zweidimensionales Kennfeld überführt.
[0032] Darüber hinaus wird ein Anodendruck gemessen und dem zweidimensionalen Kennfeld als zweiter Referenzwert zugeführt.
[0033] Durch alle diese Größen wird in weiterer Folge die Öffnungsdauer des Spülventils bestimmt. Dabei gilt, je höher der Anodendruck ist, desto kürzer soll die Offnungsdauer des Spülventils sein, wobei weiter gilt, dass je höher die Brennstoffzellenstapeltemperatur, desto mehr muss gespült werden.
[0034] Des Weiteren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Spülperiode bestimmt. Diese ist insbesondere von einer Wasserstoffkonzentration, welche maximal im Brennstoffzellenstapel vorhanden sein soll, abhängig. Dies ist beispielsweise derart vorgegeben, dass der Wasserstoffanteil im Brennstoffzellenstapel stets zwischen 70 % und 90 % betragen soll.
[0035] Eine zusätzliche Eingangsgröße zur Bestimmung der Spüldauer und/oder der Spülperiode ist eine erlaubte Menge an Wasserstoff, welche an die Umgebung abgegeben (erlaubte H2 Konzentration) wird.
[0036] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst eine Steuereinrichtung, welche die oben genannten Daten verarbeitet und ein Signal zum Öffnen und Schließen des Spülventils (Anodenspülsignal) weitergibt.

Claims (8)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes von zumindest einem Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems, wobei das Spülventil stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet ist und ein Spülvolumen vorgegeben wird, wobei ein elektrischer Strom des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich ermittelt wird, wobei eine Offnungsdauer des Spülventils auf Basis des ermittelten elektrischen Stroms eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels von zumindest einem Sensor gemessen und ein Anodendruck durch zumindest einen Sensor bestimmt wird, wobei die Offnungsdauer des Spülventils durch die gemessene Temperatur und den Anodendruck mitbestimmt wird.
2, Verfahren nach einem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom des Brennstoffzellenstapels über eine vorgegebene Zeitdauer integriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu spülende Anodenvolumen mit einem temperaturabhängigem Faktor multipliziert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrieren gestoppt und zurückgesetzt wird, sobald das Spülventil geschlossen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine an eine Umgebung abgebbare Menge an Wasserstoff vorbestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch die Menge an Wasserstoff mitbestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spülintervall bestimmt wird.
7. PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das PEM-Brennstoffzellensystem zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt, eine Steuereinrichtung sowie ein Spülventil umfasst, wobei das Spülventil an einem Anodenausgang angeordnet ist.
8. Verwendung eines PEM-Brennstoffzellensystems nach Anspruch 7 in einem Kraftfahrzeug.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
ATA50574/2020A 2020-07-05 2020-07-05 Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes von zumindest einem Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems AT523952B1 (de)

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