AT523992B1 - Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kathodenabschnittes eines PEM-Brennstoffzellensystems, eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Kathodenmassenstrom geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kathodenmassenstrom reduziert wird, wenn das Kraftfahrzeug über eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Minimallastbereich betrieben wird, wobei eine Zellspannung gemessen wird, wobei ein Kathodenmassenstrom erhöht wird, sobald eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem sowie die Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR REGELUNG EINER FEUCHTIGKEIT EINES PEM-BRENNSTOFFZELLENSYSTEM EINES KRAFTFAHRZEUGES

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kathodenabschnittes eines PEM-Brennstoffzellensystems, eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Kathodenmassenstrom geregelt wird, wobei ein Kathodenmassenstrom reduziert wird, wenn das Kraftfahrzeug über eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Minimallastbereich betrieben 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 in solchen Brennstoffzellensystemen die Feuchtigkeit eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle und Regelung derselben spielt. Dabei handelt es sich insbesondere darum, dass die empfindlichen Membranen zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite in einem Brennstoffzellenstapel eine definierte Feuchtigkeit nicht unterschreiten sollen. Gleichzeitig darf die Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels jedoch auch einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten, um ein unerwünscht hohes Maß an Kondenswasser im Brennstoffzellenstapel und somit ein Fluten desselben zu vermeiden.

[0005] Ist eine Leistungsanforderung des Kraftfahrzeuges mit dem Brennstoffzellensystem über eine längere Zeit zu niedrig, trocknen die Brennstoffzellen aus. Wenn ein Kraftfahrzeug über eine lange Zeitdauer in einem Minimallastbetrieb oder Leerlauf (d. h. mit nur 10 % bis 20 % einer möglichen Maximallast) betrieben wird, muss eine größere Menge an Luft zur Kathode geleitet werden, um die chemischen Reaktionen im Brennstoffzellenstapel noch sicherzustellen. Dies führt jedoch dazu, dass die Membranen der Brennstoffzellen austrocken bzw. eine Feuchtigkeit der Brennstoffzellen herabgesetzt wird. Ein solche Erhöhung des Luftmassenstroms ist allerdings notwendig, um Wassertropfen, welche bei der Reaktion im Brennstoffzellenstapel entstehen, aus einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels rauszubekommen, damit ein Fluten des Brennstoffzellenstapels vermieden wird. Um solche Wassertropfen aus der Kathode zu entfernen, ist ein gewisser Druckunterschied zwischen einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang notwendig, weshalb eine Kathodenstöchiometrie erhöht wird, wenn das Fahrzeug im Minimallastbereich betrieben wird. Eine Erhöhung der Kathodenstöchiometrie führt wie oben ausgeführt zu einer Reduzierung einer Zellfeuchte, was in weiterer Folge zu einer Degradation des Brennstoffzellenstapels führt.

[0006] Um dem entgegenzuwirken ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das Kraftfahrzeug bei einem Betrieb desselben im Minimallastbereich in einen sogenannten Stand-By-Betrieb zu versetzten und eine Luftzuführung zur Kathode im Minimallastbetrieb zur Gänze zu stoppen, wenn eine Erhöhung eines Wassergehaltes in den Brennstoffzellen festgestellt wird, sodass chemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel unterbrochen werden und den dort vorhandenen Sauerstoff noch chemisch umgesetzt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zum Stoppen einer Luftzufuhr in der Regel eine Luftfördereinrichtung ausgeschalten werden muss, was sich wiederum auf die Lebensdauer der Luftfördereinrichtung auswirkt bzw. zumindest zeitintensiv ist.

[0007] Derartige Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit in einem PEM-Brennstoffzellensystem sind beispielsweise aus der US 2017250415 A1, der US 2015171444 A1 und der EP 2483969 A1 bekannt.

[0008] Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders effizientes Verfahren für eine Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges bei einem lang anhaltenden Minimallastbetrieb anzugeben, wobei insbesondere eine De-

gradation einzelner Komponenten des Brennstoffzellensystems und/oder des Brennstoffzellenstapels zumindest herabgesetzt wird.

[0009] Weiter ist es ein Ziel ein PEM-Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.

[0010] Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.

[0011] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Zellspannung gemessen wird, wobei ein Kathodenmassenstrom erhöht wird, sobald eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

[0012] Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass keine vollständige Unterbrechung der Luftzufuhr zur Kathode notwendig und/oder vorgesehen ist.

[0013] Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird folglich insbesondere ein Kathodenabschnitt des PEM-Brennstoffzellensystems geregelt. Im Kathodenabschnitt wird Luft zu einer Kathode des Brennstoffzellenstapels geführt, wo diese mit Brennstoff, welcher im Anodenabschnitt geführt wird, chemisch reagiert. Als Brennstoff wird im PEM-Brennstoffzellensystem gasförmiger Wasserstoff verwendet. Auch Leitungen und Elemente stromabwärts des Brennstoffzellenstapels können zum Kathodenabschnitt bzw. zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems gehören. Als Kathodenmassenstrom wird in der Regel die Masse an Luft, welche sich pro Zeiteinheit zum Kathodenabschnitt bewegt, verstanden. Zur Förderung der Luft zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere eine Luftfördereinrichtung wie ein Kompressor und/oder eine Turbine vorgesehen, wobei alternativ auch ein Gebläse angeordnet sein kann. Die Luftfördereinrichtung ist insbesondere stromaufwärts eines Brennstoffzellenstapels angeordnet. Zur Reduzierung des Kathodenmassenstroms werden dann insbesondere Einstellungen des Kompressors und/oder der Turbine bzw. des Gebläses geändert, insbesondere deren Geschwindigkeit. Diese Anderungen werden insbesondere von einer Steuereinrichtung, welche im Kraftfahrzeug angeordnet ist, vorgegeben.

[0014] Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass bei einem etwa 11 Minuten andauernden Betrieb im Minimallastbetrieb zwischen 10 % und 20 % einer Maximallast eine Systemleistung bei konstantem Strom um bis zu 540 Watt oder 6 % sinkt.

[0015] Unter einem Minimallastbereich wird im Rahmen der Erfindung eine Verwendung zwischen 0 % und 20 % einer verfügbaren Maximallast verstanden. Das heißt, es wird viel weniger Strom von der Brennstoffzelle gezogen, als möglich wäre. Um eine relative Feuchte der Brennstoffzellen nicht absinken zu lassen, wird im Rahmen der Erfindung auf eine Erhöhung einer Kathodenstöchiometrie verzichtet. Eine Kathodenstöchiometrie ändertet sich bei konstantem Strom proportional zur Anderung eines Kathodenmassenstroms.

[0016] Es ist von Vorteil, wenn eine Zellspannung gemessen wird. Hierfür wird insbesondere ein CVM-Verfahren verwendet (Cell Voltage Monitoring), wofür bevorzugt jede einzelne Zelle 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 gemeinsam gemessen, wird anschließend die Differenz davon gebildet. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein DC/DC-Wandler angeordnet, welcher Spannungswerte ausgibt. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine Zellspannung über THDA zu ermitteln.

[0017] Erfindungsgemäß wird eine Zellspannung insbesondere kontinuierlich über eine Zeit mitgemessen. Ändert sich diese Zellspannung innerhalb einer kurzen Zeit oft und ein Unterschied bzw. eine Differenz zwischen einer Maximalspannung und Minimalspannung ist größer als ein vorgegebener Wert, beispielsweise 10 mV, wird insbesondere eine Spülung der Kathodenseite mit Luft durchgeführt. Im Rahmen der Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass

der Unterschied zwischen einer Maximalspannung und einer Minimalspannung oder zwischen einem Mittelwert einer Spannung und einer Minimalspannung (oder generell eine Varianz) ein guter Indikator dafür ist, ob ein Brennstoffzellenstapel geflutet wird, sprich ob zuviel Wasser im Brennstoffzellenstapel ist.

