Titel:

Brennstoffzellensystem mit Vereisungsschutz

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

Stand der Technik

Es sind Fahrzeuge bekannt, bei denen elektrische Leistung durch ein Brennstoffzellensystem geliefert wird, durch die Antriebsmotoren versorgt werden. Dabei wird Wasserstoff mit einem Oxidanten, in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft, katalytisch zu Wasser verbunden, wobei elektrische Leistung geliefert wird. Die Umgebungsluft wird mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems einem Kathodenpfad der Brennstoffzellen zugeführt. Der Luftstrom im Kathodenpfad transportiert zudem das durch Reaktion entstehende Wasser in Form von Wasserdampf oder flüssig in Tröpfchenform. Sauerstoffabgereicherte feuchte Kathoden ab luft wird über einen Abgaspfad an die Umgebung abgeführt. Meist werden in diesen Abgas massenstrom noch Spülgas und Wasser aus einem Anodenpfad eingeleitet. Dabei weist der Abgaspfad Aktoren für Ventile, eine Turbine oder ähnliches auf, sowie Sensoren zur Überwachung verschiedener Parameter. Alle Komponenten müssen für den reibungslosen Betrieb des Brennstoffzellensystems über den kompletten Betriebsbereich funktionieren und gestartet bzw. angehalten werden. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen mit darin installierten Brennstoffzellensystemen eine Herausforderung, da alle weltweit relevanten Bedingungen und bei unterschiedlich lange Stillstandszeiten des Fahrzeugs zu berücksichtigen sind und gleichzeitig entsprechende Lebenszeitanforderungen zu erreichen sind. Ein kritischer Startfall ist etwa der Gefrierstart bei tiefen Temperaturen unter 0°C, da bei diesem sowohl beim Start entstehendes Reaktionswasser einfrieren kann, als auch bereits beim Start aufgetautes Wasser im System an anderen Stellen wieder einfrieren kann und/oder zuvor in der Stillstandsphase Feuchtigkeit auskondensieren und einfrieren und/oder Wasser im System einfrieren kann und Komponenten mit Eisbildung belegt und blockiert werden können.

Offenbarung der Erfindung

Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, bei dem ein verbesserter Vereisungsschutz erreicht wird, um alle zu berücksichtigenden Betriebsgrenzen abzudecken, wobei die Komplexität und die Kosten des Brennstoffzellensystems hierfür möglichst nicht oder nicht signifikant steigen sollten und gleichzeitig Lebensdauerforderungen erfüllbar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, eine Oxidantleitung, eine Abgasleitung, eine Steuereinheit und mindestens ein mit der Steuereinheit gekoppeltes elektrisch steuerbares Ventil, das mit einer der Oxidantleitung oder der Abgasleitung verbunden ist. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das mindestens eine Ventil zumindest während eines ersten Zeitintervalls pulsierend oder oszillierend anzusteuern, sodass während des ersten Zeitintervalls ein stationärer Zustand und Festsetzen des mindestens einen Ventils durch Vereisung verhindert wird.

Die mindestens eine Brennstoffzelle könnte eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle sein. Diese wird anodenseitig mit Wasserstoff oder einem Wasserstoff aufweisenden Gas und kathodenseitig mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff aufweisenden Gas versorgt. Beim Betrieb fällt hauptsächlich an der Kathode Wasser an, welches über die Abgasleitung in die Umgebung gelangt. Alternativ könnten auch andere Formen von Brennstoffzellen realisiert sein, die unter anderem Festoxid- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen umfassen können. Als Oxidant könnte sich für den Betrieb in einem Fahrzeug insbesondere Luft anbieten, sodass die Oxidantleitung eine Luftleitung sein kann.

Das mindestens eine elektrisch steuerbare Ventil kann mehrere unterschiedliche Ventile betreffen. Beispielsweise sind ein Zufuhrventil für Wasserstoff oder Luft und Abgas, Absperrventile, Bypass-Ventile, Steuerventile, Spülventile und anderes denkbar. Diese können je nach Anwendungszweck kontinuierlich verstellbar oder nur zwischen zwei diskreten Zuständen wechselnd sein.

