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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere unter Berücksichtigung von Purge-Ereignissen zur Entwässerung der Anode des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems.
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Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann eine Brennstoffzelle, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen, aufweisen, die eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel wird typischerweise aus einem Druckbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet. Dabei kann die Menge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durch ein Ventil verändert werden.
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Durch die Menge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, kann die von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte elektrische Leitung beeinflusst werden. Die Erhöhung der zugeführten Brennstoffmenge führt typischerweise zu einer Erhöhung der elektrischen Leistung, was wiederum eine erhöhte Antriebsleistung des Fahrzeugs ermöglicht.
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Andererseits kann das Zuführen einer überhöhten Menge an Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstapel dazu führen, dass die Konzentration von Brennstoff in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wodurch die Energieeffizienz des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt werden kann. Aus diesem Grund ist es typischerweise vorteilhaft, die Menge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Anodenzustand der Anode des Brennstoffzellenstapels, insbesondere in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Brennstoff-Konzentration an der Anode des Brennstoffzellenstapels, einzustellen.
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Zur Ermittlung des Anodenzustands, insbesondere zur Ermittlung der Brennstoff-Konzentration an der Anode, kann ein dedizierter Konzentrationssensor verwendet werden, der jedoch mit zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Bauraumbedarf verbunden ist. Alternativ oder ergänzend kann ein mathematisches Betriebsmodell für den Brennstoffzellenstapel verwendet werden, um den Anodenzustand, insbesondere um die Brennstoff-Konzentration, abzuschätzen. Der anhand eines Betriebsmodells ermittelte Anodenzustand kann jedoch ungenau sein und hängt typischerweise von der Initialisierung des Betriebsmodells ab.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Brennstoff-Konzentration an der Anode eines Brennstoffzellenstapels in effizienter und präziser Weise zu bestimmen und/oder auf einen optimierten Wert einzustellen, um einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen.
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Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und ein Anodensubsystem zur Aufnahme von Brennstoff (insbesondere von H2) für den Brennstoffzellenstapel. Das Anodensubsystem kann einen Wasserabscheider umfassen, der eingerichtet ist, flüssiges Wasser aus Anodenabgasen des Brennstoffzellenstapels abzuscheiden. Des Weiteren kann das Anodensubsystem ein Purge-Ventil umfassen, das ausgebildet ist, von dem Wasserabscheider abgeschiedenes Wasser aus dem Anodensubsystem auszutragen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, das Purge-Ventil zu öffnen, um ein Purge-Ereignis zu bewirken, und um dadurch flüssiges Wasser aus dem Anodensubsystem auszutragen.
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Purge-Ereignisse können somit dazu verwendet werden, flüssiges Wasser aus dem Anodensubsystem auszutragen. Dabei können ein oder mehrere Betriebsparameter in Bezug auf die Purge-Ereignisse angepasst werden, wie z.B. die Dauer und/oder die Wiederholrate von Purge-Ereignissen. Durch das wiederholte Bewirken von Purge-Ereignissen können eine Ansammlung von flüssigem Wasser in der Anode des Brennstoffzellenstapels, eine damit verbundene Brennstoff-Unterversorgung der Anode und eine damit verbundene Beeinträchtigung der Anode vermieden werden. Andererseits kann ein zu häufiges Bewirken von Purge-Ereignissen zu einer Beeinträchtigung der Effizienz des Brennstoffzellensystems führen (da ggf. Brennstoff über das Purge-Ventil abgelassen wird). Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung kann darauf gerichtet sein, einen besonders energieeffizienten und schonenden Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
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Das Anodensubsystem kann derart ausgebildet sein, dass nachfolgend zu einer ersten Phase eines Purge-Ereignisses, in der im Wesentlichen nur flüssiges Wasser aus dem Anodensubsystem ausgetragen wird, in zumindest einer nachfolgenden Phase Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wird (wenn das Purge-Ereignis eine Gesamtdauer aufweist, die über die Dauer der ersten Phase hinausgeht). Durch das Austragen von Brennstoff kann die Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann das Anodensubsystem derart ausgebildet sein, dass während einer (zweiten oder dritten) Phase eines Purge-Ereignisses, in der Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wird, der Druck von Brennstoff in der Anodenzuleitung zu der Anode des Brennstoffzellenstapels und/oder der Druck von Anodenabgas in der Anodenabgasleitung aus der Anode absinkt (im Vergleich zu dem Druck während der ersten Phase des Purge-Ereignisses). Dieser Druckabfall kann dadurch bewirkt werden, dass in dieser (zweiten oder dritten) Phase des Purge-Ereignisses Brennstoff (durch das Purge-Ventil) direkt aus dem Anodensubsystem geleitet wird, sodass der Gasdruck in der Anodenzuleitung und/oder in der Anodenabgasleitung sinkt. Dieses Absinken des Gasdrucks kann für eine Analyse von Purge-Ereignissen verwendet werden.
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Die Vorrichtung ist eingerichtet, den zeitlichen Verlauf des Drucks in dem Anodensubsystem (z.B. in der Anodenzuleitung und/oder in der Anodenabgasleitung) während zumindest eines vorhergehenden Purge-Ereignisses zu ermitteln. Das Anodensubsystem kann zumindest einen Drucksensor umfassen, der eingerichtet ist, den Druck von Brennstoff in der Anodenzuleitung und/oder den Druck von Anodenabgas in der Anodenabgasleitung zu erfassen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den zeitlichen Verlauf des Drucks in dem Anodensubsystem während des vorhergehenden Purge-Ereignisses auf Basis von Sensordaten des Drucksensors zu ermitteln.
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Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, ein oder mehrere Betriebsparameter zum Betrieb des Brennstoffzellensystems (insbesondere ein oder mehrere Betriebsparameter in Bezug auf das Purgen des Brennstoffzellensystems) in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf des Drucks (während des vorhergehenden Purge-Ereignisses) zu ermitteln.
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Die ein oder mehreren Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems können umfassen,
- • die Dauer zumindest eines nachfolgenden Purge-Ereignisses; und/oder
- • den zeitlichen Abstand des nachfolgenden Purge-Ereignisses von dem vorhergehenden Purge-Ereignis; und/oder
- • die Wiederholrate von ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignissen; und/oder
- • den Öffnungsgrad des Purge-Ventils während des nachfolgenden Purge-Ereignisses; und/oder
- • den Wert des Drucks in dem Anodensubsystem (insbesondere in der Anodenzuleitung); und/oder
- • den Wert der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels.
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Die Vorrichtung ist somit eingerichtet, den Druckverlauf innerhalb des Anodensubsystems während eines vorhergehenden Purge-Ereignisses auszuwerten, um den nachfolgenden Betrieb des Brennstoffzellensystems anzupassen. So kann ein besonders effizienter, zuverlässiger und schonender Betrieb des Brennstoffzellensystems bewirkt werden. Insbesondere kann so in zuverlässiger Weise eine Brennstoff-Unterversorgung in der Anode des Brennstoffzellenstapels vermieden werden. Ferner kann so ein überhöhter Brennstoffverbrauch vermieden werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis des zeitlichen Verlaufs des Drucks zu bestimmen, ob das vorhergehende Purge-Ereignis zumindest eine (zweite oder dritte) Phase umfasst, in der Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde. Die ein oder mehreren Betriebsparameter zum Betrieb des Brennstoffzellensystems können dann in besonders effizienter und zuverlässiger Weise in Abhängigkeit davon ermittelt werden, ob das vorhergehende Purge-Ereignis zumindest eine Phase umfasst, in der Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis des zeitlichen Verlaufs des Drucks ein oder mehrere Eigenschaften des vorhergehenden Purge-Ereignisses zu ermitteln. Die ein oder mehreren Eigenschaften können durch ein oder mehrere Vergleiche des zeitlichen Druckverlaufs mit ein oder mehreren Druck-Schwellenwerten ermittelt werden. Die ein oder mehreren Eigenschaften können umfassen,
- • die Tatsache, ob das vorhergehende Purge-Ereignis nur eine erste Phase umfasst, in der im Wesentlichen nur Wasser aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde;
- • die Tatsache, ob das vorhergehende Purge-Ereignis zusätzlich zu der ersten Phase eine zweite Phase umfasst, in der neben Wasser auch Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde;
- • die Tatsache, ob das vorhergehende Purge-Ereignis zusätzlich zu der zweiten Phase eine dritte Phase umfasst, in der im Wesentlichen nur Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde; und/oder
- • die zeitliche Dauer der ersten, zweiten und/oder dritten Phase.
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Die ein oder mehreren Betriebsparameter zum Betrieb des Brennstoffzellensystems können dann in besonders effizienter und präziser Weise in Abhängigkeit von den ein oder mehreren Eigenschaften des vorhergehenden Purge-Ereignisses ermittelt und/oder angepasst werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den zeitlichen Verlauf des Drucks mit zumindest einem Druck-Schwellenwert zu vergleichen. Die ein oder mehreren Betriebsparameter zum Betrieb des Brennstoffzellensystems können dann in Abhängigkeit von dem Vergleich ermittelt werden.
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Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, den zeitlichen Verlauf des Drucks mit einem ersten Druck-Schwellenwert zu vergleichen. Durch diesen Vergleich kann bestimmt werden, ob das vorhergehende Purge-Ereignis (zusätzlich zu einer ersten Phase) eine zweite Phase umfasst, in der zusätzlich zu Wasser auch Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde. Ferner kann die Dauer der zweiten Phase ermittelt werden.
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Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den zeitlichen Verlauf des Drucks mit einem zweiten Druck-Schwellenwert zu vergleichen, wobei der zweite Druck-Schwellenwert kleiner als der erste Druck-Schwellenwert ist. Dadurch kann bestimmt werden, ob das vorhergehende Purge-Ereignis (zusätzlich zu einer ersten und einer zweiten Phase) eine dritte Phase umfasst, in der im Wesentlichen nur Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde. Ferner kann die Dauer der dritten Phase ermittelt werden.
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Durch die Verwendung von ein oder mehreren Schwellenwert-Vergleichen können ein oder mehrere Eigenschaften des vorhergehenden Purge-Ereignisses in besonders effizienter und präziser Weise ermittelt werden.
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Wie weiter oben dargelegt, können ein oder mehrere Betriebsparameter für den nachfolgenden Betrieb des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von den ein oder mehreren Eigenschaften des vorhergehenden Purge-Ereignisses ermittelt und/oder angepasst werden. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Dauer und/oder die Wiederholrate von ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignissen zu erhöhen und/oder den zeitlichen Abstand von ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignissen zu reduzieren, wenn das vorhergehende Purge-Ereignis nur eine erste Phase umfasst. So kann das Risiko für eine Brennstoff-Unterversorgung reduziert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die Dauer und/oder die Wiederholrate von ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignissen zu reduzieren und/oder den zeitlichen Abstand von ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignissen zu erhöhen, wenn das vorhergehende Purge-Ereignis eine dritte Phase umfasst. So kann die Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
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Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen können entlang der Zeit wiederholt werden. Dabei können jeweils ein oder mehrere vorhergehende Purge-Ereignisse auf Basis der jeweiligen Druckverläufe analysiert werden. Der nachfolgende Betrieb des Brennstoffzellensystems kann in Abhängigkeit von der Analyse der ein oder mehreren vorhergehenden Purge-Ereignisse angepasst werden. So kann ein dauerhaft effizienter und zuverlässiger Betrieb ermöglicht werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die ein oder mehreren Betriebsparameter zum Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermitteln, um zu bewirken, dass die Dauer einer (zweiten) Phase zumindest eines nachfolgenden Purge-Ereignisses, in der Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wird, einen bestimmten Sollwert (z.B. von Null oder nahe Null) aufweist. Es kann insbesondere eine Regelung bewirkt werden, bei der wiederholt ein oder mehrere Betriebsparameter auf Basis der zeitlichen Druckverläufe von ein oder mehreren vorhergehenden Purge-Ereignissen angepasst werden, um die Einstellung, insbesondere die Regelung, der Dauer der zweiten Phase von ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignissen auf einen bestimmten Sollwert zu bewirken. So kann ein besonders effizienter und zuverlässiger Betrieb des Brennstoffzellensystems bewirkt werden.
