AT525865A1 - Verfahren Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Zellenstapel (2) mit zumindest einem Ano- denabschnitt (3) und zumindest einem Kathodenabschnitt (4) aufweist, wobei strom- aufwärts des Anodenabschnitts (3) ein Zuführventil (5) angeordnet ist, aufweisend die Schritte: - variierendes Zuführen eines ersten Fluides zu dem Anodenabschnitt (3) durch das erste Zuführventil (5) mit einem Variationsmuster, wobei dem Fluidstrom das Variationsmuster durch das Zuführventil (5) aufgeprägt wird, - Ermitteln einer anodenspezifischen Spannungsantwort des Zellenstapels (2) während des variierenden Führens des ersten Fluides zum Anodenabschnitt (3), - Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems (1) anhand der anodenspezifischen Spannungsan- twort. Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem sowie die Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems.

Description

Verfahren Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems, das einen Zellenstapel mit zumindest einem Anodenabschnitt und zumindest einem Kathodenabschnitt aufweist, wobei stromaufwärts des

Anodenabschnitts ein Zuführventil angeordnet ist.

Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchfüh-

rung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen PEM-

Brennstoffzellensystems.

PEM-Brennstoffzellensysteme und deren Verwendung in Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter ist es bekannt, dass jedes PEMBrennstoffzellensystem ein Spülventil umfassen soll, um einen Wasserstoffgehalt in einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels kontrollieren und regeln zu können. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems nimmt ein Wasserstoffgehalt üblicherweise kontinuierlich ab, weil Stickstoff und Sauerstoff in den Anodenabschnitt diffundieren. Um einen Wasserstoffgehalt wieder anzuheben und dadurch einen einwandfreien Betrieb des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, ist es bekannt, dass Spülventil für eine gewisse Zeitspanne, insbesondere periodisch zu öffnen, um Ano-

dengas aus dem Anodenabschnitt abzuführen.

Wann und wie lange das Spülventil geöffnet wird, ist folglich insbesondere von einem Wasserstoffgehalt im Anodenabschnitt abhängig. Um diesen bestimmen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zumindest einen Sensor im Anodenabschnitt anzuordnen, sodass der Wasserstoffgehalt unmittelbar gemessen werden kann. Diese Lösung hat den Nachteil, dass entsprechende Sensoren sehr kostenintensiv und zugleich jedoch nicht wirklich zuverlässig sind. Um diesen Nachteil zu überwinden sind aus dem Stand der Technik auch sensorlose Verfahren zur Bestimmung einer Wasserstoffkonzentration bekannt geworden. Beispielsweise wird hierfür ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal verwendet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass dabei eine Kalibration für einen ungünstigsten Fall durchgeführt werden muss, welche alle anderen Einflussfaktoren berücksichtigt. Dies kann zu einem zu hohen Wasserstoffgehalt im Anodenabschnitt führen, was zwar den Brenn-

stoffzellenstapel nicht schädigt, aber ineffizient ist.

Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders effizientes

Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes, insbesondere zur Ermittlung einer

Wasserstoffkonzentration bereitzustellen, welches die oben beschriebenen Nachteile

überwindet.

Weiter ist es ein Ziel, ein PEM-Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur

Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist.

Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems an-

zugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verfahren der eingangs

genannten Art folgende Schritte aufweist:

- varilierendes Zuführen eines ersten Fluides zu dem Anodenabschnitt durch das erste Zuführventil mit einem Variationsmuster, wobei dem Fluidstrom das Varia-

tionsmuster durch das Zuführventil aufgeprägt wird,

- Ermitteln einer anodenspezifischen Spannungsantwort des Zellenstapels wäh-

rend des variierenden Führens des ersten Fluides zum Anodenabschnitt,

- Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems anhand der anodenspezifischen Spannungsant-

wort.

Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte eine Effizienz deutlich erhöht ist und weiter eine Kalibration einer erlaubter Wasserstoffkonzentration erleichtert wird, Insbesondere,

ohne dass hierfür ein physikalischer Wasserstoffsensor notwendig ist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere der Wasserstoff, welcher zum Anodenabschnitt geführt wird, gepulst, wodurch auch dem Anodendruck ein Variationsmuster aufgeprägt wird. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass der so gepulste Anodendruck mit einem Wasserstoffgehalt oder einer Wasserstoffkonzentration korreliert.

