Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellensystems. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.

Stand der Technik

Eine PEM-Brennstoffzelle weist eine Polymer-Elektrolyt-Membran auf, die zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Mit Hilfe der PEM- Brennstoffzelle können Wasserstoff, welcher der Anode zugeführt wird, und Sauerstoff, welcher in Form von Luft der Kathode zugeführt wird, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, werden in der praktischen Anwendung mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, zusammengefasst.

Da aus einer PEM-Brennstoffzelle austretendes Anodengas in der Regel noch unverbrauchten Wasserstoff enthält, wird es rezirkuliert und erneut der Anode in einem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Die Rezirkulation kann dabei passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses realisiert werden. Über die Zeit reichert sich das rezirkulierte Anodengas jedoch mit Stickstoff und Wasser an, wobei das Wasser in Form von Wasserdampf und Flüssigwasser vorliegen kann. Flüssiges Wasser wird in der Regel mit Hilfe eines Wasserabscheiders entfernt. Dieser kann als eigenständige Komponente im Anodenkreis angeordnet oder in ein Rezirkulationsgebläse integriert sein. Der Wasserabscheider umfasst üblicherweise einen Behälter, in dem das abgeschiedene Flüssigwasser gesammelt wird. Durch Öffnen eines Ventils, dem sogenannten Drainventil, kann der Behälter geleert werden. Der Öffnungszeitpunkt hängt dabei vom Füllstand des Behälters ab. Er sollte so gewählt werden, dass der Behälter nicht überläuft. Denn mit Überlaufen des Behälters kann flüssiges Wasser in nachgeschaltete Komponenten, beispielsweise in ein nachgeschaltetes Rezirkulationsgebläse, gelangen.

Die im Betrieb eines Brennstoffzellensystems anfallende Menge an Wasser hängt von verschiedenen Betriebsparametern ab und kann stark variieren.

Ferner können Wärmeverluste, beispielsweise im Abstellfall, zu einem Auskondensieren von Wasser führen, so dass sich der Flüssigwasseranteil erhöht. Der Füllstand im Behälter zum Sammeln von Flüssigwasser wird daher in der Regel mit Hilfe eines Füllstandssensors überwacht. In mobilen Anwendungen ist der Füllstandssensor jedoch Schwankungen und/oder Vibrationen ausgesetzt, die Einfluss auf das Messergebnis haben können, so dass der Einsatz eines Füllstandssensors problematisch ist. Darüber hinaus erhöht der Einsatz eines Füllstandssensors die Kosten.

Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das eine zuverlässige und zugleich kostengünstige Überwachung des Füllstands in einem Behälter zum Sammeln von abgeschiedenem Wasser ohne Füllstandssensor ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens bzw. einzelner Verfahrensschritte angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Beim dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel wird einer Anode im Brennstoffzellenstapel über einen Anodenkreis ein Anodengas zugeführt, das frischen und rezirkulierten Wasserstoff umfasst. Im Anodengas enthaltenes Flüssigwasser wird mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Wasserabscheiders abgeschieden, in einem Behälter gesammelt und durch zeitweises Öffnen eines Drainventils aus dem System entfernt. Erfindungsgemäß wird zur Detektion eines vollen Behälters die Ist-Temperatur des Anodengases im Eintrittsbereich der Anode im Brennstoffzellenstapel mit einer Soll-Temperatur verglichen. Bei Unterschreiten der Soll-Temperatur wird auf einen vollen Behälter geschlossen und das Drainventil wird geöffnet.

Das Verfahren geht von folgenden Annahmen aus:

Aus der Anode austretende Anodengas kann eine relative Feuchte (rH) von 0 % bis übersättigt aufweisen. Neben gesättigtem Anodengas kann demnach auch flüssiges Wasser austreten. Das flüssige Wasser wird im Wasserabscheider abgeschieden und im dafür vorgesehenen Behälter gesammelt. Liegt ein Wasserabscheider mit maximalem Abscheidegrad vor, hat das Anodengas stromabwärts des Wasserabscheiders eine relative Feuchte, die 0 bis 100 % bei idealer Abscheidung betragen kann. Bei nicht idealer Abscheidung ist darüber hinaus ein Flüssigwasseranteil enthalten.

Die relative Feuchte (rH) des frisch eindosierten Wasserstoffs beträgt 0 %.