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Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kann ein äußeres (dynamisches) Ereignis auftreten, durch das der Druck (an der Anodenzuleitung und/oder an der Anodenabgasleitung) beeinflusst wird. Dies kann insbesondere bei Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug der Fall sein. Es kann vorkommen, dass ein derartiges äußeres Ereignis während eines Purge-Ereignisses auftritt, und so zu einer Verzerrung des für das Purge-Ereignis ermittelten zeitlichen Verlaufs des Drucks führt.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der für das vorhergehende Purge-Ereignis erfasste zeitliche Verlauf des Drucks, insbesondere aufgrund eines äußeren dynamischen Ereignisses, verzerrt ist oder nicht. Zu diesem Zweck kann der zeitliche Verlauf des Drucks mit ein oder mehreren Referenzverläufen (für unverzerrte Druckverläufe) verglichen werden. Es kann somit eine Klassifizierung dahingehend erfolgen, ob der für das Purge-Ereignis ermittelte zeitliche Verlauf des Drucks verzerrt ist oder unverzerrt ist.
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Der erfasste zeitliche Verlauf des Drucks kann dann bei der Ermittlung der ein oder mehreren Betriebsparameter für den Betrieb des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit davon berücksichtigt werden, ob der erfasste zeitliche Verlauf des Drucks als verzerrt erkannt (d.h. klassifiziert) wird oder nicht. Insbesondere kann die Form der Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs des Drucks in Abhängigkeit davon angepasst werden, ob der erfasste zeitliche Verlauf des Drucks als verzerrt erkannt (d.h. klassifiziert) wird oder nicht.
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Durch die Erkennung und Berücksichtigung von verzerrten zeitlichen Druckverläufen kann die Zuverlässigkeit des Betriebs des Brennstoffsystems weiter erhöht werden. Die Vorrichtung kann z.B. eingerichtet sein, (pauschal) zu bestimmen, dass das vorhergehende Purge-Ereignis keine Phase aufweist, in der Brennstoff aus dem Anodensubsystem ausgetragen wurde, (d.h., dass das Purge-Ereignis nur eine erste Phase aufweist) wenn erkannt bzw. klassifiziert wird, dass der für das vorhergehende Purge-Ereignis erfasste zeitliche Verlauf des Drucks verzerrt ist. So kann Zuverlässigkeit des Betriebs des Brennstoffsystems in besonders effizienter Weise erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems beschrieben, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel und ein Anodensubsystem zur Aufnahme von Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel aufweist. Das Verfahren umfasst das Ermitteln des zeitlichen Verlaufs des Drucks in dem Anodensubsystem während zumindest eines vorhergehenden Purge-Ereignisses (zum Austragen von flüssigem Wasser aus dem Anodensubsystem). Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln von ein oder mehreren Betriebsparametern zum Betrieb des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf des Drucks.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
- 2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle;
- 3 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht;
- 4 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Frontansicht;
- 5 ein beispielhaftes Anodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels;
- 6a einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Drucks an dem Anodenzufluss oder an dem Anodenabfluss eines Brennstoffzellenstapels;
- 6b eine beispielhafte zeitliche Abfolge von Purge-Ereignissen während des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument damit, einen effizienten und sicheren Betrieb eines Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen, insbesondere in Bezug auf die Versorgung der Anode des Brennstoffzellenstapels mit Brennstoff.
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 101 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff (H2), niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP (Balance-of-Plant) - Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter, insbesondere Drucktank, 110, der dazu verwendet wird, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über ein oder mehrere Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden.
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Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung eines Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
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Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen in der Regel jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.
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Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und wobei die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
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Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
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3 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 102 in einer Seitenansicht. Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst Endplatten 301 zwischen denen mehrere Brennstoffzellen 101 angeordnet sind. Die Endplatten 301 können dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zusammenzuhalten bzw. zusammenzudrücken. Wie oben dargelegt, kann eine Brennstoffzelle 101 durch jeweils eine Seite von zwei benachbarten Bipolarplatten 303 gebildet werden. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 303 kann eine Elektrode-Membran-Einheit (Engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 304 angeordnet sein, die ggf. die o.g. Gasdiffusionsschicht umfasset. Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 Leitungen 302 durch die Brennstoff 211 und/oder Oxidationsmittel 212 über die Bipolarplatten 303 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann, und über die ein oder mehreren Reaktionsprodukte (wiederum über die Bipolarplatten 303) aus den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden können.
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Die Zugänge zu den einzelnen Leitungen 302 befinden sich zur Reduzierung des Bauraums typischerweise nur an einer Seite eines Brennstoffzellenstapels 102. 4 zeigt einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 102 in einer Frontansicht. Insbesondere zeigt 4 die Endplatte 301 eines Brennstoffzellenstapels 102, an der sich die Zugänge für die unterschiedlichen Leitungen 302 des Brennstoffzellenstapels 102 befinden. Der Brennstoffzellenstapel 102 kann eine Brennstoffzuleitung 401 aufweisen (die auch als Anodenzufluss bezeichnet wird), über die Brennstoff 211 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Oxidationsmittelzuleitung 402 aufweisen, über die Oxidationsmittel 212 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Außerdem kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Reaktionsproduktableitung 403 aufweisen, über die Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen 101 abgeführt werden können (z.B. zusammen mit überschüssigem Oxidationsmittel 212 bzw. Luft). Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Brennstoffableitung 404 aufweisen (die auch als Anodenabfluss bezeichnet wird), über die nicht verbrauchter Brennstoff 211 aus den Brennstoffzellen 101 abgeführt werden kann (z.B. im Rahmen einer Anodenspülung oder im Rahmen einer Brennstoff-Rezirkulation).
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Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst, wie beispielhaft in 5 dargestellt, ein Anodensubsystem 500 (mit ein oder mehreren anodenseitigen Komponenten), das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem 500 kann mindestens eine (von mindestens einem Druckbehälter 110, mindestens einem Tankabsperrventil (=TAV), und ggf. mindestens einem Druckminderer) zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung 401, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung 404, mindestens einen Wasserabscheider 503 (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil 507 (= APV) (das auch als Purge-Ventil bezeichnet wird), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer 504 (= ARE bzw. ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung 502 sowie ggf. weitere Elemente aufweisen. In dem in 5 dargestellten Beispiel weist das Anodensubsystem 500 einen Sammelbehälter 505 zur Aufnahme von Wasser 506 auf, wobei der Sammelbehälter 505 ausgebildet ist, Wasser 506 aus dem Wasserabscheider 503 aufzunehmen.
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Hauptaufgabe des Anodensubsystems 500 ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff 211 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein Kathodensubsystem (mit ein oder mehreren kathodenseitigen Komponenten). Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung 402, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung 403, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212 und/oder von Reaktionsprodukten.
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Wie eingangs dargelegt, kann die Menge an Brennstoff 211, die dem Anodenraum des Brennstoffstapels 102 zugeführt wird, angepasst werden, um die von dem Brennstoffzellensystem 100 bereitgestellte elektrische Leistung anzupassen. Dabei kann der aktuelle Anodenzustand, d.h. insbesondere die aktuelle Brennstoff-Konzentration des Gasgemisches in dem Anodenraum des Brennstoffstapels 102, berücksichtigt werden, um die (aus den ein oder mehreren Druckbehältern 110) zuzuführende Menge an Brennstoff 211 in besonders präziser Weise einstellen zu können.
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Das Anodensubsystem 500 kann, wie in 5 dargestellt, einen ersten Drucksensor 511 umfassen, der eingerichtet ist, einen ersten Messwert in Bezug auf den (ersten) Gas-Druck am Eingang des Brennstoffzellenstapels 102, insbesondere am Eingang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102, etwa an der Anodenzuleitung 401, zu erfassen. Ferner kann das Anodensubsystem 500 einen zweiten Drucksensor 512 umfassen, der eingerichtet ist, einen zweiten Messwert in Bezug auf den (zweiten) Gas-Druck am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 102, insbesondere am Ausgang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102, etwa an der Anodenabgasleitung 404, zu erfassen. Der zweite Drucksensor 512 kann z.B., wie in 5 dargestellt, stromabwärts von dem Wasserabscheider 503 angeordnet sein (sodass der zweite Drucksensor 512 und/oder die Sensordaten des zweiten Drucksensors 512 nicht durch flüssiges Wasser 506 in der Anodenabgasleitung 404 beeinträchtigt werden). Dabei ist eine Positionierung in unmittelbarer Nähe zu dem Wasserabscheider 503 und/oder zu dem Purge-Ventil 507 vorteilhaft. So kann der Gas-Druck am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 102 in besonders präziser Weise ermittelt werden.
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Das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem 100 umfasst innerhalb der Anode 201 bzw. innerhalb des Anodensubsystems 500 keinen Konzentrationssensor zur Ermittlung der Brennstoff-Konzentration. Um eine Brennstoff-Unterversorgung und damit eine verstärkte Alterung oder Schäden an dem Brennstoffzellenstapel 102 zu vermeiden, kann die Anode 201 mit einer erhöhten Brennstoff-Konzentration betrieben werden, was jedoch zu einer reduzierten Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems 100 führt.
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Eine Brennstoff-Unterversorgung kann insbesondere durch eine (ggf. lokalisierte) Ansammlung von flüssigem Wasser 506 in der Anode 201 bewirkt werden. Eine derartige Ansammlung von flüssigem Wasser kann typischerweise nur schwer gemessen oder über ein Betriebsmodell erkannt werden, da die Entstehung oder Ansammlung von Flüssigwasser 506 in der Anode 201 von einer Vielzahl von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist (wie z.B. die Purge-Strategie (zur Entwässerung der Anode 201), die Stack-Betriebstemperatur, die Komponententemperatur, den Temperaturgradienten, die Fahrzeugneigung, den Betriebspunkt des Brennstoffzellenstapels 102, die Betriebshistorie, die Anodendichte, den Anodendruck, den Kathodendruck, die Kathodenluftbefeuchtung, Fahrzeugerschütterungen, die Fahrzeugbeschleunigung etc.).
