Titel

Verfahren zum Bestimmen der Länge und/oder des Volumens der Purgestrecke innerhalb eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein zum Bestimmen der Länge und/oder des Volumens der Purgestrecke innerhalb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Zellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt.

Die Purgestrategie eines Brennstoffzellensystems erfolgt meist zeitbasiert oder modelbasiert, z.B. durch Integration des gezogenen Stroms als Indikation der durch die Kathode durchströmten Luft, bzw. der durch die Kathode durchströmten und damit in die Anode diffundierten Stickstoffmenge.

Das Dokument DE 10 2006 013 699 Al zeigt eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle und einem von einer Kontrolleinheit betätigten Stellelement zum Ausbringen von Restgas aus einem Betriebsstoffstrom der Brennstoffzelle. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontrolleinheit eine die Betriebsstoffkonzentration im Betriebsstoffstrom berücksichtigende Steuerung und/oder Regelung umfasst.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Länge und des Volumens der Purgestrecke innerhalb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass während eines Purgvorgangs die H2- Konzentration an einem H2-Sensor in der Abgasleitung gemessen wird und abhängig vom Verlauf der gemessenen H2- Konzentration die Länge und/oder das Volumen der Purgestrecke bestimmt werden kann.

Anhand einer Abweichung des gemessenen Volumens im Vergleich zu einem initial gemessenen Wert des Volumens oder im Vergleich zu einem hinterlegten Referenzwert des Volumens, kann eine Verstopfung der Purgestrecke identifiziert werden.

Eine Verstopfung kann beispielsweise durch Vereisung beim Start/Betrieb unter Gefrierbedingungen oder durch alterungsbedingten Verengungen der Purgestrecke inkl. Purge- ventil geschehen. Eine zeitgesteuerte Purgestrategie, wie im Stand der Technik beschrieben, bleibt in diesem Fall ineffektiv, der Stack wird binnen Minuten (ggf. sogar Sekunden) irreparabel beschädigt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Verstopfungen in der Purgestrecke erkannt werden und Gegenmaßnahmen, beispielsweise durch eine Anpassung der Purgestrategie, getroffen werden, so dass es nicht zur einer Beschädigung des Brennstoffzellenstacks kommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig, da auf bereits im System verbaute Sensoren zurückgegriffen werden kann, um die Lange und/oder das Volumen zu bestimmen und darüber eine Verstopfung, beispielsweise durch Vereisung oder altersbedingter Verstopfung, zu erkennen. Ein H2-Sensor, der zur Bestimmung der H2- Konzentration genutzt wird, ist in jedem Brennstoffzellensystem standardmäßig verbaut, da die H2-Konzentration, die über die Abgasleitung in die Umgebung geleitet wird aus Sicherheitsgründen immer gemessen wird. Durch das beschriebene Verfahren wird durch die Anpassung der Purgestrategie ein unzureichendes Purgen vermieden, d.h. ein Purgevorgang, bei dem nach dessen Beendigung immer noch Stickstoff und Wasserdampf im Rezirkulationskreis vorhanden ist. Eine mögliche Folge ist hierbei eine nachfolgende Wasserstoffarmut und damit einhergehende Degradation der Zellen im Brennstoffzellenstack.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.

Wenn der Rezirkulationskreis vor dem Öffnen des Purgeventils mit reinem Wasserstoff gefüllt wird, kann auf vorteilhafte Weise die Länge und/oder das Volumen bestimmt werden, da die Dichte und die dynamische Viskosität für Wasserstoff im Gleichungssystem exakt angegeben werden können.

Es ist von Vorteil, wenn während des Purgevorganges der Luftmassenstrom in der Abgasleitung konstant gehalten wird, um Änderungen der Verdünnungsbedingungen am H2-Sensor zu verhindern.

Es ergibt sich ein weiterer Vorteil, wenn das gemessene Volumens der Purgestrecke mit vorgegebenen oder initial gemessenen Werten für das Volumen der Purgestrecke verglichen werden und anhand einer Abweichung eine teilweise Verstopfung der Purgestrecke erkannt wird. Auf diese Weise lässt sich schon frühzeitig eine teilweise Verstopfung der Purgestrecke erkennen, so dass rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Dies kann insbesondere eine Erhöhung der Purgedauer und/oder eine Reduzierung des Purgeintervall sein.