In Kenntnis der Zustände der beiden Stoffströme kann nach der Konodenregel, auch bekannt als „Gesetz der abgewandten Hebelarme“, eine adiabate Mischtemperatur im Eintrittsbereich der Anode berechnet werden. Dieser Wert gibt die zu erwartende Temperatur, das heißt die Soll-Temperatur vor. Wird die Soll-Temperatur unterschritten, lässt dies auf einen vollen Behälter schließen. Denn bei einem vollen Behälter verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Wasserabscheiders und es wird weniger flüssiges Wasser abgeschieden. Dieses vermischt sich mit dem frisch eindosierten Wasserstoff und es kommt zu einer Nachverdampfung des flüssigen Wassers. Die adiabate Mischtemperatur sinkt dann unter den Wert der Mischtemperatur im Idealbetrieb. Aus dem Absinken der Temperatur im Eintrittsbereich der Anode kann nunmehr geschlossen werden, dass der Behälter zum Sammeln des abgeschiedenen flüssigen Wassers voll ist bzw. einen maximalen Füllstand erreicht hat. Durch Öffnen des Drainventils kann dann der Behälter geleert werden.

Die Erkennung, dass der Behälter voll ist, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt keinen Füllstandssensor, so dass die eingangs genannten Nachteile beseitigt werden. Das Verfahren kann zudem einfach und kostengünstig umgesetzt werden. Bevorzugt wird die Ist-Temperatur des Anodengases im Eintrittsbereich der Anode im Brennstoffzellenstapel mit Hilfe eines Temperatursensors gemessen. Durch Messen der Ist-Temperatur liegen verlässliche Temperaturwerte vor. Da üblicherweise die Temperatur im Eintrittsbereich der Anode gemessen wird, kann auf einen bereits vorhandenen Temperatursensor zurückgegriffen werden, so dass kein zusätzlicher Sensor vorgesehen werden muss. Das Verfahren kann somit noch einfacher und kostengünstiger umgesetzt werden.

Ferner bevorzugt wird die Soll-Temperatur vorab berechnet, wobei die Zusammensetzung des Anodengases berücksichtigt wird. Dabei wird die Zusammensetzung, das heißt der Anteil an frischem Wasserstoff sowie der Anteil an rezirkuliertem Wasserstoff, als bekannt vorausgesetzt. Die vorab berechnete Soll-Temperatur kann in einem Steuergerät hinterlegt werden, mit dessen Hilfe dann bei der Durchführung des Verfahrens der Vergleich der Ist-Temperatur mit der Soll-Temperatur vorgenommen werden kann.

Vorzugsweise werden bei der Berechnung der Soll-Temperatur alle Vorgänge bei konstanten Betriebsbedingungen als isobar angenommen.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass vor dem Öffnen des Drainventils eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird. Auf diese Weise kann ein unnötiges Öffnen des Drainventils bei nicht vollem Behälter verhindert werden. Bei der Plausibilitätsprüfung wird vorzugsweise geprüft, ob ein Unterschreiten der Soll- Temperatur auf mindestens einen anderen die Temperatur des Anodengases im Eintrittsbereich der Anode beeinflussenden Faktor, wie beispielsweise die Außentemperatur, zurückzuführen ist. Der Zeitablauf seit dem letzten Öffnen des Drainventils kann ebenfalls zur Plausibilitätsprüfung herangezogen werden.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass nach dem Schließen des Drainventils eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird. Nach dem Schließen sollte die Ist-Temperatur annähernd der soll-Temperatur entsprechen, da der Behälter geleert worden ist. Ist dies nicht der Fall, kann dies als Indiz dafür gesehen werden, dass die Temperaturabsenkung nicht auf einen vollen Behälter zurückzuführen ist. Um die Plausibilitätsprüfung durchzuführen, wird vorzugsweise die aktuelle Ist-Temperatur des Anodengases im Eintrittsbereich der Anode gemessen und mit der Ist-Temperatur vor dem Öffnen des Drainventils verglichen. Vorteilhafterweise wird von der Ist-Temperatur auf die relative Feuchte des Anodengases im Eintrittsbereich der Anode geschlossen. Das Verfahren kann somit zugleich zur Regelung der Feuchte genutzt werden. Bei Bedarf können dann Maßnahmen zur Feuchteregelung eingeleitet werden. Beispielsweise kann das Anodengas beheizt werden. Alternativ oder ergänzend kann eine Betriebspunktänderung vorgenommen werden.

Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann mit Hilfe des Steuergeräts der Vergleich der Ist-Temperatur mit der Soll- Temperatur durchgeführt werden. Im Steuergerät ist hierzu bevorzugt mindestens eine Soll-Temperatur hinterlegt. Vorzugsweise sind mehre Soll- Temperaturen für unterschiedliche Anodengas-Zusammensetzungen und/oder Betriebspunkte hinterlegt. Sollte ein voller Behälter erkannt werden, kann mit Hilfe des Steuergeräts das Drainventil angesteuert und geöffnet werden, um den Behälter zu leeren.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Anodenkreises eines Brennstoffzellensystems mit integriertem Wasserabscheider und

Fig. 2 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Temperaturverlaufs über die Zeit.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Anodenkreis 3 eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel 1. Über den Anodenkreis 3 wird einer Anode 2 im Brennstoffzellenstapel 1 ein Anodengas zugeführt, das frischen Wasserstoff sowie rezirkulierten Wasserstoff umfasst. Das Anodengas wird der Anode 2 über einen Eintrittsbereich 7 zugeführt. Über einen Austrittsbereich 8 aus der Anode 2 austretendes abgereichertes Anodengas wird über den Anodenkreis 3 rezirkuliert. Die Rezirkulation wird mit Hilfe einer Strahlpumpe 10 bewirkt, die frischen Wasserstoff als Treibmedium nutzt. Der frische Wasserstoff wird in einem Tank (nicht dargestellt) unter hohem Druck bevorratet und mit Hilfe eines Dosierventils 9 in den Anodenkreis 3 eindosiert.

Vor dem Eindosieren in den Anodenkreis 3 muss bzw. müssen der Druck und/oder die Temperatur auf ein geeignetes Niveau gebracht werden. Zur Temperierung des Wasserstoffs kann beispielsweise ein Wärmeübertrager 11 vorgesehen sein.

Das über den Austrittsbereich 8 austretende Anodengas wird einem stromaufwärts der Strahlpumpe 10 in den Anodenkreis 3 integrierten Wasserabscheider 4 zugeführt, da das austretende Anodengas nicht nur Wasserdampf, sondern auch Wasser in flüssiger Form enthält. Über den Wasserabscheider 4 wird das flüssige Wasser abgeschieden, so dass im Idealfall das rezirkulierte Anodengas kein flüssiges Wasser mehr enthält. Das mit Hilfe des Wasserabscheiders 4 abgeschiedene Wasser wird in einem Behälter 5 gesammelt, der vorliegend in den Wasserabscheider 4 integriert ist. Bei vollem Behälter 5 können ein am Behälter 5 angeordnetes Drainventil 6 geöffnet und der Behälter 5 geleert werden.

Um zu erkennen, ob der Behälter 5 voll ist, kann erfindungsgemäß die Ist- Temperatur im Eintrittsbereich 7 der Anode 2 gemessen und mit einer Soll- Temperatur verglichen werden. Denn sinkt die Ist-Temperatur bei konstanten Systembetriebsbedingungen, kann auf einen vollen Behälter 5 geschlossen werden. In diesem Fall sollte das Drainventil 6 geöffnet und der Behälter 5 geleert werden. Die Ist-Temperatur sollte danach wieder ansteigen. Durch eine erneute Messung der Ist-Temperatur kann demnach eine Plausibilitätsprüfung vorgenommen werden.

In der Fig. 2 ist beispielhaft der Verlauf der Ist-Temperatur T im Eintrittsbereich 7 einer Anode 2 über die Zeit t dargestellt. Das deutliche Absinken der Temperatur (siehe Pfeil) lässt einen vollen Behälter 5 erkennen. Denn bei vollem Behälter verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Wasserabscheiders 4, so dass die Feuchte des Anodengases im Eintrittsbereich 7 steigt. Zugleich sinkt die adiabate Mischtemperatur unter den Wert der Mischtemperatur bei idealer Wasserabscheidung. Das Verfahren kann weiterhin verwendet werden, die Eintrittsbedingungen bezüglich relativer Feuchte des Anodengases zu erkennen und ggf. systemische Maßnahmen einzuleiten.