Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie und ein Betriebsverfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte PEM-Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.

PEM-Brennstoffzellen werden in der Regel mit geschlossenem Anodenkreis gebaut, die eine Rezirkulation des ausströmenden Gases ermöglichen.

Dadurch kann trotz überstöchiometrischem Betrieb der Anode, wie es bspw. zur Vermeidung lokaler Reaktandenunterversorgung vorgesehen ist, eine optimale Nutzung des zugeführten Wasserstoffs eingestellt werden.

Außerdem kann von der Kathodenseite zur Anode diffundierendes Wasser dampfförmig rezirkuliert werden, um eine ausreichende Befeuchtung der Membran am

Anodeneintritt zu gewährleisten.

Sowohl im Betrieb als auch im abgestellten Zustand diffundiert Stickstoff durch die Membran von der Kathodenseite zur Anodenseite. Dadurch kommt es zu einer Stickstoffanreicherung im Anodenkreis, wodurch die erforderliche Rezirkulationsleistung ansteigt. Gleichzeitig sinken der Wasserstoffpartialdruck und damit der lokale maximale Diffusionsstrom von Wasserstoff durch die GDL. Dadurch kann es lokal zu

Wasserstoffarmut kommen, was eine irreversible Schädigung der Katalysatorschicht zur Folge hat.

Ein Stickstoffübertritt ist schwer abzuschätzen, da er stark vom Betriebspunkt und Alterungszustand der Membran abhängt.

Eine übermäßige Anreicherung wird durch einen „Purge“, das heißt das Abführen von Anodengas durch ein entsprechendes Spülventil, d.h. ein sogenanntes „Purgeventil“ vermieden. Stickstoffhaltiges Gas wird so aus dem Anodenkreis entfernt und frischer Wasserstoff zudosiert, wodurch der relative Stoffmengenanteil des Stickstoffs sinkt.

Auch beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems anfallendes Flüssigwasser kann über ein Ablassventil, d.h. ein sogenannten „Drain-Ventil“ oder gemeinsam mit dem Gasgemisch durch ein gemeinsames Purge/Drain-Ventil entfernt werden.

Typischerweise werden die Spül- und Abgasventile aus Kostengründen als Schaltventil ausgeführt, die periodisch geöffnet und geschlossen werden.

Zur Optimierung der Spül-Strategie, d.h. dem betriebspunktabhängigen Öffnen und Schließen des Spülventils, ist eine Messung oder Berechnung der aktuellen Gaszusammensetzung im Anodenkreis erforderlich. Nur so kann eine Minimierung der erforderlichen Rezirkulationsleistung, Einhaltung des Mindestpartialdrucks des Wasserstoffs und Vermeidung übermäßigen Wasserstoffverlusts, also eine

Maximierung des Systemwirkungsgrads, erreicht werden.

Grundsätzlich ist die direkte Messung der Gaszusammensetzung über eine entsprechende Sensorik möglich. Dazu erforderliche Sensoren sind jedoch teuer und beanspruchen großen Bauraum.

Offenbarung der Erfindung Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes und kraftstoffeffizientes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt.

Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der ein Kathodensubsystem und ein Anodensubsystem umfasst, einen in dem Anodensubsystem angeordneten Drucksensor, ein Spülventil zum Spülen des Anodensubsystems und eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, mittels durch den Drucksensor ermittelter Messwerte auf eine Zusammensetzung eines durch das Anodensubsystem strömenden Gases zu schließen und das Spülventil in Abhängigkeit der Stoffmengenanteile anzusteuern.

Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.

Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass anhand eines Druckverlaufs im Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems auf eine Zusammensetzung eines in dem Anodensubsystem strömenden Gases geschlossen wird. Bei einer bekannten Zusammensetzung eines in dem Anodensubsystem strömenden Gases kann das Spülventil des Brennstoffzellensystems optimiert, d.h. ggf. verkürzt, angesteuert, d.h. geöffnet, werden, sodass ein besonders kraftstoffeffizienter Betrieb des Brennstoffzellensystems erfolgt.

Vereinfacht kann das Anodensubsystem im Moment eines Spülvorgangs als Druckvolumen betrachtet werden, aus dem ein Gasgemisch durch das Spülventil abgeführt wird. Dabei stellt sich typischerweise zunächst eine kritische Durchströmung des Ventils am engsten Querschnitt (Fläche A) ein. Der resultierende

Massenstrom m durch das Spülventil berechnet sich in guter Näherung zu Gleichung (1). m = A /2pP 'i> (1)

In Gleichung (1) bezeichnen p und p die Dichte bzw. den Gesamtdruck des Gasgemisches im Anodenkreis. bezeichnet die Ausflussfunktion und ist im Falle einer kritischen Strömung konstant.

Unter Annahme eines idealen Gasgemisches berechnet sich die Masse m des Gasgemisches im Anodenkreis durch Gleichung (2) m = pV/RT (2)

In Gleichung (2) bezeichnet V das Volumen des Anodenkreises, T die Temperatur im Anodenkreis und R die spezifische Gaskonstante des Gasgemisches. Die spezifische Gaskonstante und damit die Dichte sind stark von der Zusammensetzung des Gases abhängig. Mit Hilfe der Massenerhaltung gemäß Gleichung (3) m(t) = m ₀ - _o mdt (3) kann nun der Druckverlauf im Anodenkreis während des Spülens bzw. „Purgens“ anhand einer Differentialgleichung (4) bestimmt werden: Der Zustand 0 kennzeichnet dabei die Zustandsgrößen zum Zeitpunkt vor Beginn des Spülvorgangs. Die Temperatur- und Dichteentwicklung im Anodenkreis kann als adiabate Expansion gemäß Gleichungen (5) und (6) betrachtet werden.

⁷ '® = ⁷ '» fe)_ < ⁵ >

Der Wasserdampfanteil wurde in der obigen Betrachtung vernachlässigt. In üblichen

Betriebspunkten stellt sich am Anodenaustritt eine vollständige Sättigung der Gasphase ein. Damit ist der Wasserpartialdruck in der Gasphase bei gemessener Temperatur bekannt.

Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Ansteuerungsdauer, für die das Spülventil anzusteuern ist, gegenüber einem vorgegebenen Standardansteuerungswert zu erhöhen oder eine Schließdauer, für die das Spülventil zu schließen ist, gegenüber einem vorgegebenen Standardschließwert zu verkürzen, wenn ein Stoffmengenanteil in dem Gas über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Um einen hohen Stoffmengenanteil von Stickstoff in dem Anodensubsystem zu reduzieren, kann das Spülventil länger und/oder öfter angesteuert, d.h. geöffnet werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Ansteuerungsdauer, für die das Spülventil anzusteuern ist, gegenüber einem vorgegebenen Standardansteuerungswert zu verringern oder eine Schließdauer, für die das Spülventil zu schließen ist, zu erhöhen, wenn ein Stoffmengenanteil von Wasserstoff in dem Gas über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Um ein Ausleiten von Wasserstoff durch einen Spülvorgang zu minimieren bzw. zu verhindern, kann eine Ansteuerungsdauer, für die das Spülventil anzusteuern ist, gegenüber einem vorgegebenen Standardansteuerungswert verringert oder eine Schließdauer, für die das Spülventil zu schließen ist, erhöht werden, wenn der Stoffmengenanteil von Wasserstoff über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, durch den Drucksensor ermittelte Messwerte einem jeweiligen Verlauf einer vorgegebenen Vielzahl an Verläufen für unterschiedliche Zusammensetzungen von Gasen zuzuordnen.

Durch Verwendung einer Vielzahl vorgegebener Verläufe von Drücken im Anodensubsystem über die Zeit, die jeweils einer spezifischen Gaszusammensetzung zugeordnet sind, kann jeweiligen ermittelten Messwerten ein entsprechender Verlauf zugeordnet werden, indem bspw. derjenige Verlauf ausgewählt wird dessen Wert bzw. Werte einem jeweiligen Messwert bzw. Messwerten von allen Verläufen am nächsten kommt bzw. kommen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Menge an in das Anodensubsystem einströmendem Wasserstoff anhand einer Stellung eines Wasserstoffdosierventils, einer Druckdifferenz zwischen einer Position vor dem Wasserstoffdosierventil zu einer Position nach dem Wasserstoffdosierventil und einem Querschnitt, durch den der einströmende Wasserstoff strömt, zu berechnen.

Typischerweise wird die Stellung des Wasserstoffdosierventils bzw. HGI (Hydrogen Gas Injector), das einen Zufluss frischen Wasserstoffs in das Anodensubsystem reguliert, zur Druckregelung im Anodensubsystem verwendet. Dadurch können potenziell mechanisch schädigende Druckdifferenzen über die Membran vermieden werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist, die Menge an in das Anodensubsystem einströmendem Wasserstoff in Abhängigkeit eines Stoffmengenanteils von Stickstoff in einem durch das Anodensubsystem strömenden Gas einzustellen. Im Falle einer hohen Stickstoffkonzentration muss eine geringere Menge Wasserstoff zugeführt werden, um ein vorgegebenes, nicht schädliches Druckniveau zu halten bzw. umgekehrt bei geringer Stickstoffkonzentration. Das vorgestellte Brennstoffzellensystem ermittelt einen Wasserstoffmassenstrom durch das Wasserstoffdosierventil anhand der Druckdifferenz über das Wasserstoffdosierventil und einem durchströmten Querschnitt in Abhängigkeit einer Ventilposition des Wasserstoffdosierventils. Die Ventilgeometrie und das Stoffverhalten reinen Wasserstoffs werden dabei als bekannt vorausgesetzt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Ablassventil zum Ablassen von Wasser aus dem Brennstoffzellensystem und ein Wasserstoffdosierventil umfasst, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, anhand eines zeitlichen Verlaufs einer Öffnung des Wasserstoffdosierventils während einer Ansteuerung des Ablassventils eine in dem Anodensubsystem befindliche Menge Flüssigwasser zu bestimmen.

In einem Brennstoffzellensystem mit einem Ablassventil, insbesondere mit einem kombiniertem Spül-/Ablassventil, d.h. einem sogenannten „Purge/Drain-Ventil“ wird unmittelbar nach Öffnen des Ventils mehrheitlich Flüssigwasser, bzw. ein zweiphasiges Gasgemisch abgeführt. Durch die zunächst höhere Dichte ändert sich ein Druck in dem Anodensubsystem dabei nicht linear, sodass es zu einer Verzögerung oder sogar zu einer Richtungsumkehr im Druckverlauf kommen kann, wenn zunächst reines

Wasser durch das Ablassventil strömt. Erst wenn das Flüssigwasser ausgeströmt ist und die Gasphase in dem Anodensubsystem bzw. dem Ablassventil dominiert, kann ein voranstehend beschriebener Druckverlauf ermittelt und einem vorgegebenen Verlauf zugeordnet werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Spülventil und/oder das Ablassventil in Abhängigkeit der bestimmten Menge an Flüssigwasser anzusteuern.

Um eine vorgegebene Flüssigwassermenge in dem Brennstoffzellensystem einzustellen, kann das Spülventil und/oder das Ablassventil so lange bzw. so oft aktiviert werden, bis die bestimmte Flüssigwassermenge der vorgegebenen Flüssigwassermenge entspricht.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, einen Verlauf der bestimmten Menge an Flüssigwasser über die Zeit auszuwerten und für den Fall, dass die bestimmte Menge an Flüssigwasser über die Zeit um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert abnimmt, eine Fehlermeldung auszugeben, die eine Meldung umfasst, gemäß derer Wassertransporteigenschaften des Brennstoffzellensystems gestört sind und/oder Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der bestimmten Menge an Flüssigwasser einzustellen.

Die Bestimmung der Flüssigwassermenge kann genutzt werden, um die Dauer eines Spülvorgangs oder eine Frequenz von Spülvorgängen einzustellen und/oder einen Wassertransport durch die Membran des Brennstoffzellensystems zu analysieren. Bei veränderlichen Wassertransporteigenschaften über die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems kann bspw. eine übermäßige Verschlechterung des Wassertransports beobachtet und Gegenmaßnahmen ergriffen werden. So können bspw. Betriebsparameter, insbesondere Druck und Stöchiometrie im Kathodensubsystem an die neuen Wassertransporteigenschaften angepasst werden oder im Extremfall eine Fehlermeldung ausgegeben und ein Austausch des Brennstoffzellenstapels vorgenommen werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.

Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Bestimmen einer Zusammensetzung eines durch ein Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems strömenden Gases mittels durch einen Drucksensor in dem Anodensubsystem ermittelter Messwerte, und das Ansteuern eines Spülventils des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der bestimmten Zusammensetzung. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,

Figur 2 eine Darstellung möglicher Druckverläufe für verschiedene Gaszusammensetzungen im Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems,

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens,

Figur 4 eine Detaildarstellung eines möglichen Aspekts des vorgestellten Betriebsverfahrens.

In Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101, der ein Kathodensubsystem 103 und ein Anodensubsystem 105 umfasst, einen in dem Anodensubsystem 105 angeordneten Drucksensor 107, ein Spülventil 109 zum Spülen des Anodensubsystems 105 und eine Recheneinheit 111.

Die Recheneinheit 111 ist dazu konfiguriert, mittels durch den Drucksensor 107 ermittelter Messwerte auf eine Zusammensetzung, insbesondere auf Stoffmengenanteile von Wasserstoff und/oder Stickstoff in einem durch das Anodensubsystem 105 strömenden Gas zu schließen und das Spülventil 109 in Abhängigkeit der Stoffmengenanteile anzusteuern.

Dazu kann die Recheneinheit 111 bspw. einen Speicher umfassen, in dem ein Kennfeld bzw. ein Zuordnungsschema 200 gemäß Figur 2 hinterlegt ist. Das Zuordnungsschema 200 umfasst eine Vielzahl an Verläufen 201, 203, 205 207 und 209, die jeweils unterschiedlichen Gaszusammensetzungen zugeordnet sind.

Bspw. entspricht der Verlauf 201 einem Gas aus reinem Wasserstoff, der Verlauf 203 einem Gas aus 90% Wasserstoff und 10% Stickstoff, der Verlauf 205 einem Gas aus 80% Wasserstoff und 20% Stickstoff, der Verlauf 207 einem Gas aus 50% Wasserstoff und 50% Stickstoff und der Verlauf 209 einem Gas aus reinem Stickstoff.

Entsprechend kann jeweiligen durch den Drucksensor 107 ermittelten Messwerten einer der Verläufe 201, 203, 205 207 oder 209 und, dadurch bedingt, eine Gaszusammensetzung zugeordnet werden.

In Figur 3 ist ein Betriebsverfahren 300 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Das Betriebsverfahren 300 umfasst einen Öffnungsschritt 301, bei dem ein Spülventil des Brennstoffzellensystems geöffnet wird, einen Messschritt 303, bei dem ein Druck in einem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems gemessen wird, einen Schließungsschritt 305, bei dem das Spülventil geschlossen wird und einen Ermittlungsschritt 307, bei dem eine Zusammensetzung eines Gases in dem Anodensubsystem mittels in dem Messschritt 303 gemessener Werte ermittelt wird.

In einem Abgleichschritt 309 wird eine Menge zumindest einer Komponente der in dem Ermittlungsschritt 307 ermittelten Zusammensetzung mit einem vorgegebenen Schwellenwert abgeglichen. Ist die Menge bspw. an Wasserstoff zu hoch, wird in einem ersten Einstellschritt 311 ein Spülintervall, d.h. eine Dauer, für die ein Spülventil des Brennstoffzellensystems angesteuert wird, verkürzt. Ist die Menge bspw. an Stickstoff zu hoch, wird in einem zweiten Einstellschritt 313 ein Spülintervall, d.h. eine Dauer, für die ein Spülventil des Brennstoffzellensystems angesteuert wird, erhöht.

In einem finalen Speicherschritt 315 wird das in dem ersten Einstellschritt 311 oder dem zweiten Einstellschritt 313 ermittelte Spülintervall gespeichert und für einen folgenden Spülvorgang als Standardwert verwendet. In Figur 4 ist ein Diagramm 400 dargestellt, das sich auf seiner Abszisse über die Zeit und auf seiner Ordinate über einen Druck, sowie eine Regelgröße und einen Vorsteuerwert aufspannt.

Ein Verlauf 401 zeigt die Veränderung eines Vorsteuerwerts eines Wasserstoffdosierventils eines Brennstoffzellensystems über die Zeit.

Ein Verlauf 403 zeigt eine Veränderung eines Drucks in einem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems über die Zeit.

Ein Verlauf 405 zeigt eine Veränderung einer Korrektur durch Regelung für eine Stellung des Wasserstoffdosierventils über die Zeit.

Anhand des Diagramms 400 ist erkennbar, dass trotz sprunghafter Erhöhung der Vorsteuerung, bei einem Öffnungsvorgang eines Spülventils, das Wasserstoffdosierventil etwas verzögert und mit flacherer Flanke öffnet.

Je nach Gaszusammensetzung, bzw. bei Vorhandensein von flüssigem Wasser, kann der Regler zunächst auch in die Gegenrichtung ausschlagen. In diesem Fall ändert sich der Druck für einen kurzen Moment nicht, obwohl das Spülventil bereits geöffnet ist. In diesem Fall befindet sich viel flüssiges Wasser im Anodensubsystem, das bspw. durch eine vorübergehende Erhöhung der einer Ansteuerungsfrequenz des Spülventils ausgetragen werden kann.