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Aufgrund der zahlreichen Einflüsse auf den Flüssigwasserhaushalt der Anode 201 kann der aktuelle Anodenzustand meist nicht zuverlässig über Sensordaten eines Sensors und/oder über ein Modell in unterschiedlichen Betriebspunkten des Brennstoffzellenstapels 102 bestimmt werden. Die Ansammlung von flüssigem Wasser 506 in der Anode 201 kann je nach Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 102 dazu führen, dass der Brennstoffzellenstapel 102 ausgehend von einem Normalzustand (ohne signifikante Ansammlung von flüssigem Wasser 506) in einem Zeitraum von ca. 10 Sekunden (bei einem Kaltbetrieb und/oder bei Volllast) bis ca. 10 Minuten (bei einem Heißbetrieb und/oder bei Grundlast) einen kritischen Zustand bezüglich der Ansammlung von flüssigem Wasser 506 erreicht. Im kritischen Zustand ist die Anode 201 lokal Brennstoff-unterversorgt, was zu einer Reduzierung der Effizienz des Brennstoffzellenstapels 102 und/oder zu einer Erhöhung der Alterung des Brennstoffzellenstapels 102 führt. Wenn die Brennstoff-Unterversorgung nicht erkannt wird, kann diese zu Schäden an dem Brennstoffzellenstapel 102 führen. Es kann daher in Reaktion auf eine vermutete Unterversorgung eine sofortige und komplette Abschaltung des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen, wodurch jedoch die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems 100 reduziert wird.
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In diesem Dokument werden Maßnahmen beschrieben, mit denen der Flüssigwasserhaushalt in der Anode 201 des Brennstoffzellenstapels 102 in effizienter, präziser und zuverlässiger Weise überwacht werden kann. Dadurch wird es auch ermöglicht, einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 102 zu ermöglichen, insbesondere in Bezug auf die Brennstoff-Konzentration in der Anode 201 des Brennstoffzellenstapels 102.
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6a zeigt einen zeitlichen Verlauf des Drucks 610 an der Anodenzugangsleitung 401 oder an der Anodenabgasleitung 404. Der zeitliche Verlauf des Drucks 610 kann durch die ein oder mehreren Drucksensoren 511, 512 des Anodensubsystems 500 erfasst werden. Zur Beseitigung von flüssigem Wasser 506 aus der Anode 201 des Brennstoffzellenstapels 102 und/oder aus dem Sammelbehälter 505 des Anodensubsystems 500 kann wiederholt das Anodenspülventil 507 geöffnet werden, um ein sogenanntes Purge- bzw. Spül-Ereignis zu bewirken. Die (Steuer-) Vorrichtung 103 kann eingerichtet sein, ein (pulsförmiges) Steuersignal 601 zur Steuerung des Anodenspülventils 507 zu bewirken, um das Anodenspülventil 507 zu öffnen und um dadurch ein Purge-Ereignis zu bewirken. Dabei kann die Dauer des Purge-Ereignisses durch die Dauer bzw. Breite 605 des pulsartigen Steuersignals 601 eingestellt werden.
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Das Anodenspülventil 507 wird durch das Steuersignal 601 geöffnet. Dabei wird der Öffnungsgrad des Anodenspülventils 507 typischerweise durch den elektrischen Strom 602 angezeigt, der durch das Anodenspülventil 507 fließt. Aus dem Strom 602 kann somit abgelesen werden, wie weit und/oder für welchen Zeitraum das Anodenspülventil 507 bei einem Purge-Ereignis effektiv geöffnet war.
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Das Öffnen des Anodenspülventils 507 im Rahmen eines Purge-Ereignisses führt dazu, dass zunächst flüssiges Wasser 506 (aus dem Sammelbehälter 505) abfließt. Als Folge daraus bleibt der Druck 610 an der Anodenzugangsleitung 401 und/oder an der Anodenabgasleitung 404 unverändert. Dies ist bei dem ersten Purge-Ereignis zu erkennen, das auf der linken Seite von 6a dargestellt ist. Ein Purge-Ereignis, bei dem im Wesentlichen nur flüssiges Wasser 506 aus dem Anodensubsystem 500 entnommen wird, kann als Purge-Ereignis eines ersten Typs bezeichnet werden. Die Phase des Purge-Ereignisses, in der im Wesentlichen nur flüssiges Wasser 506 aus dem Anodensubsystem 500 entnommen wird, kann als erste Phase 611 bezeichnet werden.
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Nachdem ein Großteil des flüssigen Wassers 506 abgeflossen ist, vermischt sich zunehmend Gas (insbesondere Brennstoff 211) mit dem durch das Anodenspülventil 507 strömenden Massenstrom. Das Ausströmen von Gas aus der Anode 201 führt zu einem Absinken des Drucks 610 an der Anodenzugangsleitung 401 und/oder an der Anodenabgasleitung 404. Dies ist bei dem zweiten, in der Mitte von 6b dargestellten, Purge-Ereignis zu erkennen. Ein Purge-Ereignis, bei dem zumindest in einer zweiten Phase 612 des Purge-Ereignisses, flüssiges Wasser 506 zusammen mit Gas aus dem Anodensubsystem 500 entnommen wird, kann als Purge-Ereignis eines zweiten Typs bezeichnet werden. Die zweite Phase 612 des Purge-Ereignisses weist in dem in 6a dargestellten Beispiel eine bestimmte Dauer 615 auf.
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In einer dritten Phase 613 eines Purge-Ereignisses kann es dazu kommen, dass im Wesentlichen nur noch Gas durch das Anodenspülventil 507 fließt. Diese dritte Phase 613 kann durch ein signifikantes Absinken des Gasdrucks 610 in der Anodenzugangsleitung 401 und/oder in der Anodenabgasleitung 404 erkannt werden (wie beispielhaft in dem auf der rechten Seite von 6a dargestellten Purge-Ereignis zu sehen ist). Ein solches Purge-Ereignis kann als Purge-Ereignis eines dritten Typs bezeichnet werden. Ein solches Purge-Ereignis weist somit eine zweite Phase 612 mit einer bestimmten Dauer 615 und eine anschließende dritte Phase 613 mit einer bestimmten Dauer 616 auf.
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Zur Erkennung des Typs eines Purge-Ereignisses und/oder zur Erkennung der Phase 611, 612, 613 eines Purge-Ereignisses kann der gemessene Druck 610 mit ein oder mehreren Druck-Schwellenwerten 621, 622 verglichen werden. Z.B. kann bestimmt werden, dass das Purge-Ereignis in eine zweite Phase 612 eintritt, wenn der Druck 610 unter einen ersten Druck-Schwellenwert 621 fällt. Ferner kann bestimmt werden, dass das Purge-Ereignis in eine dritte Phase 613 eintritt, wenn der Druck 610 unter einen zweiten Druck-Schwellenwert 622 fällt (der kleiner als der erste Druck-Schwellenwert 621 ist).
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Die (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 kann eingerichtet sein, wiederholt Purge-Ereignisse zu bewirken. Ferner können die einzelnen Purge-Ereignisse analysiert werden. Es kann insbesondere der Typ der einzelnen Purge-Ereignisse ermittelt werden. Ferner kann die Dauer 615, 616 von ein oder mehreren Phasen 611, 612, 613 der einzelnen Purge-Ereignisse ermittelt werden. Es können somit ein oder mehrere Eigenschaften von ein oder mehreren vorhergehenden Purge-Ereignissen ermittelt werden. Das Brennstoffzellensystem 100 kann dann basierend auf den ein oder mehreren ermittelten Eigenschaften der ein oder mehreren vorhergehenden Purge-Ereignissen betrieben werden. Dabei können insbesondere ein oder mehrere Betriebsparameter in Bezug auf die Durchführung von ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignissen in Abhängigkeit von den ein oder mehreren ermittelten Eigenschaften der ein oder mehreren vorhergehenden Purge-Ereignissen festgelegt werden. Beispielhafte Betriebsparameter sind die Dauer 605 des Steuersignals 601 für ein nachfolgendes Purge-Ereignis und/oder die Wiederholrate der nachfolgenden Purge-Ereignisse bzw. der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, nachfolgenden Purge-Ereignissen.
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Bei der Ermittlung der ein oder mehreren Betriebsparameter können ein oder mehrere der folgenden Regeln verwendet werden:
- • die Dauer 605 des Steuersignals 601 wird erhöht und/oder der zeitliche Abstand der Purge-Ereignisse (d.h. der Steuersignale 601) wird reduziert, wenn die ein oder mehreren vorhergehenden Purge-Ereignisse jeweils nur eine erste Phase 611 aufgewiesen haben (und somit nicht sichergestellt werden kann, dass das flüssige Wasser 506 vollständig aus dem Anodensubsystems 500 entnommen wurde); und/oder
- • die Dauer 605 der Steuersignals 601 wird reduziert und/oder der zeitliche Abstand der Purge-Ereignisse (d.h. der Steuersignal 601) wird erhöht, wenn die ein oder mehreren vorhergehenden Purge-Ereignisse jeweils eine dritte Phase 613 aufgewiesen haben (und somit zusätzlich zu flüssigem Wasser 506 auch Brennstoff 211 aus dem Anodensubsystems 500 entnommen wurde, weil zu intensiv „gepurged“ wurde).
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Es sei angemerkt, dass zusätzliche Regeln verwendet werden können, um die ein oder mehreren Betriebsparameter für die ein oder mehreren nachfolgenden Purge-Ereignisse zu ermitteln. Allgemein kann eine Regelung zur Einstellung der ein oder mehreren Betriebsparameter der nachfolgenden Purge-Ereignisse in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zurückliegenden Purge-Ereignisse durchgeführt werden. Die Regelung kann dabei darauf abzielen, die Dauer 615, 616 der zweiten und/oder dritten Phase 612, 613 von Purge-Ereignissen zu reduzieren (insbesondere jeweils auf Null zu reduzieren) bzw. auf einen Sollwert einzustellen. So kann eine Ansammlung von flüssigem Wasser 506 in der Anode 201 in effizienter und zuverlässiger Weise verhindert werden.
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6b zeigt einen beispielhaften zeitliche Verlauf von Purge-Ereignissen 631. Ferner veranschaulicht 6b, ob der Brennstoffzellenstapel 102 an dem jeweiligen Zeitpunkt in einem optimalen Zustand 640 (ohne eine signifikante Ansammlung von flüssigem Wasser 506 und ohne einen signifikanten Verlust von Brennstoff 211 über das Anodenspülventil 507), in einem ineffizienten Zustand 641 (ohne eine signifikante Ansammlung von flüssigem Wasser 506, aber mit einem signifikanten Verlust von Brennstoff 211 über das Anodenspülventil 507) oder in einem kritischen Zustand 642 (mit einer signifikanten Ansammlung von flüssigem Wasser 506, aber ohne einen signifikanten Verlust von Brennstoff 211 über das Anodenspülventil 507) betrieben wird.
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Wie aus dem zeitlichen Verlauf des Zustands 645 des Brennstoffzellenstapels 102 zu entnehmen ist, führt die in diesem Dokument beschriebene Regelung der ein oder mehreren Betriebsparameter der Purge-Ereignisse 631 dazu, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 in der Nähe des optimalen Zustands 640 eingestellt wird.