Vorteilhaft ist es, wenn das erste Fluid mit einer definierten Frequenz, insbesondere

im Bereich von etwa 5 Hz bis etwa 50 Hz, pulsiert wird. Das erste Fluid ist dabei be-

sonders vorteilhaft Wasserstoff, welcher zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellen-

systems geführt wird. Hierfür arbeitet das Zuführventil, welches insbesondere als In-

jektor oder Ejektor ausgebildet ist, mit einer Frequenz zwischen 5 Hz und 50 Hz, vor-

teilhaft zwischen 10 Hz und 40 Hz, besonders vorteilhaft zwischen 20 Hz und 30 Hz.

Dabei ist es weiter günstig, wenn die Frequenz, mit welcher das erste Fluid geführt wird, während des Verfahrens verändert wird, um ein Signal der Spannungsantwort zu verbessern. Die Frequenz kann dabei einmal, mehrmals, insbesondere beliebig

oft während der Durchführung des Verfahrens verändert werden.

Von Vorteil ist es, wenn ein zweites Fluid zum Kathodenabschnitt geführt wird, wobei ausschließlich dem ersten Fluid ein Variationsmuster aufgeprägt wird. Als zweites Fluid wird insbesondere Luft oder ein sauerstoffhaltiges Fluid verwendet, welchem kein Variationsmuster aufgeprägt wird.

Besonders günstig es, wenn die anodenspezifische Spannungsantwort des Zellenstapels bei der definierten Frequenz des ersten Fluids ermittelt wird. Dies kann auch dann erfolgen, wenn die Frequenz während des Verfahrens einmal oder mehrmals geändert wird. Wichtig ist es, dass die Spannungsantwort immer bei einer vorab definierten Frequenz ermittelt wird, sodass dieser auch immer ein dem gepulsten Ano-

dendruck entsprechend Wasserstoffkonzentration zuordenbar ist.

Zweckmäßig ist es, wenn die Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems anhand einer Amplitude der anodenspezifischen Spannungsantwort ermittelt wird. Die Amplitude der anodenspezifischen Spannungsantwort oder des Potenzials dieser Spannung korreliert mit der Wasserstoffkonzentration. Dadurch kann die Wasserstoffkonzentration noch besser be-

stimmt werden.

Vorteilhaft ist es, wenn durch die anodenspezifische Spannungsantwort der Öffnungszeitpunkt und/oder die Öffnungsdauer eines Spülventils mitbestimmt wird. Da die anodenspezifische Spannungsantwort über die Wasserstoffkonzentration Aufschluss gibt, wird durch diese auch bestimmt, wann und/oder wie oft und/oder wie lange das Spülventil geöffnet wird, um Wasserstoff abzulassen. Unter Öffnungsdauer des Spülventils ist im Rahmen jene Zeit zu verstehen, innerhalb welcher das Spülventil offen ist. Es kann vorgesehen sein, dass das Spülventil mehrmals hintereinan-

der, insbesondere periodisch, geöffnet und geschlossen wird. Dabei kann auch vor-

ist bevorzugt unmittelbar stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet.

Von Vorteil ist es, wenn das Brennstoffzellensystem frei von einem Wasserstoffsensor ist. Es wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ein virtuel-

ler Sensor gebildet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn ein Brennstoffzellenstapelstrom kontinuierlich, sprich ein Strom, welcher vom Brennstoffzellenstapel gezogen wird, mitgeschrieben und/oder aufgezeichnet. Folglich steht eine Stromhistorie zur Verfügung. Aufgrund des aufgezeichneten Stroms über eine vorbestimmte Zeitdauer wird eine Öffnungsdauer des Spülventils eingestellt. Das Spülventil muss geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Anodenabschnitt zu spülen, sodass eine

notwendige Wasserstoffkonzentration im Anodenabschnitt wieder hergestellt wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche aufgezeichnete Daten wie den Strom und/oder eine Spannung weiterverarbeitet und eine Öffnungsdauer und/oder Öffnungsperiode des Spülventils vorgibt. Alternativ oder zusätzlich kann es von Vorteil sein, wenn die Steuereinrichtung das Zuführventil ansteuert bzw. das Variationsmuster, welches dem Anodenfluid aufgeprägt wird, vorgibt.

Im Rahmen der Erfindung kann der Strom direkt durch einen oder mehrere Sensoren gemessen werden. Der Strom kann allerdings auch indirekt durch eine Spannungsund/oder Leistungsmessung festgestellt werden. Zur Zellmessung kann beispielsweise ein CVM-Verfahren verwendet (Cell Voltage Monitoring) werden, wofür bevorzugt jede einzelne Zelle mit einem Sensor zur Ermittlung einer Zellspannung verbun-

den wird. Es kann allerdings auch von Vorteil sein, wenn nicht die Spannung jeder

einzelne Zelle, sondern Zellen paarweise vermessen oder beispielsweise eine Span-

nung 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 und/oder Stromwerte ausgibt.

Das Spülvolumen wird insbesondere vom Brennstoffzellenstapel und/oder vom Brennstoffzellenstapelhersteller selbst vorgegeben. Das vorgegebene Spülvolumen bezeichnet ein Gasvolumen, welches vom Anodenabschnitt über das Spülventil ab-

gelassen werden soll.

Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels von zumindest einem Sensor gemessen wird. Vom Sensor wird dabei insbesondere eine Wasserstofftemperatur des Anodenabschnittes gemessen, wofür zumindest ein Sensor im Anodenabschnitt angeordnet ist. Es kann allerdings auch vorteilhaft sein, wenn eine Kühlmitteltemperatur gemessen wird. Kühlmittel durchströmt bevorzugt das Brennstoffzellensystem und insbesondere auch den Brennstoffzellenstapel, weshalb eine Temperatur des Kühlmittels im Wesentlichen gleich jener des Wasserstoffs ist.

Dabei kann es weiter auch günstig, wenn die Öffnungsdauer des Spülventils durch die gemessene Temperatur mitbestimmt wird, wobei insbesondere die Temperatur vorab mit einem vorbestimmten Faktor multipliziert wird. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein Hinweis darauf, wieviel Wasser sich im Brennstoffzellenstapel befindet. Je höher die Temperatur ist, d. h. je mehr Wasser im Brennstoffzellenstapel ist, desto öfter muss gespült oder ein Spülvolumen erhöht

werden.

Es kann auch von Vorteil sein, wenn ein Anodendruck durch zumindest einem Sensor bestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch den Anodendruck mitbestimmt wird, da der Anodendruck wie oben beschrieben mit dem Wasserstoffgehalt korreliert. Zur Bestimmung des Anodendrucks ist insbesondere im Anodenabschnitt, bevorzugt in einer Anodenzuführleitung, ein Sensor angeordnet. Der Anodendruck wird bevorzugt direkt mit einem Drucksensor gemessen oder indirekt über beispielsweise eine Messung eines Massenstroms bestimmt. Es wurde festgestellt, dass ein Anodendruck Einfluss auf das Öffnen des Spülventils hat: Je höher der

Anodendruck ist, desto kürzer kann die Öffnungsdauer des Spülventils sein, da in der

gleichen Zeit mehr Volumen durch den Anodenabschnitt gefördert wird. Der gemes-

sene Anodendruck wird bevorzugt auch im zweidimensionalen Kennfeld gespeichert,

welches in weiterer Folge für die Regelung des Spülventils verwendet.

Zweckmäßig ist es, wenn eine an eine Umgebung abgebbare Menge an Wasserstoff vorbestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch die Menge an Wasserstoff mitbestimmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass eine Menge an Wasserstoff, welche an eine Umgebung insbesondere von einem BrennstoffzellenKraftfahrzeug abgegeben werden darf, durch Gesetze geregelt wird. Diese vorgegebene Menge wird insbesondere in einem weiteren Kennfeld gespeichert, wobei dieses weitere Kennfeld ein vom zweidimensionalen, oben beschriebenen, Kennfeld verschieden ist. Daten aus dem weiteren Kennfeld und dem zweidimensionalen Kennfeld werden in weiterer Folge bevorzugt zusammengeführt und dadurch wird

eine Öffnungsdauer des Spülventils bestimmt.

Das weitere Ziel wird erreicht, wenn das PEM-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zumindest einen Zellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt, eine Steuereinrichtung, ein stromaufwärts des Anodenabschnitts angeordnetes Zuführventil und ein Spülventil umfasst, wobei das Spülventil an einem

Anodenausgang angeordnet ist.

Damit ergeben sich die gleichen Vorteile, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich beschrieben worden sind. Alle diesbezüglichen Merkmale, Vorteile und Wirkungen gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzellensystem. Das erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit 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 das Spülventil, ein sogenanntes Purgeventil, an die Umgebung und/oder in den Kathodenabführabschnitt kann auch eine Rezirkulation

des Anodenabgases über eine passive Rezirkulationsvorrichtung, beispielsweise In

Form einer Ejektorvorrichtung, erfolgen. Der Wasserabscheider kann auch im Rezir-

kulationsabschnitt oder im Anodenzuführabschnitt stromabwärts der der Ejektorvor-

richtung angeordnet sein. Weiter ist vorteilhaft ein Kompressor zur Förderung von

Kathodengas (Luft) vorgesehen.

