DE102008024227A1

DE102008024227A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102008024227A1
Application number: DE102008024227A
Authority: DE
Inventors: Cosimo S. Dipl.-Ing. Mazzotta
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-12-03
Also published as: WO2009141054A3; WO2009141054A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, die eine Brenngaszuleitung und eine -abgasleitung aufweist. In der Brenngaszuleitung und/oder der Brenngasableitung sind Sensoren zur Bestimmung des Brenngaspartialdrucks angebracht, die eine Beobachtung des Betriebszustandes der Brennstoffzelle anhand der zu- und/oder abströmenden Brenngasmengen ermöglichen. Die so gewonnenen Daten können von einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Brenngaszufuhr sowie der Brenngasrezirkulationsrate genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen dieses Verfahrens.
In Brennstoffzellensystemen wird zumindest einer Brennstoffzelle ein zumeist gasförmiger Brennstoff, z. B. Wasserstoff, sowie ein Oxidationsmittel zugeführt, wobei der Brennstoff in der Brennstoffzelle auf elektrochemischem Wege oxidiert wird. Die dabei freigesetzte chemische Energie wird von der Brennstoffzelle als nutzbare elektrische Energie zur Verfügung gestellt.
Insbesondere im Falle von Wasserstoffbrennstoffzellen wird bei diesem Prozess als Abgas lediglich Wasser frei. Dadurch stellen solche Systeme einen besonders umweltfreundlichen Weg zur Gewinnung elektrischer Energie dar.
Das dem Anodenraum einer solchen Brennstoffzelle zugeführte Brenngas wird jedoch in der Regel beim Betrieb dieser Zelle nicht vollständig oxidiert. Um eine optimale Brennstoffausnutzung zu erzielen, sind daher gängigen Systemen Rezirkulationseinrichtungen zur Verfügung gestellt, die unverbranntes, aus der Zelle abströmendes Brenngas wieder in die Brenngaszuleitung der Zelle zurückführen.
Gerade in der Kraftfahrzeugtechnik werden besonders häufig Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschermembran verwendet. Bei solchen Zellen muss weiterhin eine hinreichende Befeuchtung der Protonentauschermembran gewährleistet sein, um einen optimalen Protonentransport zwischen Anoden- und Kathodenraum zu gewährleisten.
Wesentliche Betriebsparameter solcher Brennstoffzellensysteme sind also zum einen die Rezirkulationsrate von unverbrauchtem Brenngas sowie zum anderen der Feuchtigkeitsgehalt der zu- und abströmenden Gase.
Um diese Parameter für jeden Betriebszustand der Brennstoffzelle optimal einstellen zu können, ist eine genaue Kenntnis des aktuellen Betriebszustandes nötig. Bislang war eine Beobachtung des Betriebszustandes nur indirekt über die Beobachtung der Zellspannung möglich, wobei eine Senkung der Zellspannung als Indikator für suboptimalen Betrieb des Brennstoffzellensystems gewertet wurde.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bestehenden Möglichkeiten zur Beobachtung des Betriebszustandes einer Brennstoffzelle zu erweitern und dadurch eine effizientere Steuerung der Betriebsparameter einer Brennstoffzelle zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird dabei der Partialdruck des Brenngases in einer zur Brennstoffzelle führenden Brenngaszuleitung, und/oder der Partialdruck des Brenngases in einer Abgasableitung der Brennstoffzelle mittels jeweils eines Brenngassensors gemessen. Damit wird vorteilhaft ein weiterer Parameter zur Beobachtung des Betriebszustandes der Brennstoffzelle erschlossen. Im Gegensatz zur Beobachtung der Zellspannung ermöglicht eine Messung der Reaktanden der Zellreaktion eine direktere Beobachtung des Zustandes der Zelle und ihres Stoffumsatzes.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird weiterhin die Flussrate des Gases in der jeweiligen Leitung bestimmt, so dass aus der Kombination von Gasfluss und Brenngaspartialdruck die jeweils zu- oder abströmende Brenngasmenge ermittelt werden kann. Dies kann Informationen über die aktuelle Stöchiometrie der Zellreaktion liefern. Beispielsweise kann so festgestellt werden, ob Brenngas und Oxidationsgas im richtigen, der Zellreaktion entsprechenden Mengenverhältnis zugeführt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird weiterhin aus der Differenz der zu- und abströmenden Brenngasmenge der tatsächliche Brenngasverbrauch der Brennstoffzelle bestimmt. Aus diesen Verbrauchswerten können weitere Informationen über den Betriebszustand der Brennstoffzelle gewonnen werden. So kann zum Beispiel aus dem Verhältnis von abgegebener elektrischer Energie und verbrauchtem Gas der Wirkungsgrad der Zelle bestimmt werden. Diskrepanzen zwischen Verbrauch und Energieabgabe lassen auch Rückschlüsse auf Gasverluste im System zu.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der so bestimmte Brenngasverbrauch der Brennstoffzelle als Eingangsgröße für eine Steuereinheit verwendet, welche zur Steuerung der Brenngaszufuhr sowie zur Steuerung der Brenngasrückführung zur Brennstoffzelle verwendet wird. So kann insbesondere eine Brenngasunterversorgung des Brennstoffzellensystems erkannt werden, und die Steuereinheit kann die nötigen Gegenmaßnahmen, wie z. B. Erhöhung der Menge des zugeführten Brenngases oder Erhöhung der Brenngasrückführungsrate einleiten.
In weiteren Ausführungsformen können dieser Steuereinheit noch weitere Betriebsparameter der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden, insbesondere die Temperatur des aus der Brennstoffzelle abströmenden Abgases sowie der Wassergehalt dieses Abgases. Dies ermöglicht eine noch feinere Steuerung und gezielte Optimierung des Betriebes der Brennstoffzelle.
In einer weiteren Ausführungsform wird, wenn nach einem vorbestimmten Kriterium ein vorbestimmter Grenzwert für den Brenngasverbrauch bzw. für die Temperatur oder für die Feuchtigkeit des Gases in der Abgasleitung der Brennstoffzelle überschritten bzw. unterschritten wird, eine Fehlfunktionswarnung generiert. Dadurch kann der Betreiber des Brennstoffzellensystems auf kritische Fehlfunktionen bzw. auf Betriebszustände, in denen die Gefahr einer Beschädigung des Brennstoffzellensystems besteht, hingewiesen werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Werte der gemessenen Betriebsparameter wie Brennstoffpartialdruck, die Menge an zu- oder abgeführtem Gas sowie Temperatur oder Feuchtigkeit des abgeführten Gases in der Abgasleitung in einer Speichereinrichtung gespeichert. Dies ermöglicht eine spätere diagnostische Analyse des Betriebszustandes der Brennstoffzelle und somit eine Auswertung über einen längeren Zeitraum hinweg. Weiterhin können über einen längeren Zeitraum hinweg beispielsweise Verbrauchsdaten des Brennstoffzellensystems aufgezeichnet werden, so dass sie dem Betreiber des Brennstoffzellensystems später zur Verfügung stehen.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem nach Patentanspruch 12. Dieses Brennstoffzellensystem besteht aus zumindest einer Brennstoffzelle mit einer Brenngaszuleitung und einer Abgasableitung und weist zumindest einen Brenngassensor in einer dieser Leitungen auf.
In einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist dabei ein Brenngassensor in der Brenngaszuleitung in Strömungsrichtung hinter der Brenngasrückführungsstelle angeordnet. Als Brenngasrückführungsstelle wird hierbei die Stelle bezeichnet, an der unverbranntes Brenngas durch eine Brenngasrückführeinrichtung aus der Abgasableitung in die Brenngaszuleitung zurückgeleitet wird. Durch eine solche Anordnung eines Brenngassensors wird also der Brenngaspartialdruck an einer Stelle der Brenngaszuleitung ermittelt, an welcher er dem Brenngaspartialdruck des in den Anodenraum einströmenden Gases entspricht. Die Messwerte des Sensors können unmittelbar als Maßangabe für die der Brennstoffzelle zugeführte Brenngasmenge dienen.