[0018] Dabei wird ein Kathodenmassenstrom erhöht, sobald die Zellspannung, insbesondere eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung, einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Eine Erhöhung des Kathodenmassenstroms hat wieder eine Erhöhung der Kathodenstöchiometrie zur Folge und wird insbesondere durch Anderungen an der Luftfördereinrichtung erreicht. Bevorzugt wird hierfür ein Kompresser kurz, beispielsweise für etwa eine Sekunde hochgefahren, sodass mehr Luft durch den Kathodenabschnitt gefördert wird. Dadurch wird Wasser aus der Kathode gespült. Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass der Kompressor mehrmals hintereinander kurz beschleunigt wird. Durch das Spülen der Kathode wird das Wasser, welches sich dort angesammelt hat bzw. die Kathode flutet, aus der Kathode entfernt. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, den Kathodenmassenstrom zu erhöhen, wenn eine vorgegebene Zeitdauer im Minimallastbereich überschritten ist. Das Hochfahren des Kompressors wird beendet, wenn entweder die Zeit (beispielsweise 1 Sekunde) überschritten ist oder bevorzugt, wenn der Unterschied zwischen der Maximalspannung und der Minimalspannung den vorgegebenen Grenzwert wieder unterschreitet. Eine weitere Möglichkeit ist es, das Stack Bypass-Ventil zu öffnen, um insbesondere den Kathodenmassenstrom zu erhöhen und bei einer Erhöhung des Massenstroms wieder zu schließen.

[0019] Vorteilhaft ist es dabei weiter, wenn der vorgegebene Grenzwert vorab an einem Prüfstand ermittelt wird. Der Zusammenhang zwischen der Zellspannung, insbesondere zwischen einer großen Differenz einer Maximalspannung und einer Minimalspannung oder eines Mittelwertes und einer Minimalspannung und einem Fluten des Brennstoffzellenstapels wurden am Prüfstand festgestellt. Wird die Kathode aufgrund einer Zeitvorgabe gespült, wird auch dieser Zeitwert vorab am Prüfstand ermittelt.

[0020] Wenngleich es günstig sein kann, das Spülen zu beenden, wenn eine vorgegebene Zeitspanne erreicht ist, ist es von Vorteil, wenn die Erhöhung des Kathodenmassenstroms beendet wird, sobald der Unterschied zwischen der Maximalspannung und der Minimalspannung den vorgegebenen Grenzwert wieder unterschreitet. Das Spülen der Kathode durch Luft wird dann beendet, da das Wasser wieder aus der Kathode entfernt wurde und eine gewünschte Feuchtigkeit wieder hergestellt ist. Vorteilhaft ist es, wenn das gesamte Kraftfahrzeug oder zumindest das Brennstoffzellensystem vorab an einem Prüfstand kalibriert wird. Dies ist insbesondere günstig, um Erfahrungswerte zu erhalten.

[0021] Es ist zweckmäßig, wenn ein Druck an einem Kathodeneingang und ein Druck an einem Kathodenausgang bestimmt und eine Druckdifferenz berechnet wird. Hierfür ist insbesondere stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels ein Drucksensor angeordnet. Wenngleich auch stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ein Drucksensor vorgesehen sein kann, wird an dieser Stelle bevorzugt ein Massenstrom gemessen, woraus ein Druck bestimmt wird. Um einen Kathodenmassenstrom zu erhöhen und/oder zu erniedrigen ist eine vorbestimmte Druckdifferenz zwischen einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang notwendig.

[0022] Von Vorteil ist es, wenn während dem Minimallastbetrieb stets Luft zu einer Kathode geleitet wird. Das heißt, die Luftzufuhr wird nicht gestoppt, es wird nur der Massenstrom reduziert. Eine Abschaltung der Luftfördereinrichtung ist nicht notwendig und ein sogenannter Stand-Byoder Stopp-Betrieb des Fahrzeuges ist nicht vorgesehen.

[0023] Das weitere Ziel wird erreicht, wenn das PEM-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt mit einer Luftfördereinrichtung umfasst.

[0024] 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 erfindungsgemä-

ßen PEM-Brennstoffzellensystem. Das erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit 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 Kathodenzuführgas (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 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 der Ejektorvorrichtung angeordnet sein. Weiter ist vorteilhaft ein Kompresser zur Förderung von Kathodengas (Luft) vorgesehen.

[0025] 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.

[0026] 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:

[0027] Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

[0028] Fig. 2 ein schematischer Vergleich zwischen einem Effekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dem Stand der Technik;

[0029] Fig. 3 ein schematischer Vergleich zwischen einem weiteren Effekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dem Stand der Technik.