Um bei einer teilweisen Verstopfung ein unzureichendes Purgen und damit eine Degredation der Zellen im Brennstoffzellenstack zu vermeiden, kann die Purgedauer erhöht werden oder das Purgeintervall reduziert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 eine Messung, welche die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis und in der Abgasleitung während eines Purgevorganges darstellt.

In der Figur 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem 1 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW’s, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.

Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. Es kann optional ein Luftsensor 13 im Luftpfad 10 angeordnet sein, welcher den Sauerstoffgehalt der Luft bestimmt.

In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Befeuchter 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 mit einer höheren Flüssigkeitskonzentration anreichert. Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der Figur 1 nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist.

Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.

Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.

Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder eine Rezirkulationspumpe 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Rezirkulationspumpe 52 sind möglich.

Da die Menge an Wasser und Stickstoff im Rezirkulationskreis 50 mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, so dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Stickstoffkonzentration in der Brennstoffleitung 20 nicht abnimmt.

Es ist eine Purgeleitung 40 zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 angeordnet, so dass das Gasgemisch aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann.

In der Purgeleitung 40 ist ein Purgeventil 41 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purgeventil 41 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Gasgemisch über die Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird.

Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Des Weiteren können über die Purgeleitung 40 Wasserstoff und ein Gasgemisch mit Stickstoff in die Abgasleitung 12 gelangen.

In der Abgasleitung 12 ist ein H2-Sensor 45 angeordnet, welcher die Konzentration von Wasserstoff im Abgas misst, da nicht zu viel Wasserstoff über die Abgasleitung 12 in die Umgebung gelangen darf. Des Weiteren muss die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches vermieden werden.

Fig. 2 zeigt ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Länge und/oder des Volumens einer Purgestrecke innerhalb eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Unter der Purgestrecke wird eine Kombination aus der Purgeleitung 40 und einem Abschnitt der Abgasleitung 12, welcher sich zwischen der Einmündung der Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 und dem H2-Sensor 45 befindet, verstanden.

In dem Verfahren wird während eines Purgvorgangs die H2- Konzentration an dem H2-Sensor 45 in der Abgasleitung 12 gemessen und abhängig vom Verlauf der gemessenen H2- Konzentration die Länge und/oder das Volumens der Purgestrecke bestimmt.

In einem Verfahrensschritt 200 wird der Purgevorgang eingeleitet. Dieser Purgevor- gang kann bewusst eingeleitet werden, um beispielsweise beim Start des Brennstoffzellensystems am Anfang einer Fahrt oder nach einer bestimmten Fahrtzeit die Länge und/oder das Volumen zu bestimmen. Zum Einleiten des Purgevorganges wird das Purgeventil 41 geöffnet und die aktuelle Leistungsstufe des Brennstoffzellenstacks 101 möglichst konstant gehalten.

In einem Verfahrensschritt 210 wird der Luftmassenstrom in der Abgasleitung 12 konstant gehalten wird, um Änderungen der Verdünnungsbedingungen am H2-Sen- sor 45 zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch eine bewusste Regelung des Luftverdichters 11 auf ein festes Leistungsniveau erfolgen.

Im Verfahrensschritt 220 wird die während des Purgevorganges gemessene H2- Konzentration im Abgas durch den H2-Sensor 45 in kurzen zeitlichen Abständen o- der kontinuierlich gemessen und gegebenenfalls gespeichert.

Im Verfahrensschritt 230 wird eine Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Purgeventils 41 und dem Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45 bestimmt. Mit Hilfe dieser Zeitdauer und den Werten für den Druck im Rezirkulationskreis 50 pRezirkuiationskreis und den Druck in der Abgasleitung 12 pAbgasieitung kann unter Einbeziehung der Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff die Länge und das Volumen der Purgestrecke ermittelt werden.

Hierbei kann beispielsweise das beigefügte Gleichungssystem nach der Länge L und/oder dem Volumen Vp _ur gestrecke aufgelöst werden. n: Anzahl der Mol [mol]

V: Volumen [m3]

T: Temperatur [K]

V: Volumentstrom [m3/s] r: Radius [m] L: Länge [m]

<J dynam. Viskosität [bar s] p : Druck [bar] n Molstrom [mol/s] p : Dichte [g/m3] p: Molmasse [mol/g]

Hierbei wird für p _AnO dengas und p _An odengas die Gaszusammensetzungen im Rezirkulations- kreis berücksichtigt oder angenähert und für p _Purgegas und p _Purgegas die Gaszusammensetzungen am Ausgang der Purgeleitung 40 berücksichtigt oder angenähert.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird im Verfahrensschritt 240 überprüft, ob das gemessene Volumen der Purgestrecke mit dem vorgegebenen oder initial gemessenen Wert für das Volumen der Purgestrecke übereinstimmt. Liegt eine Abweichung vor, so kann von einer teilweisen Verstopfung der Purgestrecke ausgegangen werden.