In einer Ausführungsform kann einer weiterer Brenngassensor in der Brenngaszuleitung angeordnet sein, wobei dieser weitere Brenngassensor den Brenngaspartialdruck vor der Brenngasrückführungsstelle misst. Aus der Differenz der Messwerte der Brenngassensoren vor und nach der Brenngasrückführungsstelle kann somit die genaue Menge des durch das Brenngasrückführungssystem rückgeführten Brenngases bestimmt werden. Die Sensoren können somit zur direkten Bestimmung der Effizienz des Brenngasrezirkulationssystems benutzt werden.
Durch die Anordnung eines weiteren Brenngassensors in der Abgasableitung kann schließlich zusätzlich zur zugeführten Brenngasmenge sowie zur rezirkulierten Brenngasmenge die Menge des unverbrannt aus der Brennstoffzelle abströmenden Brenngases bestimmt werden. Auf Grundlage dieser Messwerte ist es schließlich möglich, den tatsächlichen Brenngasverbrauch des Brennstoffzellensystems zu ermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist eine Auswerteeinheit zum Erfassen der Daten der Brenngassensoren bereitgestellt. Die Auswerteeinheit kann vorteilhafterweise sowohl zur Diagnostik und Beobachtung des Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems als auch zur Steuerung weiterer Aktuatoren im System ausgelegt sein.
So ist in einer weiteren Ausführungsform ein steuerbares Ventil in der Brenngaszuleitung vorgesehen, welches durch die Auswerteeinheit steuerbar ist. Dadurch kann auf Basis der von den Brenngassensoren erhobenen Daten die Brenngaszuführung im Brennstoffzellensystem optimiert geregelt werden.
Bevorzugt ist die Brenngasrückführungseinrichtung durch die Auswerteeinheit steuerbar ausgelegt. Dies ermöglicht eine Optimierung der Brenngasrezirkulation auf der Grundlage der von den Brenngassensoren erhobenen Daten.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die Figur in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem veranschaulicht.
Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Brennstoffzellensystem besteht aus zumindest einer Brennstoffzelle 12 mit einem Anodenraum 14 und einem Kathodenraum 16, wobei die beiden Räume durch eine Membran 18 voneinander abgetrennt sind. Das Brenngas wird aus einem Tank 20 über eine Brenngaszuleitung 22 der Brennstoffzelle zugeführt, wobei in der Zuleitung 22 ein steuerbares Ventil 24 zum Steuern des Brenngasflusses zwischen Tank und Brennstoffzelle bereitgestellt ist. Durch eine weitere Leitung 26 strömt Gas, das zumindest teilweise aus nicht verbranntem Brenngas besteht, aus der Brennstoffzelle ab, wobei dieses abströmende Gas zumindest teilweise von einer steuerbaren Rückführungseinrichtung 28 wieder in die Zuleitung 22 befördert wird.
In einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sind in der Zuleitung 22 sowie in der Ableitung 26 Brenngassensoren 30, 30' angebracht, die den Partialdruck des Brenngases sowie den Gasfluss in der jeweiligen Leitung bestimmen und an eine Steuereinheit 32 übermitteln. Die Steuereinheit 32 kann nun aufgrund der von den Sensoren 30, 30' aufgenommenen Daten den Öffnungszustand des Ventils 24 sowie die Aktivität der Rückführeinrichtung 28 steuern.
So kann beispielsweise bei einer festgestellten Brenngasunterversorgung der Brennstoffzelle das Ventil 24 durch die Steuereinheit 32 weiter geöffnet werden, so dass dem Brennstoffzellensystem eine höhere Menge Brenngas zur Verfügung gestellt wird.
Weiterhin kann die Steuereinheit 32 im Falle eines überhöhten Brenngasverlustes durch die Abgasableitung 26 sowohl das steuerbare Ventil 24 weiter schließen, um der Brennstoffzelle eine geringere Menge Brenngas zur Verfügung zu stellen, da offensichtlich die Brenngaszufuhr überhöht war. Weiterhin ist es in diesem Fall der Steuereinrichtung 32 möglich, die Aktivität des Brenngasrückführungssystems 28 zu erhöhen, um Verluste von Brenngas über die Ableitung 26 und damit an die Umgebungsluft zu verhindern. Durch eine so erhaltene optimale Rezirkulation wird die Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems insgesamt gesteigert.
