Titel:

Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzelle bei sehr kleinen Partialdrücken bis hin zu Null

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft auch ein das vorgenannte Verfahren implementierendes Computerprogramm, einen maschinenlesbaren Datenträger mit einem solchen Computerprogramm sowie einen oder mehrere Computer aufweisend das vorgenannte Computerprogramm.

Stand der Technik

Regelungs- und Rechenverfahren für den Betrieb von Brennstoffzellen basieren auf positiven absoluten (Partial-) Drücken der Gase in den Brennstoffzellen. Bei mobilen Kraftfahrzeug-Brennstoffzellen geht es dabei üblicherweise um einen Wasserstoff druck in der Anode und einen Sauerstoffdruck in der Kathode. In Regel verfahren wird die Quellen-Leerlaufspannung typischerweise mit Hilfe der Nernst-Gleichung berechnet. In letzterer treten Ausdrücke auf, in welchen der Partialdruck einer Gaskomponente in der Brennstoffzelle als Argument eines Logarithmus erscheint.

Offenbarung der Erfindung

Bei initialen Startvorgängen, wenn die Gasräume noch nicht mit den Betriebsgasen der Brennstoffzelle gefüllt sind, sowie bei Stoppvorgängen, bei denen die Betriebsgase abgebaut werden, können Partialdrücke der Betriebsgase bis einschließlich Druck Null auftreten. Beim Abstellen eines Brennstoffzellenstacks können Anoden- und/oder Kathodenraum über Ventile geschlossen werden, so dass kein weiteres Gas zu- oder abströmt. Durch Stromentnahme am Brennstoffzellenstack kann danach die verbliebene Gasmenge in Anode und/oder Kathode vollständig verbraucht werden. Die entsprechenden Partialdrücke können dabei auf Werte sehr nahe und einschließlich Null sinken.

Es wurde erkannt, dass eine Steuerung bzw. Regelung einer Brennstoffzelle mittels derzeit gebräuchlicher Methoden in denjenigen Fällen Schwierigkeiten aufweisen kann, in denen an zumindest einer Elektrode kein oder nur eine geringe Menge an Gas zugeführt wird. Wenn der Partialdruck nahe oder auf Null sinkt, versagt die Berechnung der Quellen-Leerlaufspannung mit der Nernst- Gleichung, so dass die Regelung keine Information mehr über den aktuellen Betriebszustand der Brennstoffzelle erhält. Dies kann, wie oben beschrieben, bei Start- oder auch Stoppvorgängen der Fall sein. Ebenso können nach längerer Standzeit der Brennstoff (etwa Wasserstoff) und/oder das Oxidationsmittel (etwa Sauerstoff) vollständig abreagiert sein, so dass in der Anode und/oder Kathode nur noch Stickstoff verbleibt. Weiterhin wird derzeit in vielen Fällen der Tatsache nicht oder nicht ausreichend Rechnung getragen, dass u.a. aufgrund von Diffusionsprozessen im allgemeinen nicht nur ein Gas im Anoden- bzw. Kathodenraum vorliegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Steuerung einer Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode und umfasst zumindest die im folgenden beschriebenen Schritte.

Zu jeder der im Betrieb der Brennstoffzelle relevanten Gaskomponenten, welche im Anodenraum bzw. im Kathodenraum vorliegen können, wird je ein Druckwert empfangen. Dieser Druckwert kann beispielsweise von einem Sensor stammen, aber auch beispielsweise aus einer Modellrechnung.

Weiterhin wird ein Strom zum Ansteuern der Brennstoffzelle vorgegeben. Unter Nutzung der empfangenen Druckwerte wird daraufhin aus dem vorgegebenem Strom eine Sollspannung ermittelt. Dabei wird ein bekannter, alle relevanten Druckwerte berücksichtigender Zusammenhang zwischen dem vorgegebenen Strom bzw. der korrespondierenden Stromdichte und der Sollspannung genutzt (Butler-Volmer-Gleichung unter Berücksichtigung von Mischpotentialen). Der Zusammenhang drückt den Strom als Funktion der Sollspannung und der Druckwerte aller relevanten Gaskomponenten aus, und er wird im Zuge des Verfahrens numerisch umgekehrt; eine analytische Umkehrfunktion existiert für den allgemeinen Fall nicht. Im Rahmen der numerischen Umkehr stützt sich die Berechnung auf Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und Potenzbildung, ist jedoch frei von der numerischen Berechnung von Logarithmen. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Brennstoffzelle mit dem vorgegebenen Strom angesteuert und die an der Brennstoffzelle resultierende Spannung wird gemessen. Der gemessene Spannungswert wird weiterhin mit der berechneten Sollspannung verglichen.