Liegt eine Verstopfung der Purgestrecke vor, wird im Verfahrensschritt 250 die Pur- gedauer erhöht und/oder das Purgeintervall reduziert. Ansonsten werden die Purge- dauer und das Purgeintervall in einem Verfahrensschritt 260 nicht verändert.

In einer alternativen Ausführungsform wir der Rezirkulationskreis 50 vor dem Öffnen des Purgeventils 41 mit reinem Wasserstoff gefüllt. Dies erhöht die Messgenauigkeit der Messungen, da ansonsten ein Stoffgemisch im Rezirkulationskreis 50 vorliegt und die Parameter für die Diffusionsgeschwindikeit abhängig von der Zusammensetzung der Stoffe im Rezirkulationskreis 50 angepasst werden müssen.

In Figur 3 ist eine Messung dargestellt, welche den physikalischen Hintergrund zum erfinderischen Verfahren liefert.

Im Diagramm stellt die gestrichelte Linie den Purgevorgang dar. Bei dem Wert 0 ist das Purgeventil 41 geschlossen, bei dem Wert 1 ist das Purgeventil 41 geöffnet. Im Diagramm stellt die obere durchgezogenen Linie A die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 dar. Hier wurden keine Zahlenwerte angegeben, da nur der Verlauf der gemessenen H2- Konzentrationen zur Erläuterung des Vorgehens benötigt wird.

Im unten dargestellten Diagramm B ist die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 dargestellt, auch hier geht es nicht um die expliziten Messwerte, sondern um den Verlauf der Messkurve.

Durch den im Diagramm A dargestellten Purgevorgang wird der Rezirkulationskreis 50 von Stickstoff und Wasserdampf „gereinigt“. Dadurch steigt die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 an, wie in der Kurve B dargestellt ist. Der Purgevorgang wird so lange durchgeführt bis die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 auf 100% angestiegen ist.

Während des Purgevorganges sind folgende Phasen in der Kurve A zu erkennen:

1. Totzeit: Es erfolgt kein Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45.

2. Befüllung der Purgestrecke: Es erfolgt ein rapider Anstieg der H2- Konzentration im H2-Sensor 45.

3. Erhöhung der H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50: Es erfolgt ein mäßiger Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45.

4. Keine weitere Erhöhung der H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 zu verzeichnen: Es wird ein maximales Plateau der H2- Konzentration am H2-Sensor 45 erreicht.

In der Phase 1 erreicht der Wasserstoff den H2-Sensor 45 noch nicht, d.h. die Zeit, H2- Menge, Druckunterschied usw. reichen nicht aus, dass H2-Moküle die Purgestrecke vollständig durchlaufen.

Ändern sich die relevanten Parameter (Länge und Volumen der Purgestrecke, Druckunterschied, usw.) für die Durchlaufzeit des Wasserstoffes, verändert sich entsprechend die Länge der Phase 1. In der Phase 2 steigt die H2- Konzentration am H2-Sensor 52 an. In dieser Phase kann das Gas aus dem Rezirkulationskreis 50 durch die Purgeleitung 40 strömen. Da sich innerhalb der Purgeleitung 40 auch Gase befinden, welche eine geringere H2-Konzentra- tion als die Gase im Rezirkulationskreis 50 aufweisen, wird das Gas aus dem Rezirkulationskreis 50 zuerst stark verdünnt. Nach einer zunehmenden Durchströmung erhöht sich die H2- Konzentration in der Purgeleitung 40, sie wird schnell an die H2- Konzentration des Rezirkulationskreises 50 angeglichen. Die Dauer und der Gradient des Anstieges der H2- Konzentration dieser Phase korrelieren mit geometrischen Parametern der Purgestrecke, wie Länge und Durchmesser, sowie Umlenkungen innerhalb des Leitungssystems.

Der Übergang zwischen Phase 1 und Phase 2 ist zusätzlich durch einen senkrechten Doppelstrich, welcher mit x bezeichnet ist, im zweiten Diagramm der Figur 3 hervorgehoben.