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. Das PEMBrennstoffzellensystem kann vorteilhaft auch in einem Flugzeug, einem Schiff

und/oder im Schienenverkehr verwendet werden.

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:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys-

tems; Fig. 2 Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 1 zeigt eine schematisch Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1, welches als PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Zellenstapel 2 mit einem Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4. Zum Anodenabschnitt 3 wird ein Fluidstrom von einer Brennstoffquelle 8 in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert. Als Fluid wird hier insbesondere Wasserstoff verwendet, weshalb die Brennstoffquelle 8 beispielsweise als Wasserstofftank ausgebildet ist. Stromaufwärts des Anodenabschnittes 3 ist ein Zuführventil 5, welches als Injektor ausgebildet ist, vorgesehen, durch welches dem

Fluidstrom ein Variationsmuster aufgeprägt wird.

Es ist eine weitere Fluidquelle 9 vorgesehen, von welcher ein zweites Fluid, insbesondere Luft, zum Kathodenabschnitt 4 geführt wird. Dem zweiten Fluid wird im Gegensatz zum ersten Fluid kein Variationsmuster aufgeprägt.

Stromabwärts des Anodenabschnittes 3 ist ein Spülventil 6 vorgesehen, wobei eine vom aufgeprägten Variationsmuster abhängige anodenspezifische Spannungsant-

wort einen Öffnungszeitpunkt und eine Öffnungsdauer des Spülventils 6 bestimmt.

vorgibt.

Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem 1 auch noch andere in der Fig. 1 nicht dargestellte Elemente umfassen. Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig 1 ist

frei von einem physischen Wasserstoffsensor.

Fig. 2 zeigt Messwerte von Spannungsamplitude, Injektorfrequenz und Strom. Es ist ersichtlich, dass die gemessene Spannungsamplitude eine Eingangsgröße ist, um eine Wasserstoffkonzentration als Ausgabewert auszugeben. Dadurch ist ein virtuel-

ler Wasserstoffsensor geschaffen.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Zellenstapel (2) mit zumindest einem Anodenabschnitt (3) und zumindest einem Kathodenabschnitt (4) aufweist, wobei stromaufwärts des Anoden-

abschnitts (3) ein Zuführventil (5) angeordnet ist, aufweisend die Schritte:

- varlierendes Zuführen eines ersten Fluides zu dem Anodenabschnitt (3) durch das erste Zuführventil (5) mit einem Variationsmuster, wobei dem Fluidstrom das Variationsmuster durch das Zuführventil (5) aufgeprägt wird,

- Ermitteln einer anodenspezifischen Spannungsantwort des Zellenstapels (2)

während des varilierenden Führens des ersten Fluides zum Anodenabschnitt (3),

- Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems (1) anhand der anodenspezifischen Spannungsan-

twort.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid mit einer definierten Frequenz, insbesondere im Bereich von etwa 5 Hz bis etwa 50 Hz,

pulsiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz, mit welcher das erste Fluid geführt wird, während des Verfahrens verändert wird, um ein

Signal der Spannungsantwort zu verbessern.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Fluid zum Kathodenabschnitt (4) geführt wird, wobei ausschließlich dem ersten Fluid ein Variationsmuster aufgeprägt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenspezifische Spannungsantwort des Zellenstapels (2) bei der definierten

Frequenz des ersten Fluids ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt (3) des Brennstoffzellensystems (1) anhand einer Amplitude der anodenspezifischen Spannungs-

antwort ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

durch die anodenspezifische Spannungsantwort der Öffnungszeitpunkt und/oder die

Öffnungsdauer eines Spülventils (6) mitbestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass

das Brennstoffzellensystem (1) frei von einem Wasserstoffsensor ist.

9. PEM-Brennstoffzellensystem (1), welches zur Durchführung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das PEM-Brennstoffzellensystem (1) zumindest einen Zellenstapel (2), einen Anodenabschnitt (3) und einen Kathodenabschnitt (4), eine Steuereinrichtung (7), ein stromaufwärts des Anodenabschnitts (3) angeordnetes Zuführventil (5) und ein Spül-

ventil (6) umfasst, wobei das Spülventil (6) an einem Anodenausgang angeordnet ist.

10. Verwendung eines PEM-Brennstoffzellensystems (1) nach Anspruch 9 in ei-

nem Kraftfahrzeug.