Bei den im Betrieb der Brennstoffzelle relevanten Gaskomponenten kann es sich zumindest um den an der Anode zugeführten Brennstoff und das an der Kathode zugeführte Oxidationsmittel handeln. Z.B. aufgrund von Diffusionsprozessen durch den in der Brennstoffzelle verwendeten Elektrolyten hindurch, kann unter Umständen eine nicht zu vernachlässigende Menge Brennstoff auch im Kathodenraum und umgekehrt eine nicht zu vernachlässigende Menge Oxidationsmittel auch im Anodenraum vorliegen. Ebenso spielt das Reaktionsprodukt, z.B. Wasser, eine Rolle. Des Weiteren können im Zuge der im Inneren der Brennstoffzelle ablaufenden chemischen Prozesse weitere Gaskomponenten gebildet werden, welche aufgrund von Diffusion in die Elektrodenräume gelangen können. Alle prinzipiell vorliegenden und nicht vernachlässigbaren Gaskomponenten sollten jeweils bei Berechnungen der Sollspannung bzw. weiterer relevanter Größen der Brennstoffzelle berücksichtigt werden.

Die Berechnung von Logarithmen enthaltenden Ausdrücken bereitet numerische Schwierigkeiten in Fällen, in denen das Argument des Logarithmus sehr klein wird, und der Logarithmus damit sehr große (negative) Ausdrücke annimmt. Eine Berechnung, welche Logarithmen mit kleinen Argumenten berücksichtigt, kann insbesondere numerisch instabil werden. Numerische Ungenauigkeiten können sich zu großen Fehlern auswachsen. Letzteres ist auch in den Fällen von Relevanz, in welchen Berechnungen zur Steuerung von Brennstoffzellen auf einem bestimmten Computertyp entwickelt und getestet worden sind, und anschließend beispielsweise auf ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug aufgespielt werden. Derartige Steuergeräte sind im Hinblick auf Rechenkapazitäten im allgemeinen schmalbrüstiger und nutzen eigene Bibliotheken und eigene Logarithmen-Tabellen, so dass sich die Software dort möglicherweise anders verhält als auf den Computern, auf denen sie entwickelt wurde. Ebenso könnte sich die Software anders verhalten, wenn sie auf ein neues Steuergerät mit einem anderen Chipsatz implementiert wird, der die numerischen Berechnungen des Logarithmus mit einem anderen Algorithmus ausführt. Es ist deshalb hilfreich und vorteilhaft, vorgenannte, mit der Berechnung von Logarithmen assoziierte Fehlerquellen zu umgehen und eine robustere, von numerischen Problemen weniger betroffene Berechnung bereitzustellen. Dies leistet die hier beschriebene Erfindung.

Das Verfahren kann frei von der numerischen Berechnung von Logarithmen sein, da es auf eine durch Umformungen gewonnene Form der Butler-Volmer- Gleichung mit Mischpotentialen gestützt ist, in der Terme der Form ln(p/pio) nicht auftreten. Im vorstehenden Ausdruck bezeichnet pi den Partialdruck der i-ten Gaskomponente und pio einen (positiven festen) Referenzdruck der i-ten Gaskomponente. Anstelle als Argumentes eines Logarithmus tritt das Verhältnis p/pio im vorliegenden Verfahren jeweils als Basis in dem Ausdruck (p/pio) ¹ “/" auf. Dabei ist der Exponent durch chemische und physikalische Eigenschaften der i-ten Gaskomponente bestimmt und im Falle der typischerweise zum Einsatz kommenden chemischen Stoffe immer größer als 0. Beispielsweise kann für eine Reaktion von Sauerstoff zu Wasser in der Kathode die (effektive) Reaktionsordnung y im Bereich 0.5 .. 1 gewählt werden und der Transferkoeffizient a in 0.9 .. 1.5, die Zahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen ist n = 4. In der Kathode ist y + a/n zu wählen und es entsteht im ungünstigsten Fall 0.5 + 0.9/4 = 0.725.

Eine Problematik wie sehr große Logarithmen bei kleinen Werten derer Argumente tritt so nicht auf. Der Fall Pi = 0 ist ebenfalls problemlos, da auch keine Division durch pi auftritt.

Sehr kleine Werte für den Partialdruck einer im Betrieb der Brennstoffzelle relevanten Gaskomponente sind real. Diese können z.B. auftreten, wenn bei geschlossenem Anoden- und/oder Kathodenraum keine Gaszufuhr (mehr) erfolgt, jedoch weiterhin Strom über einen Widerstand fließt, wie dies u.a. bei Stoppvorgängen auftreten kann. Noch im jeweiligen Elektrodenraum vorliegende Gaskomponenten können im Zuge der chemischen Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelle weiterhin verbraucht werden, so dass ihr Beitrag zum Druck sehr gering wird. Ein anderer, ähnlicher Fall kann auftreten, wenn Wasser, welches im Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt wird, einfriert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Ansteuerung der Brennstoffzelle derart verändert, dass eine Abweichung zwischen der ermittelten Sollspannung und der an der Brennstoffzelle gemessenen Spannung vermindert wird. Damit kann das Verfahren zur Fehlerdiagnose und/oder zur Kompensation bei auftretender, erkannter Fehlfunktion der Brennstoffzelle herangezogen werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird insbesondere aus der Abweichung zwischen der Sollspannung und der gemessenen Spannung eine Fehlfunktion und/oder eine Degradation der Brennstoffzelle abgeleitet und ausgewertet.

Damit kann das Verfahren dazu beitragen, den fehlerfreien Betrieb der Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug zu gewährleisten und die mögliche Einsatzdauer der Brennstoffzelle zu verlängern.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der vorgegebene Strom im vorgenannten Zusammenhang derart gewählt, dass die Brennstoffzelle in einem Arbeitspunkt betrieben wird, in dem eine Degradation der Brennstoffzelle vermindert ist.

Damit kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert werden, und entsprechend Herstellungs- und Bereitstellungskosten für die Brennstoffzelle eingespart werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Ansteuerung der Brennstoffzelle derart verändert, dass bei gleichem vorgegebenem Strom die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung unabhängig von der Degradation konstant bleibt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzelle mit dem vorgegebenen Strom in einem Betriebsmodus angesteuert, in dem an der Anode kein Brennstoff und/oder an der Kathode kein Oxidationsmittel zugeführt wird, und der Druck mindestens einer Gaskomponente an mindestens einer der beiden Elektroden stark abnimmt.

Diese Situation kann beispielsweise bei Stoppvorgängen vorliegen, bei denen bei geschlossenem Anoden bzw. Kathodenraum u.U. keine Gaszufuhr mehr erfolgt, aber Strom über einen Widerstand abgeführt wird. In diesem Fall wird das im entsprechenden Elektrodenraum noch vorliegende Gas im Zuge der in der Brennstoffzelle ablaufenden chemischen Reaktionen weiter verbraucht bzw. umgesetzt, so dass der Partialdruck der betrachteten Gaskomponente weiter abnimmt. Das hier beschrieben Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzelle liefert auch in der vorgenannten Situation robuste Werte für die Sollspannung, welche schließlich in die Steuerung der Brennstoffzelle einfließen können. Dies wird dadurch erreicht, dass das Verfahren frei von Logarithmen ist, deren Argument ein sehr klein werdender (Partial-) Druckwert sein kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem in der Brennstoffzelle genutzten Brennstoff um Wasserstoff und bei dem in der Brennstoffzelle genutzten Oxidationsmittel um Sauerstoff oder Luft handeln.

Beispielsweise kann das hier beschriebe Verfahren in der Steuerung von PEM- Brennstoffzellen Anwendung finden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sowohl anoden- als auch kathodenseitig ein Gemisch mehrerer Gase vorliegen.

Beispielsweise kann das anodenseitige Gasgemisch und das kathodenseitige Gasgemisch jeweils zumindest aus dem der Brennstoffzelle anodenseitig zugeführten Brennstoff und dem der Brennstoffzelle kathodenseitig zugeführten Oxidationsmittel bestehen.