Das mindestens eine Ventil, welches während des Betriebs auch von Wasserdampf bzw. flüssigem Wasser durchströmt wird, kann sich während des ersten Zeitintervalls folglich pulsierend oder oszillierend bewegen. Die zeitliche Dauer für den gepulsten Betrieb kann auf eine solche Zeit begrenzt werden, in der mit einem ausreichenden Aufwärmen der Leitungen des Brennstoffzellensystems zu rechnen ist. Das erste Intervall sollte folglich alle Zeitpunkte abdecken, in denen eine tatsächliche Vereisungsgefahr besteht.

Der gepulste Betrieb des mindestens einen Ventils sollte indes nicht zu einer Einschränkung des Betriebs des Brennstoffzellensystems führen. Die gepulste Ansteuerung ist folglich so abzustimmen, dass zwar eine gewisse Bewegung des mindestens einen Ventils durchgeführt wird, die ein Festsetzen eines Ventilkörpers verhindert, im Mittel jedoch stets um einen gewünschten Stellwert gependelt wird. Die Stärke der Oszillation sollte weiterhin nur einen geringen Anteil des Stellwerts betragen, beispielsweise in einem Bereich von 1-15% des vorgegebenen Stellwerts.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich folglich durch einen hoch wirksamen Vereisungsschutz aus, der ohne weitere Bauteile oder Komponenten realisierbar ist. Die Komplexität des Brennstoffzellensystems steigt dadurch nicht, der Betriebsbereich kann jedoch erweitert werden. Es ist vorteilhaft, wenn das mindestens eine Ventil ein Schaltventil aufweist und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das Schaltventil durch ein gepulstes Ansteuersignal von einer vorgegebenen Schaltstellung zu lösen und nach einer vorgegebenen Pulsdauer die vorgegebene Schaltstellung einzunehmen, wobei die Pulsdauer kürzer als eine trägheitsbedingte Schaltdauer des Schaltventils ist. Das Schaltventil weist lediglich zwei diskrete Schaltzustände auf, sodass das betreffende Ventil nur dazu ausgebildet ist, eine dieser beiden Schaltstellungen einzunehmen. Durch die Verwendung eines gepulsten Ansteuersignals kann unter Ausnutzung der Trägheit eine gepulste Bewegung des betreffenden Ventils dennoch erreicht werden. Befindet sich das Ventil in einer geöffneten Stellung und ist das Ansteuersignals darauf gerichtet, ein Schließen zu veranlassen, setzt sich das Ventil in Bewegung, um die Schließstellung zu erreichen. Deutlich vor Erreichen der Schließstellung kann jedoch das Ansteuersignals eliminiert oder durch ein gegensätzliches Ansteuersignals ersetzt werden, sodass das Ventil wieder in die geöffnete Stellung bewegt wird. Je nach Pulsdauer des Ansteuersignals und der Trägheit des betreffenden Ventils kann die Stärke der pulsierenden oder oszillierenden Bewegung des Ventils beeinflusst werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das gepulste Ansteuersignal in dem ersten Zeitintervall kontinuierlich zu wiederholen. Durch die kontinuierliche Wiederholung des gepulsten Ansteuersignals kann über das erste Zeitintervall eine gepulste Bewegung des betreffenden Ventils erreicht werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Ventil ein Stetigventil aufweist und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das Stetigventil mit einem eine vorgegebene Öffnungsstellung repräsentierenden Ansteuersignal anzusteuern, dem während des ersten Zeitintervalls ein oszillierendes Hilfssignal aufmoduliert ist. Das Stetigventil ist dafür vorgesehen, kontinuierliche Zustände einnehmen zu können, die durch ein entsprechendes Ansteuersignal vorgegeben werden. Das Überlagern eines oszillierenden Hilfssignals führt folglich dazu, dass das betreffende Stetigventil diesem Signal mit einer gewissen Trägheit folgt. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das oszillierende Hilfssignal derart ausgewählt ist, dass das Stetigventil um einen vorgegebenen Öffnungsgradanteil um die vorgegebene Öffnungsstellung oszilliert. Die vorgegebene Öffnungsstellung wird im Mittel folglich beibehalten. Durch das Folgen des oszillierenden Hilfssignals wird jedoch das Festsetzen von Eis verhindert.

Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, bei instationärer vorgegebener Öffnungsstellung das Aufmodulieren des Hilfssignals zu unterbrechen. Wird ein nicht-stationärer Öffnungsstellung vorgegeben, bewegt sich das betreffende Ventil bereits. Es ist dann auch nicht erforderlich, eine zusätzliche Oszillationen aufzumodulieren. Die Lebensdauer des Aktors bzw. einer mechanischen Ventilansteuerung kann damit erhöht werden und die instationäre Regelung nicht gestört wird bzw. das oszillierende Signal hier nicht berücksichtigt werden muss.

In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die pulsierende oder oszillierende Ansteuerung bei Vorliegen mindestens eines Parameters einer Gruppe von Parametern zu initiieren, die Gruppe aufweisend eine Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems, mindestens eine Temperatur innerhalb des Brennstoffzellensystems, ein Maß für ein Gefrierpotential, und einen Ablauf einer vorgegebenen Einschaltdauer. Sind solche Umgebungsbedingungen vorzufinden, auf deren Basis nicht mit einer Vereisung zu rechnen ist, ist es sinnvoll, zum Erhöhen der Lebensdauer eine pulsierende oder oszillierende Ansteuerung nicht durchzuführen.

Besonders vorteilhaft ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, auf Basis der pulsierenden oder oszillierenden Ansteuerung in vorangegangenen ersten Zeitintervallen und zumindest einer innerhalb des Brennstoffzellensystems erfassten resultierenden Temperatur während der vorangegangenen ersten Zeitintervalle Grenzparameter für die pulsierende oder oszillierende Ansteuerung anzupassen. Die Steuereinheit ist folglich mit einer Selbstlernfunktion ausgestattet. Insbesondere in Verbindung mit Sensoren, die Temperaturen im Innern des Brennstoffzellensystems überwachen, kann die Steuereinheit nach Ablauf mehrerer erster Zeitintervalle eine Schätzung durchführen, ob eine Vereisungsgefahr vorliegt. Nur wenn dies der Fall ist, sollte eine pulsierende oder oszillierende Ansteuerung erfolgen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Oxidantleitung und einer Abgasleitung, wobei erfindungsgemäß der Schritt des pulsierenden oder oszillierenden Ansteuerns mindestens eines elektrisch steuerbaren Ventils, das mit einer der Oxidantleitung und der Abgasleitung verbunden ist, vorgesehen ist, derart, dass zumindest während eines ersten Zeitintervalls ein stationärer Zustand und Festsetzen des mindestens einen Ventils durch Vereisung verhindert wird.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das pulsierende oder oszillierende Ansteuern um einen vorgegebene Öffnungsstellung des Ventils erfolgt.

Ausführungsbeispiele Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems.

Figur 2 eine schematische Darstellung des Ansteuersignals.

Figur 3 Aspekte eines Verfahrens zum Ansteuern des Brennstoffzellensystems.

Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 in einer schematischen Darstellung. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzelle 4 auf, die einen Lufteinlass 6, einen Abgasauslass 8, einen Wasserstoffeinlass 10 und einen Wasserstoffauslass 12 aufweist. Der Lufteinlass 6 ist über ein erstes Absperventil 14 mit einer als Luftleitung 16 ausgeführten Oxidantleitung verbunden. Das erste Absperventil 14 kann eine Luftzufuhr an die Brennstoffzelle 4 ermöglichen und bei Bedarf unterbinden. Ein Zwischenkühler 18 kühlt verdichtete Luft, bevor sie in die Brennstoffzelle 4 gerät. Luft gelangt aus der Umgebung 20 beispielhaft über einen Partikelfilter 22 in einen Vorverdichter 24. Dieser weist beispielhaft zwei von einem Elektromotor 26 betriebene Verdichter 28 auf. Der Elektromotor 26 kann über einen Inverter 30 mit elektrischer Spannung versorgt werden, die beispielsweise von der Brennstoffzelle 4 bereitgestellt wird. Dem Vorverdichter 24 könnte optional ein weiterer Zwischenkühler 18 nachgeordnet werden. Dieser ist hier gestrichelt dargestellt, da er in dem Ausführungsbeispiel nicht zum Einsatz kommt. Anschließend folgt ein zweiter Verdichter 32, der Luft zu dem Zwischenkühler 18 und folglich in die Luftleitung 16 fördert.