Zur diagnostischen Zwecken übermittelt die Steuereinrichtung 32 sowohl die Messdaten der Sensoren 30, 30' als auch die Betriebszustände der Rückführeinrichtung 28 und des steuerbaren Ventils 24 an eine Speichereinrichtung 34. Im Rahmen einer Wartung eines solchen Brennstoffzellensystems können diese Daten aus der Speichereinrichtung 34 wieder ausgelesen und über einen längeren Zeitraum hinweg analysiert werden.
Weiterhin ist eine geeignete Signalvorrichtung 36 vorgesehen, die bei Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes für einen der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems von der Steuereinrichtung 32 aktiviert wird, und so den Betreiber des Brennstoffzellensystems vor einer Fehlfunktion des Systems warnt.

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzelle
14: Anodenraum
16: Kathodenraum
18: Membran
20: Brenngastank
22: Brenngaszuleitung
24: steuerbares Ventil
26: Brenngasableitung
28: Rückführeinrichtung
30, 30': Brenngassensor
32: Steuereinrichtung
34: Speichereinrichtung
36: Warneinrichtung

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (12), die über zumindest einen Anodenraum (14) verfügt, dem über eine Brenngaszuleitung (22) eine regelbare Menge an Brenngas zugeführt wird und aus dem über eine Abgasleitung (26) Abgase abgeführt werden, wobei eine steuerbare Rückführeinrichtung (28) bereitgestellt ist, die unverbrauchtes Brenngas aus der Abgasableitung (26) in die Brenngaszuleitung (22) zurückführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngaspartialdruck in der Brenngaszuleitung (22) und/oder in der Abgasableitung (26) mittels jeweils eines Brenngassensors (30, 30') gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasfluss in der Brenngaszuleitung (22) und/oder in der Abgasleitung (26) mittels jeweils eines Gasflusssensors gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Gasfluss und dem Brenngaspartialdruck in der Brenngaszuleitung (22) und/oder der Abgasableitung (26) die der Brennstoffzelle zugeführte und/oder die aus der Brennstoffzelle abgeführte Brenngasmenge ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngasverbrauch der Brennstoffzelle (12) durch Bestimmen der Differenz der Menge des dem Anodenraum (14) zugeführten Brenngases und der Menge des aus dem Anodenraum (14) abgeführten Brenngases ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngasverbrauch der Brennstoffzelle (12) als Eingangsgröße zum Steuern der Brenngaszufuhr in den Anodenraum (14) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngasverbrauch als Eingangsgröße zum Steuern der Brenngasrezirkulation verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases in der Abgasableitung (26) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt des Abgases in der Abgasableitung (26) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem vorbestimmten Kriterium entweder bei Über- oder Unterschreitung eines Grenzwertes für den Brenngasverbrauch, die Temperatur oder die Feuchtigkeit des Abgases in der Abgasableitung (26) eine Fehlfunktionswarnung generiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der gemessenen Betriebsparameter Brenngaspartialdruck und/oder Temperatur oder Feuchtigkeit des Abgases in der Abgasableitung (26) der Brennstoffzelle (12) in einer Speichereinrichtung (34) gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Werte aus der Speichereinrichtung (34) zu diagnostischen Zwecken ausgelesen werden.
Brennstoffzellensystem (10) mit zumindest einer Brennstoffzelle (12) an der eine Brenngaszuleitung (22) und eine Abgasableitung (26) bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenngassensor (30, 30') in der Brenngaszuleitung (22) und/oder Abgasableitung (26) bereitgestellt ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführeinrichtung (28) zur Rückführung unverbrannten Brenngases aus der Abgasableitung (26) in die Brenngaszuleitung (22) zur Verfügung gestellt ist, wobei zumindest ein Brenngassensor (30, 30') in der Brenngaszuleitung (22) vor und/oder hinter der Brenngasrückführungsstelle angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (32) zum Erfassen der Daten der Brenngassensoren (30, 30') bereitgestellt ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein Ventil (24) in der Brenngaszuleitung (22), das durch die Auswerteeinheit (32) steuerbar ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 14 oder 15 in deren Rückbezug auf Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführeinrichtung (28) durch die Auswerteeinheit (32) steuerbar ist.