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Es kann somit bei den einzelnen Purge-Ereignissen jeweils die Purgecharakteristik in Echtzeit auf dem Steuergerät 103 analysiert und in verschiedene Phasen 611, 612, 613 unterteilt werden. Abhängig von der Dauer 615, 616 der erkannten Phasen 611, 612, 613 und/oder abhängig von akkumulierten Ergebnissen vorheriger Purge-Ereignisse kann eine Bewertung für das Erreichen eines kritischen Zustandes 642 des Brennstoffzellenstapels 102 abgeleitet werden. Basierend auf dieser Bewertung können rechtzeitig vor dem Erreichen eines kritischen Zustandes 642 ein oder mehrere Gegenmaßnahmen eingeleitet werden (wie z.B. das Erhöhen der Purgerate, das Erhöhen des Drucks (in der Anode 201), das Reduzieren des von dem Brennstoffzellenstapel 102 erzeugten Stroms, etc.), wodurch die Systemstabilität und/oder die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden. Alternativ oder ergänzend kann der Vorhalt (insbesondere der „Sicherheitspuffer“) von Brennstoff 211 in dem Brennstoffzellenstapel 102 reduziert werden, wodurch die Effizienz und/oder Reichweite des Brennstoffzellensystems 100 erhöht werden.
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Es kann fortlaufend das Auftreten eines Purge-Ereignisses überwacht werden. Sobald ein Purge-Ereignis auftritt, kann der Strom 602 durch das Purge-Ventil 507 für die Bestimmung des Öffnungsgrades verwendet (da bei einem Magnetventil typischerweise der Öffnungsgrad proportional zu dem Strom ist). Sobald der Purgeventilstrom 602 über einem Strom-Schwellwert liegt (d.h. über dem Mindeststrom für die Öffnung des Ventils 507 liegt), beginnt die erste Phase 611, bei der ein Flüssigwasseraustrag erfolgt. In dieser ersten Phase 611 wird nur Wasser 506 aus dem Wasserabscheider 503 in das Abgas ausgetragen. Die Dauer der ersten Phase 611 ist primär von dem Wasserfüllstand in dem Wasserabscheider 503 und/oder von dem Differenzdruck über dem Purge-Ventil 507 abhängig. Dabei entspricht der Differenzdruck typischerweise dem Anodendruck relativ zu dem Umgebungsdruck.
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Sobald ein signifikanter Druckabfall des Drucks 610 (in dem Anodenzufluss 401 und/oder in dem Anodenabfluss 404) erkannt wird, befindet sich das Purge-Ereignis in einer dynamischen Übergangsphase 612 (d.h. in einer zweiten Phase). Die zweite Phase 612 stellt einen Übergang von dem Flüssigwasseraustrag zu dem Gasaustrag dar. Dabei kann typischerweise keine genaue Angabe zum Austrag der jeweiligen Anteile - flüssig oder gasförmig - gemacht werden. Der Übergang erfolgt typischerweise dynamisch, ohne eine klar feststellbare Aufteilung der Phasenanteile (flüssig vs. gasförmig). Dabei bewegt sich das Verhältnis der Phasenanteile typischerweise beständig von dem Flüssigwasseraustrag zu dem Gasaustrag hin. Es konnte beobachtet werden, dass der dynamische Übergang (d.h. die zweite Phase 612) für unterschiedliche Purge-Ereignisse eine im Wesentlichen konstante und/oder gleichbleibende Dauer 615 aufweist (falls das jeweilige Purge-Ereignis nicht vorzeitig abgebrochen wird).
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Sobald die Übergangsphase 612 abgeschlossen ist, wird kein signifikanter Flüssigwasseranteil mehr ausgetragen. Es erfolgt dann in einer dritten Phase 613 ein (reiner) Gasaustrag. In dieser dritten Phase 613 kann sich noch Wasser 506 im Wasserabscheider 503 befinden, es wirken auf das Wasser 506 aber keine ausreichenden Druckkräfte mehr, um das Wasser 506 auszutragen.
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Der Anodenzustand kann abhängig davon bewertet werden, ob es bei einem Purge-Ereignis eine zweite Phase 612 oder eine dritte Phase 613 gibt und ggf. wie lange diese Phasen 612, 613 jeweils andauern. Wenn ein kritischer Anodenzustand 642 erkannt wird, kann über ein oder mehrere gewichtete Gegenmaßnahmen (Purgerate erhöhen, Druck erhöhen, Strom reduzieren, etc.) der Anodenzustand beeinflusst werden. Wenn sich der Anodenzustand in einem ineffizienten Bereich 641 befindet, können die ein oder mehreren Gegenmaßnahmen reduziert werden. Ferner können ein oder mehrere Maßnahmen zur Einsparung von Brennstoff 211 erfolgen. Hierdurch kann die Anode 201 in einem Bereich um den optimalen Zustand 640 gehalten werden.
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Im dynamischen Fahrzeugbetrieb können während eines Purge-Ereignisses äußere (dynamische) Einflüsse auf den Druckabfall wirken (z.B. aufgrund des Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs). Wenn ein äußerer Einfluss erkannt wird, so kann über die o.g. Gewichtung erreicht werden, dass das Purge-Ereignis eher als kritisch bewertet wird (z.B. eher als Purge-Ereignis des ersten Typs). Hierdurch entfernt sich die Bewertung möglicherweise kurzzeitig von dem optimalen Zustand 640 in Richtung des ineffizienten Bereiches 641. Allerdings werden hierdurch die schwerer wiegenden Schädigungsmechanismen vermieden. Mittelfristig gleicht sich ein potentieller Fehler durch die Gewichtung der Bewertung wieder aus (da das Auftreten von äußeren Ereignissen während eines Purge-Ereignisses 631 eher selten sind).
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Wie in 6a dargestellt, hat der zeitliche Verlauf des Drucks 610 für ein Purge-Ereignis 631 des ersten, zweiten oder dritten Typs einen typischen Verlauf. Dabei erfolgt insbesondere in der zweiten Phase 612 und/oder in der dritten Phase 613 des Purge-Ereignisses 631 ein sprunghafter Abfall des Drucks 610. Andererseits erfolgt am Ende des Purge-Ereignisses 631 ein sprunghafter Anstieg des Drucks 610. Der Druck 610 steigt dabei nach Beendigung des Purge-Ereignisses 631 im Wesentlichen wieder auf den gleichen Druckwert an wie vor dem Beginn des Purge-Ereignisses 631. Es können somit für den zeitlichen Druckverlauf von Purge-Ereignissen 631 ein oder mehrere Referenzverläufe ermittelt und hinterlegt werden (z.B. jeweils ein Referenzverlauf für den ersten, zweiten und/oder dritten Typ von Purge-Ereignissen 631).
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Die Vorrichtung 103 kann eingerichtet sein, zu überprüfen, ob während eines Purge-Ereignisses 631 ein äußeres (dynamisches) Ereignis auf das Brennstoffzellensystem 100 eingewirkt hat (z.B. während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem 100 verbaut ist). Zu diesem Zweck können Sensordaten des Kraftfahrzeugs ausgewertet werden (wie z.B. ein Beschleunigungssensor und/oder eine inertiale Messeinheit). Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung 103 eingerichtet sein, zu überprüfen, ob der für das Purge-Ereignis 631 ermittelte zeitliche Verlauf des Drucks 610 einem Referenzverlauf entspricht oder nicht. Wenn der zeitliche Verlauf des Drucks 610 von den ein oder mehreren Referenzverläufen abweicht, so kann darauf geschlossen werden, dass während des Purge-Ereignisses 631 ein äußeres Ereignis auf das Brennstoffzellensystem 100 eingewirkt hat, und dass dadurch der zeitliche Verlauf des Drucks 610 verzerrt wurde. Es kann somit eine Klassifikation dahingehend erfolgen, ob der zeitliche Verlauf des Drucks 610 unverzerrt ist (und somit für die Anpassung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 verwendet werden kann) oder verzerrt ist (und somit nicht oder nur eingeschränkt für die Anpassung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 verwendet werden kann.
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Die Vorrichtung 103 kann z.B. eingerichtet sein, ein Purge-Ereignis 631 pauschal als Purge-Ereignis des ersten Typs zu klassifizieren, wenn erkannt wird, dass der für das Purge-Ereignis 631 ermittelte zeitliche Verlauf des Drucks 610 (aufgrund eines äußeren Ereignisses) verzerrt ist. So kann ein besonders zuverlässiger und/oder sicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 bewirkt werden (auch dann, wenn das Brennstoffzellensystem 100 in einem Kraftfahrzeug verwendet wird).
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 700 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 100, wobei das Brennstoffzellensystem 100 einen Brennstoffzellenstapel 102 und ein Anodensubsystem 500 zur Aufnahme von Brennstoff 211 für den Brennstoffzellenstapel 102 aufweist.
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Das Verfahren 700 umfasst das Ermitteln 701 des zeitlichen Verlaufs des Drucks 610 in dem Anodensubsystem 500 (insbesondere in der Anodenzuleitung 401 und/oder in der Anodenabgasleitung 404) während zumindest eines vorhergehenden Purge-Ereignisses 631, wobei das Purge-Ereignis 631 darauf ausgerichtet ist, flüssiges Wasser 506 aus dem Anodensubsystem 500, insbesondere aus dem Wasserabscheider 503, auszutragen.
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Das Verfahren 700 umfasst ferner das Ermitteln 702 von ein oder mehreren Betriebsparametern zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 in Abhängigkeit von dem erfassten zeitlichen Verlauf des Drucks 610.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann ein besonders effizienter und zuverlässiger Betrieb eines Brennstoffzellenstapels 102 bewirkt werden, insbesondere in Bezug auf die Einstellung eines optimierten Anodenzustands 640.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellensystem
- 101
- Brennstoffzelle
- 102
- Brennstoffzellenstapel
- 103
- (Steuer-) Vorrichtung
- 110
- Druckbehälter
- 112
- Brennstoffleitung
- 201
- Anode
- 202
- Kathode
- 203
- Separator
- 204
- Kontaktteil (Elektrode)
- 205
- Oxidationsmittelförderer
- 211
- Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)
- 212
- Oxidationsmittel (insbesondere Luft)
- 301
- Endplatte
- 302
- Leitung
- 303
- Bipolarplatte
- 304
- Elektrode-Membran-Einheit
- 401
- Brennstoffzuleitung
- 402
- Oxidationsmittelzuleitung
- 403
- Reaktionsproduktableitung
- 404
- Anodenabgasleitung
- 500
- Anodensubsystem
- 502
- Rezirkulationsleitung
- 503
- Wasserabscheider
- 504
- Brennstoff-Rezirkulationsförderer
- 505
- Sammelbehälter
- 506
- Wasser
- 507
- Ventil
- 511
- Drucksensor (vor dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels)
- 512
- Drucksensor (hinter dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels)
- 601
- (pulsartiges) Steuersignal
- 602
- Steuerstrom
- 605
- Dauer des Steuersignals
- 610
- Druck
- 611, 612, 613
- Phasen eines Purge-Ereignisses
- 615, 616
- Dauer einer Phase
- 621,622
- Druck-Schwellenwert
- 631
- Purge-Ereignis
- 640
- optimierter Anodenzustand
- 641
- ineffizienter Anodenzustand
- 642
- kritischer Anodenzustand
- 645
- tatsächlicher Anodenzustand
- 700
- Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels
- 701-702
- Verfahrensschritte