Der zweite Verdichter 32 ist von einer Turbine 34 angetrieben, die mit einer Abgasleitung 36 gekoppelt ist. Die Abgasleitung 36 ist über ein zweites Absperventil 38 dem Kathodenauslass 8 nachgeordnet. Zwischen der Luftleitung 16 und der Abgasleitung 36 ist beispielhaft ein Kathodenbypass 40 vorgesehen, der über ein erstes Bypassventil 42 selektiv aktivierbar ist. Ebenso ist ein Turbinenbypass 44 vorgesehen, der bedarfsweise die Turbine 34 überbrückt. Dies ist über ein zweites Bypassventil 46 steuerbar.

Des Weiteren ist stromabwärts der Turbine 34 ein Steuerventil 48 angeordnet, das das Abgas bedarfsweise gedrosselt an die Umgebung 20 leitet. Ein Spülventil 50‘ ist mit dem Anodenauslass 12 und der Abgasleitung 36 gekoppelt. Weiterhin wird Wasserstoff, der an dem Anodenauslass 12 vorliegt, über einen dritten Verdichter 50 und eine Strahlpumpe 52 zu dem Anodeneinlass 10 rezirkuliert. Hierbei wird frischer Wasserstoff von einem nicht dargestellten Drucktank über ein Drosselventil 53 beigemischt.

Eine Steuereinheit 54 ist bevorzugt mit sämtlichen aktiven Elementen gekoppelt, d.h. den Ventilen 14, 38, 42, 46, 48, 50‘ und 53 sowie dem Inverter 30, und ist dazu ausgebildet, durch Ansteuerung dieser Komponenten den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steuern. Wie eingangs dargelegt kann durch den beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 anfallenden Wasserdampf damit gerechnet werden, dass bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts Vereisungseffekte auftreten können. Beispielsweise könnten das erste Ausschalterventil 14, das zweite Ausschalterventil 38, das erste Bypassventil 42, das zweite Bypassventil 46 und das Steuerventil 48 sowie 50‘ anfällig für eine vereisungsbedingte Blockierung sein. Die Steuereinheit 54 ist nun dazu ausgebildet, zumindest eines dieser Ventile zumindest während eines ersten Zeitintervalls pulsierend anzusteuern, sodass während des ersten Zeitintervalls ein stationärer Zustand und ein Festsetzen des mindestens einen Ventils durch Vereisung verhindert wird. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, je nach Ausführung des betreffenden Ventils.

Das erste Ausschalterventil 14 und das zweite Absperventil 38 sind beispielsweise reine Schaltventile, die lediglich zwei diskrete Zustände einnehmen können (geöffnet, geschlossen). Hier wird durch die Steuereinheit 54 ein gepulstes Ansteuersignal abgegeben, welches das betreffende Absperventil 14 bzw. 38 dazu veranlasst, beispielsweise eine geöffnete Stellung zu verlassen. Trägheitsbedingt benötigt dies je nach Bauart eine gewisse Schaltzeit. Das gepulste Ansteuersignal ist nun so ausgebildet, dass deutlich unterhalb dieser Schaltzeit des betreffenden Ventils das Ansteuersignal entweder aufgehoben oder durch ein gegensätzliches Signal ersetzt wird. Trägheitsbedingt kehrt das Ventil nun die Bewegung um und bewegt sich wieder in den geöffneten Zustand. Die Pulsdauer des Ansteuersignals kann so dimensioniert sein, dass sich das Ventil beispielsweise nur zwischen 90 % und 100 % eines vollständig geöffneten Ventils bewegt. Dadurch oszilliert das betreffende Ventil und eine Blockade durch Eisansatz kann wirkungsvoll vermieden werden. Das Spülventil 50‘ kann als getaktetes Ventil oder als Stetigventil ausgeführt sein.

Das erste Bypassventil 42, das zweite Bypassventil 46, und das Steuerventil 48 können Stetigventile sein. Hier ist die Steuereinheit 54 dazu ausgebildet, den Ventilen 42, 46 und 48 mithilfe eines entsprechenden Ansteuersignals eine Öffnungsstellung vorzugeben. Zum Verhindern des Festfrierens in einer einmal eingestellten Position ist die Steuereinheit 54 nun dazu ausgebildet, dem entsprechenden Ansteuersignal ein oszillierendes Hilfssignal zu überlagern. Die Ventile 42, 46 und 48 führen folglich eine oszillierende Bewegung um ihre vorgegebene Öffnungsstellung aus und können so den Eisansatz verhindern.

Das Ansteuersignal könnte dabei derart ausgebildet sein, dass nur eine vergleichsweise geringe Abweichung von einer vorgegebenen Öffnungsstellung durchgeführt wird und im Mittel die Öffnungsstellung der vorgegebenen Öffnungsstellung entspricht.

Figur 2 zeigt ein von der Steuereinheit 54 veranlasstes Ansteuersignal 56 zum Erreichen einer vorbestimmten Öffnungsstellung, die in der Y-Achse als Position eines Ventilaktors in % angegeben ist. Nach Ablauf einer Einschaltdauer 58 oder Beharrungsdauer wird dem Steuersignal ein oszillierendes Hilfssignal 60 aufmoduliert. Dies wird während eines ersten Zeitintervalls 62 wiederholt. Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, bleibt die Öffnungsstellung im Wesentlichen gleich, das betreffende Ventil bewegt sich jedoch kontinuierlich ein wenig, um ein Festfrieren zu verhindern. Danach wird die oszillierende Ansteuerung aufgehoben, da instationär.

Figur 3 zeigt einen Teil eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 2. Der Fokus wird hier auf die Vereisungsschutzfunktionen gelegt. Die Steuereinheit 54 kann eine modellbasierte Schätzung 64 zur Beurteilung der Vereisungsanfälligkeit durchführen. Hierfür können historische Fahrzeugdaten 66 berücksichtigt werden, die beispielsweise eine Stillstandszeit, den Zustand des Brennstoffzellensystems 2 hinsichtlich einer vorhergehenden Abschaltung und Trocknung, des Spülens oder dergleichen umfassen. Weiterhin könnten hierzu vergangene Wetterdaten 68 aus einem Netzwerk abgerufen werden, die eine Erkenntnis über vergangene Umgebungsbedingungen erlauben. Gleichzeitig kann die Steuereinheit 54 gegenwärtige Fahrzeugdaten 70 erfassen, gegenwärtige Wetterdaten 72 und ein mathematisches Modell 73 des Brennstoffzellensystems berücksichtigen. Auf Basis dieser Daten kann eine aktuelle Vereisungsgefährdung ermittelt 64 werden, die eine pulsierende oder oszillierende Ansteuerung erforderlich machen könnte. Liegt eine solche Vereisungsgefährdung vor 74, wird die Funktion eines Aktors in einer Startphase geprüft 76, beispielsweise durch Überwachung einer Strom-Charakteristik bei der Ansteuerung. Sollte diese nicht in Ordnung sein, wird eine Eisaufbrechfunktion aktiviert 78, die nachfolgend zu dem pulsierenden oder oszillierenden Ansteuerungsverhalten führt. Es können weiter nachfolgend entsprechende Schwellenwerte und/oder Oszillationsparameter in der Datenbasis modifiziert werden 80. Sollte der Aktor in der Startphase indes ordnungsgemäß funktionieren 82, kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 fortgeführt werden.

Sollte keine Vereisungsgefährdung vorliegen 84, könnte ebenso in der Starphase geprüft werden 76 ,ob die Funktion eines Aktors ordnungsgemäß ist. Auch hier kann im Fehlerfall die Eisaufbrechfunktion 78 aktiviert werden, falls notwendig und eine Oszillation kann aktiviert werden 86.

Das Modell 73 kann basierend auf der Untersuchung der Vereisungsgefährdung und Überwachung der Temperaturen in dem Brennstoffzellensystem 2 angepasst werden 88.