In vielen Fällen soll eine Diffusion von Brennstoff bzw. Oxidationsmittel in die durch den Elektrolyten zur jeweils anderen Elektrode unterbunden werden. Kommt es jedoch zu Diffusionsprozessen durch den Elektrolyten, so kann in zumindest einem der beiden Elektrodenräume der Brennstoffzelle ein Gasgemisch sowohl aus Brennstoff als auch aus dem Oxidationsmittel vorliegen. Diesem Fall wird in dem hier beschriebenen Verfahren Rechnung getragen.

Es kann weiterhin auch vorkommen - und kann in dem hier beschriebenen Verfahren berücksichtigt werden dass das kathodenseitige und/oder das anodenseitige Gasgemisch mindestens eine weitere Komponente enthält, welche beispielsweise im Zuge derjenigen chemischen Reaktionen gebildet wird, die innerhalb der Brennstoffzelle ablaufen. Auch kann beispielsweise ein Wasserstoff haltiges Brenngas, das durch Reformierung aus einem kohlenwasserstoff haltigen Brennstoff (wie etwa Methanol oder Erdgas) gewonnen wurde, Nebenprodukte oder Verunreinigungen aus der Reformierung enthalten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Brennstoffzelle, welche im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens betrachtet wird, Teil eines Brennstoffzellenstapels sein.

Typischerweise sind die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in Reihe geschaltet und können zur Stromerzeugung in einem Brennstoffzellenfahrzeug genutzt werden. Mittels des hier beschriebenen Verfahrens können Situationen, in denen zumindest einer der Elektroden mindestens einer Brennstoffzelle des Stapels kein Gas (mehr) zugeführt wird und durch Stromentnahme über einen Widerstand weiterhin Gas im Elektrodenraum umgesetzt wird, verlässlich und stabil gesteuert werden. Numerische Probleme im Rahmen der computergestützten Steuerung bzw. Regelung der Brennstoffzellen aufgrund sehr kleiner (Partial-) Drücke werden im hier vorgestellten Verfahren umgangen.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Computerprogramm mit maschinenlesbaren Anweisungen, welche, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer dazu veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Ebenfalls umfasst die Erfindung einen maschinenlesbaren Datenträger, auf welchem das vorstehende Computerprogramm gespeichert ist, sowie einen mit vorgenanntem Computerprogramm oder vorgenannten maschinenlesbaren Datenträger ausgerüsteten Computer.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens zur Steuerung einer Brennstoffzelle;

Figur 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform.

In Figur 1 ist eine Ausführungsform eines Verfahrens 1000 zur Steuerung einer Brennstoffzelle 1 dargestellt, bestehend aus den im folgenden genannten Schritten.

In Schritt 100 wird je ein Druckwert pi empfangen, welcher zu der i-ten, im Betrieb der Brennstoffzelle 1 relevanten Gaskomponente korrespondiert, die im Anodenraum bzw. Kathodenraum der Brennstoffzelle vorliegen kann. (In Fig. 2 sind entsprechende Gaskomponenten mit 2a, 2b, 2c, 2d und 2e bezeichnet.)

In Schritt 200 wird ein Strom I zum Ansteuern der Brennstoffzelle 1 vorgegeben, aus welchem in Schritt 300 unter Nutzung der empfangenen Druckwerte pi eine Sollspannung Us an der Brennstoffzelle berechnet wird. Die entsprechende Berechnung stützt sich dabei auf die numerische Umkehr eines Zusammenhanges, welcher den vorgegebenen Strom I durch die Sollspannung Us ausdrückt (verallgemeinerte Butler-Volmer-Gleichung inklusive Mischpotentialrechnung). Im Zuge der numerischen Umkehr werden die Rechenoperationen Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division sowie Potenzbildung genutzt. Das Vorgehen ist jedoch frei von der Berechnung numerischer Logarithmen. Das vorgestellte Verfahren soll insbesondere die Fälle abdecken, in denen mindestens einer der (Partial-) Drücke im Anoden- und/oder Kathodenraum der Brennstoffzelle 1 sehr klein ist, bzw. verschwindet. In dem üblicherweise zugrunde gelegten Ausdruck der Butler-Volmer-Gleichung treten Logarithmen auf, deren Argument den Partialdruck enthält, In (p/ Pio) , wobei pio einen Referenzdruck für die i-te Gaskomponente bezeichnet.

Für kleine oder sogar verschwindende Druckbeiträge der entsprechenden Komponente stellt diese Form damit ein Problem dar. Im hier vorgestellten Verfahren wird deshalb eine durch Term-Umformungen gewonnene, modifizierte Form der entsprechenden Gleichungen verwendet, in denen die Partialdrücke pi nicht mehr als Argument des Logarithmus auftreten. Die auf die modifizierte Form gestützte numerische Umkehr ermöglicht eine numerisch stabile Betrachtung und Berücksichtigung insbesondere der Fälle sehr kleiner Partialdrücke. Derartige Situationen können wie bereits oben beschrieben z.B. bei Stoppvorgängen eines brennstoffzellengetriebenen Kraftfahrzeugs auftreten.

In Schritt 400 wird die Brennstoffzelle 1 mit dem vorgegebene Strom I angesteuert und in Schritt 500 daraufhin die an der Brennstoffzelle 1 resultierende Spannung U gemessen.

Schließlich wird in Schritt 600 die resultierende Spannung U mit der zuvor berechneten Sollspannung Us verglichen.

Mittels des Vergleichs kann z.B. eine Degradation oder eine Fehlfunktion der Brennstoffzelle diagnostiziert werden. Als Reaktion auf eine festgestellte Degradation kann die Brennstoffzelle derart angesteuert werden, dass bspw. die Effekte einer Degradation minimiert und weiterhin eine maximale Leistung aus der Brennstoffzelle abgerufen werden kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle in Reaktion auf eine diagnostizierte Degradation oder Fehlfunktion derart mit einem Strom angesteuert wird, dass die Abweichung zwischen Sollspannung und gemessener Spannung zumindest verkleinert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennstoffzelle daraufhin in einem Arbeitspunkt betrieben werden, in dem eine weitere Degradation vermindert wird. Die Brennstoffzelle kann aber auch derart angesteuert werden, dass ihre abgegebene Leistung unabhängig von der Degradation konstant bleibt.

Figur 2 zeigt eine Brennstoffzelle 1 mit einer Anode 11 und einer Kathode 12, welche jeweils in einem Anodenraum 110 bzw. Kathodenraum 120 angeordnet sind und an einen Ionen leitenden Elektrolyten 13 angrenzen. Der Brennstoffzelle 1 kann anodenseitig ein Brennstoff 31 und kathodenseitig ein Oxidationsmittel 32 zugeführt werden. Bei dem Brennstoff 31 kann es sich beispielswiese um Wasserstoff und bei dem Oxidationsmitte 32 um Sauerstoff oder Luft handeln. Im Anodenraum 110 respektive Kathodenraum 120 liegen Gaskomponenten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e vor, welche an den innerhalb der Brennstoffzelle 1 ablaufenden chemischen Reaktionen teilnehmen. Dass hier konkret fünf Gaskomponenten 2a-2e erwähnt werden, ist lediglich als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Das Verfahren funktioniert prinzipiell für beliebig viele Gaskomponenten, wobei der Rechenaufwand mit

Die Partialdrücke pi der Gaskomponenten werden gemessen und zur numerischen Berechnung der Sollspannung Us herangezogen. Im Zuge der Berechnung wird weiterhin ein Strom I mittels dessen die Brennstoffzelle 1 nachfolgend angesteuert werden soll, vorgegeben. Es erfolgt zunächst eine numerische Berechnung der Sollspannung Us unter Nutzung der Partialdrücke pi und des vorgegebene Stromes I, wie oben bereits beschrieben. Nach Ermittlung der Sollspannung Us wird die Brennstoffzelle 1 mit dem vorgegebenen Strom I angesteuert und die resultierende Spannung U an der Brennstoffzelle wird gemessen. Ein Vergleich der resultierenden Spannung mit der ermittelten Sollspannung Us kann anschließend zu Diagnosezwecken wie der Feststellung einer Fehlfunktion oder auch einer Degradation der Brennstoffzelle 1 herangezogen werden. In Folge dessen kann eine erneute Berechnung einer neuerlichen Sollspannung Us bei verändertem vorgegebenen Strom I erfolgen z.B. mit dem Ziel, eine Kompensation der Degradation der Brennstoffzelle zu erreichen. Wird die Brennstoffzelle 1 nun mit dem veränderten vorgegebenen Strom I angesteuert, so kann beispielsweise ein Leistungsabfall der Brennstoffzelle 1 aufgrund ihrer Degradation vermindert werden.