[0030] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im oberen Bereich der Figur ist ein Zellstrom über die Zeit aufgetragen, in der Mitte der Verlauf einer Kathodenstöchiometrie und im unteren Bereich ein Verlauf einer Spannungsdifferenz über die Zeit. Es ist ein Diagramm eines Betriebs eines Fahrzeuges mit einem PEM-Brennstoffzellensystem in einem Minimallastbetrieb dargestellt. Es ist ersichtlich, dass eine Zellspannung im Minimallastbereich solang stetig abnimmt, bis eine Kathodenstöchiometrie erhöht wird. Durch die Abnahme der Zellspannung wird eine benötigte Luftmenge erhöht, was in weiterer Folge zu einer Austrocknung der Zellen führt. Die Abnahme einer Zellspannung führt also zu einer Erhöhung der Kathodenstöchiometrie. Erfindungsgemäß wird in einem solchen lang andauerndernden Minimallastbereich die Kathodenstöchiometrie auf ein Minimalniveau reduziert, um eine Austrocknung der Zellen zu verhindern. Nun können Wassertropfen allerdings nicht mehr aus den Zellen gefördert werden und es droht eine Flutung des Brennstoffzellenstapels. Um diese vorzeitig erkennen zu können, wird eine Zellspannung überwacht. Es wurde festgestellt, dass die Differenz zwischen einer Maximalspannung und einer Minimalspannung oder zwischen einem Mittelwert einer Spannung und einer Minimalspannung (oder generell eine Varianz) ein guter Indikator dafür ist, ob ein Brennstoffzellenstapel geflutet wird, sprich ob zuviel Wasser im Brennstoffzellenstapel ist. Es werden also Spannungswerte als Referenz für eine Feuchte bzw. Nässe im Kathodenabschnitt verwendet. Sobald die Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Wert überschreiten wird für eine kurze Zeit im Bereich von einer oder mehreren Sekunden eine Kathodenstöchiometrie derart verändert, dass ein Luftmassenstrom erhöht wird, wodurch Wassertropfen aus der Kathode entfernt werden. Die ist im rechten Teil der Fig. 1 ersichtlich. Der Brennstoffzellenstapelstrom bleibt dabei im Wesentlichen konstant.

[0031] In Fig. 2 und 3 ist jeweils ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielter Vorteil gezeigt. In Fig. 2 ist im linken Teil eine Entwicklung einer relativen Feuchte bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und auf der rechten Seite die Entwicklung von relativer Feuchte beim erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Es ist ersichtlich, dass durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte die relative Feuchte im Brennstoffzellenstapel über eine lange Zeitdauer

im Wesentlichen konstant bleibt. Fig. 3 zeigt wieder auf der linken Seite eine Entwicklung einer Systemausgangsleistung aus dem Stand der Technik und rechts eine im erfindungsgemäßen Verfahren. Es ist ersichtlich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Systemausgangsleistung um bis zu 6 % erhöht wird.

[0032] Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden zusammenfassend folgende Vorteile erreicht:

* Erhöhung einer relativen Feuchte um bis zu 10 % oder mehr; * Erhöhung einer Systemausgangsleistung im Minimallastbetrieb um bis zu 6 % oder mehr; * Weniger Austrocknung der Zellen.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung einer Feuchtigkeit eines PEM-Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kathodenabschnittes eines PEM-Brennstoffzellensystems, eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Kathodenmassenstrom geregelt wird, wobei ein Kathodenmassenstrom reduziert wird, wenn das Kraftfahrzeug über eine vorbestimmte Zeitdauer in einem Minimallastbereich betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zellspannung gemessen wird, wobei ein Kathodenmassenstrom erhöht wird, sobald eine Differenz zwischen einer Maximalzellspannung und einer Minimalzellspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Grenzwert vorab an einem Prüfstand ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Kathodenmassenstroms beendet wird, sobald der Unterschied zwischen der Maximalspannung und der Minimalspannung den vorgegebenen Grenzwert wieder unterschreitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck an einem Kathodeneingang und ein Druck an einem Kathodenausgang bestimmt und eine Druckdifferenz berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Minimallastbetrieb stets Luft zu einer Kathode geleitet wird.

6. PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das PEM-Brennstoffzellensystem zumindest einen Brennstoffzellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt mit einer Luftfördereinrichtung umfasst.

7. Verwendung eines PEM-Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6 in einem Kraftfahrzeug.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen