DE102022204874A1 - Method for operating a fuel cell system, control device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel, bei dem bei Detektion oder Annahme eines reversiblen Performanceverlusts folgende Schritte ausgeführt werden:S1 Starten einer Recovery-Funktion und Anwenden der Funktion auf den Brennstoffzellenstapel,S2 Sicherstellen eines unterbrechungsfreien Betriebs des Brennstoffzellensystems während der Anwendung der Recovery-Funktion durch mindestens eine Maßnahme zur Kompensation der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels,S3 Unterbrechen der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel,S4 elektrochemisches Reduzieren von kathodenseitig vorhandenem Restsauerstoff,S5 Wiederherstellen der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel und Wiederaufnahme des Normalbetriebs,S6 Beenden der mindestens einen Maßnahme zur Kompensation der elektrischen Leistung sowieS7 Beenden der Recovery-Funktion.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell stack, in which the following steps are carried out when a reversible performance loss is detected or assumed: S1 starting a recovery function and applying the function to the fuel cell stack, S2 ensuring uninterrupted operation of the fuel cell system during the application of the recovery function through at least one measure to compensate for the electrical power of the fuel cell stack, S3 interrupting the air supply to the fuel cell stack, S4 electrochemically reducing residual oxygen present on the cathode side, S5 restoring the air supply to the fuel cell stack and resuming normal operation, S6 ending the at least one measure for compensating for the electrical power and S7 ending the recovery function. The invention further relates to a control device for carrying out steps of the method according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens vorgeschlagen.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell stack. In addition, a control device for carrying out steps of the method is proposed.
Bevorzugter Anwendungsbereich sind mobile Brennstoffzellensysteme bzw. Brennstoffzellenfahrzeuge, insbesondere solche Brennstoffzellenfahrzeuge mit einem hohen Leistungsbedarf, wie beispielsweise Busse und Lastkraftwagen.The preferred area of application is mobile fuel cell systems or fuel cell vehicles, in particular fuel cell vehicles with a high power requirement, such as buses and trucks.
Stand der TechnikState of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. In mobilen Brennstoffzellensystemen wird die mit Hilfe der Brennstoffzellen erzeugte elektrische Energie als Antriebsenergie genutzt. Da wasserstoffbasierte Brennstoffzellen lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen, gelten sie als Mobilitätskonzept der Zukunft.Hydrogen-based fuel cells convert hydrogen and oxygen into electrical energy, heat and water. In mobile fuel cell systems, the electrical energy generated with the help of the fuel cells is used as drive energy. Since hydrogen-based fuel cells only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times, they are considered the mobility concept of the future.
Den Kern einer Brennstoffzelle bildet die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Diese umfasst eine Membran, die zur Ausbildung von Elektroden beidseits mit einem katalytischen Material beschichtet ist. Die Elektroden bzw. Katalysatorschichten bestehen typischerweise aus Platin-Partikeln, die auf größeren Kohlenstoffpartikeln aufgebracht sind. Während die Platin-Partikel den Katalysator ausbilden, sorgt die Kohlenstoffphase für den Elektronen- und Wärmetransport.The core of a fuel cell is the membrane electrode arrangement (MEA). This includes a membrane that is coated on both sides with a catalytic material to form electrodes. The electrodes or catalyst layers typically consist of platinum particles that are applied to larger carbon particles. While the platinum particles form the catalyst, the carbon phase ensures the transport of electrons and heat.
In der Praxis werden zur Steigerung der Leistung eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, dem sogenannten Stack. Darüber hinaus können mehrere Brennstoffzellenstapel zu einem Multi-Stack-Brennstoffzellensystem kombiniert werden.In practice, to increase performance, a large number of fuel cells are combined into a fuel cell stack, the so-called stack. In addition, multiple fuel cell stacks can be combined to form a multi-stack fuel cell system.
Ein langer ununterbrochener Betrieb eines Brennstoffzellenstapels führt in der Regel zu Performanceverlusten, so dass die Effizienz des Gesamtsystems sinkt und der Wasserstoffverbrauch steigt. Die Performanceverluste sind jedoch meistens reversibel, so dass Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Beispielsweise kann bei einem Performanceverlust durch Oxidation der Platin-Partikel und die damit einhergehende Abnahme der Reaktionsoberfläche ein sogenanntes „Sauerstoff-Bleed-Down“ durchgeführt werden. Beim „Sauerstoff-Bleed-Down“ wird die Spannung des Brennstoffzellenstapels heruntergefahren und der Restsauerstoff in der Kathode elektrochemisch reduziert.Long, uninterrupted operation of a fuel cell stack usually leads to performance losses, so that the efficiency of the entire system decreases and hydrogen consumption increases. However, the performance losses are usually reversible, so countermeasures can be taken. For example, in the event of a loss of performance due to oxidation of the platinum particles and the resulting decrease in the reaction surface, a so-called “oxygen bleed-down” can be carried out. During “oxygen bleed-down,” the voltage of the fuel cell stack is reduced and the residual oxygen in the cathode is electrochemically reduced.
Derartige Gegenmaßnahmen, auch „Recovery“-Strategien genannt, können aber in der Regel erst beim nächsten Abstellen des Systems ergriffen werden, so dass bis dahin das System mit geringer Effizienz betrieben wird.However, such countermeasures, also known as “recovery” strategies, can usually only be taken the next time the system is shut down, so that until then the system will operate with low efficiency.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen, so dass die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems steigt.The object of the present invention is to remedy this so that the efficiency in the operation of a fuel cell system increases.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens vorgeschlagen.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous embodiments can be found in the subclaims. In addition, a control device for carrying out steps of the method is proposed.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel werden bei Detektion oder Annahme eines reversiblen Performanceverlusts folgende Schritte ausgeführt:
- S1 Starten einer Recovery-Funktion und Anwenden der Funktion auf den Brennstoffzellenstapel,
- S2 Sicherstellen eines unterbrechungsfreien Betriebs des Brennstoffzellensystems während der Anwendung der Recovery-Funktion durch mindestens eine Maßnahme zur Kompensation der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels,
- S3 Unterbrechen der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel,
- S4 elektrochemisches Reduzieren von kathodenseitig vorhandenem Restsauerstoff,
- S5 Wiederherstellen der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel und Wiederaufnahme des Normalbetriebs,
- S6 Beenden der mindestens einen Maßnahme zur Kompensation der elektrischen Leistung sowie
- S7 Beenden der Recovery-Funktion.
- S1 starting a recovery function and applying the function to the fuel cell stack,
- S2 ensuring uninterrupted operation of the fuel cell system while using the recovery function through at least one measure to compensate for the electrical power of the fuel cell stack,
- S3 interrupting the air supply to the fuel cell stack,
- S4 electrochemical reduction of residual oxygen present on the cathode side,
- S5 Restore air supply to the fuel cell stack and resume normal operation,
- S6 Termination of at least one measure for compensating the electrical power and
- S7 exiting the recovery function.
Die Anwendung der Recovery-Funktion erfolgt leistungsneutral, da nach dem vorgeschlagenen Verfahren die fehlende elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels kompensiert wird. Das heißt, dass der Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht unterbrochen werden muss, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Auf diese Weise können Performanceverluste bei längeren unterbrechungsfreien Betriebszeiten vermieden werden. Im Ergebnis werden somit eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems und eine Verringerung des Wasserstoffverbrauchs erreicht.The application of the recovery function is power-neutral, since the proposed method compensates for the lack of electrical power of the fuel cell stack. This means that the operation of the fuel cell system does not have to be interrupted in order to carry out the method according to the invention. In this way, performance losses can be avoided during longer uninterrupted operating times. The result is an increase in the efficiency of the entire system and a reduction in hydrogen consumption.
Die in den Schritten S3 und S4 angegebenen Maßnahmen beschreiben im Wesentlichen einen Sauerstoff-Bleed-Down. Mit Hilfe dieser Maßnahmen kann demnach insbesondere einem Performanceverlust entgegengewirkt werden, der auf eine Oxidschicht zurückzuführen ist, die sich bei längerem Betrieb auf den Platin-Partikeln der kathodenseitigen Katalysatorschichten ausbildet. Die Maßnahmen können aber auch dazu dienen sonstige Verunreinigungen auf den Platin-Partikeln zu entfernen.The measures specified in steps S3 and S4 essentially describe an oxygen bleed-down. With the help of these measures, a loss in performance can be counteracted in particular, which can be attributed to an oxide layer that forms on the platinum particles of the cathode-side catalyst layers during prolonged operation. The measures can also serve to remove other contaminants on the platinum particles.
Die Recovery-Funktion kann immer dann angewendet werden, wenn ein reversibler Performanceverlust detektiert oder angenommen wird, beispielsweise aufgrund Zeitablaufs.The recovery function can always be used when a reversible loss of performance is detected or assumed, for example due to the passage of time.
Zur Detektion eines reversiblen Perfomanceverlusts kann die aktuelle Spannung des Brennstoffzellenstapels mit einem vorab definierten Referenzwert verglichen werden. Als Referenzwert kann beispielsweise die Spannung des Brennstoffzellenstapels bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems oder bei Fahrtbeginn des Brennstoffzellenfahrzeugs dienen. Die Spannung des Brennstoffzellenstapels wird dann zum jeweiligen Zeitpunkt gemessen und als Referenzwert hinterlegt, beispielsweise in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems. Ergibt der Vergleich eine zu große Abweichung, beispielsweise eine Abweichung von 10% oder mehr, kann die Recovery-Funktion angewendet werden.To detect a reversible loss of performance, the current voltage of the fuel cell stack can be compared with a predefined reference value. For example, the voltage of the fuel cell stack when the fuel cell system is started up or when the fuel cell vehicle starts driving can serve as a reference value. The voltage of the fuel cell stack is then measured at the respective time and stored as a reference value, for example in a control unit of the fuel cell system. If the comparison results in a deviation that is too large, for example a deviation of 10% or more, the recovery function can be applied.
Alternativ oder ergänzend können zur Detektion eines reversiblen Performanceverlusts die Zellspannungen des Brennstoffzellenstapels gemessen und mit einem Referenzwert, einem Impedanzwert des Brennstoffzellenstapels oder einem Impedanzwert der Brennstoffzellen verglichen werden. Auch diese Werte werden vorab bestimmt und hinterlegt, beispielsweise in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems.Alternatively or additionally, to detect a reversible loss of performance, the cell voltages of the fuel cell stack can be measured and compared with a reference value, an impedance value of the fuel cell stack or an impedance value of the fuel cells. These values are also determined and stored in advance, for example in a control unit of the fuel cell system.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Schritte S1 bis S7 des Verfahrens in regelmäßigen zeitlichen Abständen ausgeführt werden. Das heißt, dass ein Zeitintervall bestimmt wird, das den Eintritt eines reversiblen Performanceverlusts bei ununterbrochenem Betrieb vermuten lässt. Das Zeitintervall kann beispielsweise 20 Minuten betragen, so dass die Recovery-Funktion spätestens alle 20 Minuten angewendet wird.Furthermore, it is suggested that steps S1 to S7 of the method be carried out at regular intervals. This means that a time interval is determined that suggests the occurrence of a reversible loss of performance during uninterrupted operation. The time interval can be, for example, 20 minutes, so that the recovery function is applied at least every 20 minutes.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Unterbrechung der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel mindestens ein kathodenseitig angeordnetes Absperrventil geschlossen wird. In der Regel ist ein erstes Absperrventil am Einlass und ein weiteres Absperrventil am Auslass des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Durch Schließen der Absperrventile kann sichergestellt werden, dass die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel unterbrochen ist.In a further development of the invention, it is proposed that at least one shut-off valve arranged on the cathode side is closed to interrupt the air supply to the fuel cell stack. As a rule, a first shut-off valve is provided at the inlet and a further shut-off valve at the outlet of the fuel cell stack. By closing the shut-off valves it can be ensured that the air supply to the fuel cell stack is interrupted.
Das Schließen der Absperrventile ist optional, da eine ausreichende Reduktion der Oxidschicht, die sich auf den Platin-Partikeln der kathodenseitigen Katalysatorschichten ausgebildet hat, auch ohne abgesperrte Kathode erfolgt, solange die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel unterbrochen ist.Closing the shut-off valves is optional because a sufficient reduction of the oxide layer that has formed on the platinum particles of the cathode-side catalyst layers occurs even without the cathode shut off, as long as the air supply to the fuel cell stack is interrupted.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels während der Anwendung der Recovery-Funktion durch mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapel und/oder eine Batterie kompensiert wird. Die Kompensation der elektrischen Leistung mit Hilfe der elektrischen Leistung mindestens eines weiteren Brennstoffzellenstapels setzt voraus, dass das Brennstoffzellensystem als Multi-Stack-Brennstoffzellensystem ausgeführt ist. Ist dies der Fall, kann durch Leistungsaufteilung die fehlende elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels kompensiert, auf den aktuell die Recovery-Funktion angewendet wird. Ist dies nicht der Fall, kann die fehlende elektrische Leistung über eine Batterie des Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.Furthermore, it is proposed that the electrical power of the fuel cell stack is compensated for by at least one further fuel cell stack and/or a battery during the application of the recovery function. The compensation of the electrical power using the electrical power of at least one additional fuel cell stack requires that the fuel cell system is designed as a multi-stack fuel cell system. If this is the case, the lack of electrical power of the fuel cell stack to which the recovery function is currently applied can be compensated for by power splitting. If this is not the case, the missing electrical power can be provided via a battery in the fuel cell system.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. In dem Steuergerät kann beispielsweise ein Recovery Protokoll hinterlegt sein, nach dessen Maßgabe das Verfahren in regelmäßigen zeitlichen Abständen und/oder bei Detektion eines reversiblen Performanceverlusts durchgeführt wird. Ferner kann mit Hilfe mindestens eines Referenzwerts, der im Steuergerät hinterlegt ist, ein reversibler Performanceverlust detektiert werden.In addition, a control device is proposed which is set up to carry out steps of a method according to the invention. For example, a recovery protocol can be stored in the control device, according to which the method is carried out at regular time intervals and/or when a reversible loss of performance is detected. Furthermore, a reversible loss of performance can be detected with the help of at least one reference value that is stored in the control unit.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung eines bevorzugten Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. This shows a flowchart to illustrate a preferred sequence of the method according to the invention.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Die nachfolgend beschriebenen Schritte S1 bis S7 werden im Betrieb eines Brennstoffzellensystems bei Detektion oder Annahme eines reversiblen Performanceverlusts eines Brennstoffzellenstapels ausgeführt.The steps S1 to S7 described below are carried out during operation of a fuel cell system upon detection or assumption of a reversible performance loss of a fuel cell stack.
Hierzu wird in Schritt S1 eine Recovery-Funktion gestartet, deren Anwendung zur Regeneration des Brennstoffzellenstapels führen soll. Die Funktion wird daher auf den Brennstoffzellenstapel angewendet.For this purpose, a recovery function is started in step S1, the application of which should lead to the regeneration of the fuel cell stack. The function is therefore applied to the fuel cell stack.
Mit der Maßnahme in Schritt S2 wird der unterbrechungsfreie Betrieb des Brennstoffzellensystems während der Anwendung der Recovery-Funktion sichergestellt. Die Maßnahme kann darin bestehen, dass eine Leistungsaufteilung vorgenommen wird, sofern das Brennstoffzellensystem als Multi-Stack-Brennstoffzellensystem ausgeführt ist. Die fehlende elektrische Leistung des zu regenerierenden Brennstoffzellenstapels wird dann durch die elektrische Leistung mindestens eines weiteren Brennstoffzellenstapels ersetzt. Mit Abrampen der Leistung des zu regenerierenden Brennstoffzellenstapels erfolgt dann das Auframpen der Leistung des mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapels. Alternativ oder ergänzend kann die fehlende elektrische Leistung durch eine Batterie des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden.The measure in step S2 ensures uninterrupted operation of the fuel cell system while the recovery function is being used. The measure can consist of a power split being carried out if the fuel cell system is designed as a multi-stack fuel cell system. The missing electrical power of the fuel cell stack to be regenerated is then replaced by the electrical power of at least one further fuel cell stack. When the power of the fuel cell stack to be regenerated is ramped down, the power of the at least one further fuel cell stack is then ramped up. Alternatively or additionally, the missing electrical power can be provided by a battery of the fuel cell system.
In Schritt S3 wird die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel unterbrochen, der regeneriert werden soll. Optional können ergänzend hierzu in einem Schritt S3` kathodenseitig angeordnete Absperrventile geschlossen werden, so dass der zu regenerierende Brennstoffzellenstapel von einem Luftsystem getrennt wird, über das er im Normalbetrieb mit Luft versorgt wird. Anschließend wird in Schritt S4 ein Sauerstoff-Bleed-Down durchgeführt, so dass auf den Platin-Partikeln der kathodenseitigen Katalysatorschichten vorhandene Verunreinigungen entfernt werden. Die Regeneration des Brennstoffzellenstapels ist damit abgeschlossen.In step S3, the air supply to the fuel cell stack that is to be regenerated is interrupted. Optionally, in a step S3`, shut-off valves arranged on the cathode side can be closed so that the fuel cell stack to be regenerated is separated from an air system through which it is supplied with air during normal operation. An oxygen bleed-down is then carried out in step S4, so that impurities present on the platinum particles of the cathode-side catalyst layers are removed. The regeneration of the fuel cell stack is now complete.
In Schritt S5 kann daher die Unterbrechung der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel wieder aufgehoben werden. Sofern kathodenseitig vorhandene Absperrventile geschlossen wurden, werden diese nun wieder geöffnet. Der regenerierte Brennstoffzellenstapel wird wieder in Betrieb genommen, so dass dieser eine elektrische Leistung liefert. In der Folge kann in Schritt S6 die mindestens eine Maßnahme zur Kompensation der elektrischen Leistung beendet werden.In step S5, the interruption of the air supply to the fuel cell stack can therefore be canceled again. If any shut-off valves on the cathode side have been closed, they will now be opened again. The regenerated fuel cell stack is put back into operation so that it delivers electrical power. As a result, the at least one measure for compensating the electrical power can be ended in step S6.
In Schritt S7 wird die Recovery-Funktion beendet.The recovery function is ended in step S7.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified |