DE102019128425A1

DE102019128425A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung'

Info

Publication number: DE102019128425A1
Application number: DE102019128425.2A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-04-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dem eine Brennstoffrezirkulationsleitung (7) mit einem Spülregelventil (10) zugeordnet ist, umfassend die Schritte des Ausführens eines ersten Betriebsmodus (12), in dem das Spülregelventil (10) in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen für einen Spülvorgang geöffnet und wieder geschlossen wird, und des Ausführens eines zweiten Betriebsmodus (13) bei Erreichen eines Schwellenwertes von mindestens einem Parameter, in dem das Spülregelventil (10) zumindest teilweise permanent geöffnet ist und in den ersten Betriebsmodus (12) zurück gewechselt wird, sobald der Schwellenwert nicht mehr erreicht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, dem eine Brennstoffrezirkulationsleitung mit einem Spülregelventil zugeordnet ist, umfassend die Schritte des Ausführens eines ersten Betriebsmodus, in dem das Spülregelventil in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen für einen Spülvorgang geöffnet und wieder geschlossen wird, und des Ausführens eines zweiten Betriebsmodus bei Erreichen eines Schwellenwertes von mindestens einem Parameter, in dem das Spülregelventil zumindest teilweise permanent geöffnet ist und in den ersten Betriebsmodus zurück gewechselt wird, sobald der Schwellenwert nicht mehr erreicht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Brennstoffzellenvorrichtungen dienen dazu, durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei in der elektrochemischen Reaktion ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, in der Regel Luft, der Brennstoffzelle als Reaktanten zugeführt werden. Dabei ist zu beachten, dass der Brennstoff in der Brennstoffzelle nicht vollständig verbraucht wird, sondern mit einem Anodenabgas die Brennstoffzelle hinsichtlich des nicht verbrauchten Anteils wieder verlässt, wobei das Anodenabgas ein Gasgemisch ist, das neben dem Brennstoff zum Beispiel auch Inertgas und Wasser umfasst. Um die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung zu erhöhen und den nicht verbrauchten Brennstoff nutzen zu können, erfolgt die Brennstoffzirkulation, bei der mittels eines Rezirkulationsgebläses in einer Brennstoffrezirkulationsleitung das Anodenabgas wieder zu dem Anodeneinlass der Brennstoffzelle rückgeführt wird, wo es mit frischem Brennstoff gemischt erneut für die elektrochemische Reaktion bereitgestellt wird. Dabei ergibt sich allerdings die Notwendigkeit, Wassertropfen und Inertgase aus der Gasverteilungsstruktur der Brennstoffzelle auszutreiben, wozu der Vorgang des „Purge“, also eines Spülens genutzt wird, bei dem die unerwünschten Bestandteile durch das Spülventil die Brennstoffzelle verlassen können.
Ein Spülsteuersystem und Spülsteuerverfahren zur Reinigung einer Brennstoffzelle ist in der DE 10 2014 223 737 A1 offenbart, bei denen mindestens ein Sensor die Druckwerte einer Anode und Kathode eines Brennstoffzellenstapels misst und ein Steuergerät die Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode auf einen vorgegebenen Referenzdruck regelt.
Die EP 2 822 074 A1 beschreibt ein Spülventil-Steuersystem, welches den Spülventil-Durchfluss auf die Weise kontrolliert, dass der Durchfluss auch konstant bleibt, wenn sich der Anodendruck verringert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, deren Effizienz bei erhöhten Lastanforderungen gesteigert ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem vorstehend genannten, erfindungsgemäßen Verfahren ist das Erreichen des Schwellenwertes ein Indikator für einen erhöhten Leistungsbedarf. Dieser kann durch den Wechsel in den zweiten Betriebsmodus bereit gestellt werden, weil dadurch der Partialdruck von Wasserstoff in der Brennstoffrezirkulationsleitung und damit im Brennstoffzellenstapel erhöht wird, wobei eine höhere Leistung bereit gestellt werden kann.
Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, dass der Parameter durch eine Lastanforderung und/oder eine Temperatur eines Kühlmittels oder der Umgebung gegeben ist, und dass das Erreichen des Schwellenwertes in einem Steuergerät ausgewertet wird, welches zwischen den zwei Betriebsmodi schaltet.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass im zweiten Betriebsmodus die Öffnung des Spülregelventils derart erfolgt, dass eine konstante Wasserstoff-Anodenkonzentration gegeben ist. Im ersten Betriebsmodus kommt es in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen zur Öffnung und Schließung des Spülregelventils. Infolgedessen kommt es in den Intervallen zwischen den Spülvorgängen zur Ansammlung von Inertgasen in der Brennstoffrezirkulationsleitung. Dies mindert die maximal mögliche Leistungsabgabe einer Brennstoffzellenvorrichtung. In bestimmten Betriebssituationen ist allerdings eine erhöhte Leistungsabgabe gewünscht oder sinnvoll. Dies wird durch eine derartige Öffnung des Spülregelventils erzielt, indem eine konstante Wasserstoff-Anodenkonzentration erreicht wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Größe des Öffnungsquerschnitts des Spülregelventils genutzt wird, um die Wasserstoff-Anodenkonzentration gemäß der Lastanforderung einzustellen, insbesondere eine Wasserstoff-Anodenkonzentration eingestellt und das Spülregelventil relativ weit geöffnet wird.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile realisieren sich auch bei einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie bei einem Kraftfahrzeug mit einer solchen.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematisierte Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
2 den Verlauf der Wasserstoff-Anodenkonzentration während des ersten und zweiten Betriebsmodus,
3 die Auswirkungen des Umschaltens von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus auf die Wasserstoff-Anodenkonzentration, die Systemleistung und die Abwärme.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist. Dem Brennstoffzellenstapel 2 wird über eine Kathodenfrischgasleitung 3 durch einen Verdichter 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist der Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Kathodenabgasleitung 6 verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 2 in einem Wasserstofftank 5 bereitgehaltener Wasserstoff zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anodenfrischgasleitung 8 fluidmechanisch verbunden. Mit einer Brennstoffrezirkulationsleitung 7 kann der in dem Brennstoffzellestapel 2 nicht verbrauchte Brennstoff den Anodenräumen stromauf des Brennstoffzellenstapels 2 erneut zugeführt werden, so dass dabei die Brennstoffrezirkulationsleitung 7 wieder in die Anodenfrischgasleitung 8 mündet. Da der Brennstoff in der Brennstoffzelle nicht vollständig verbraucht wird, sondern mit einem Anodenabgas die Brennstoffzelle hinsichtlich des nicht verbrauchten Anteils wieder verlässt, wobei das Anodenabgas ein Gasgemisch ist, das neben dem Brennstoff zum Beispiel auch Inertgas und Wasser umfasst, ist es sinnvoll, ein Spülen, das „Purgen“ durchzuführen. Dabei dient das Spülregelventil 10 dazu, den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb eines Anodenkreislaufes zu realisieren.
Mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung besteht die Möglichkeit der Durchführung eines Verfahrens, bei dem in der Brennstoffrezirkulationsleitung 7 ein Spülregelventil 10 zugeordnet ist, umfassend die Schritte des Ausführens eines ersten Betriebsmodus 12, in dem das Spülregelventil 10 in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen für einen Spülvorgang geöffnet und wieder geschlossen wird, und des Ausführens eines zweiten Betriebsmodus 13 bei Erreichen eines Schwellenwertes von mindestens einem Parameter, in dem das Spülregelventil zumindest teilweise permanent geöffnet ist und in den ersten Betriebsmodus 12 zurück gewechselt wird, sobald der Schwellenwert nicht mehr erreicht wird. Ein Parameter ist durch eine Lastanforderung und/oder eine Temperatur eines Kühlmittels oder der Umgebung gegeben, wobei das Erreichen des Schwellenwertes in einem Steuergerät ausgewertet wird, welches zwischen den zwei Betriebsmodi schaltet. Dabei wird im zweiten Betriebsmodus 13 die Öffnung des Spülregelventils 10 derart kontrolliert, dass eine konstante Wasserstoff-Anodenkonzentration gegeben ist (2). Der Öffnungsquerschnitts des Spülregelventils 10 wird derart gesteuert, dass eine Wasserstoff-Anodenkonzentration gemäß der Lastanforderung erreicht wird, insbesondere wird das Spülregelventil 10 für eine maximale Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 2 relativ weit geöffnet.
Die 2 zeigt den Verlauf der Wasserstoff-Anodenkonzentration während des ersten und des zweiten Betriebsmodus. Für den ersten Betriebsmodus ist es charakteristisch, dass die Wasserstoff-Anodenkonzentration Schwankungen unterliegt, während sie im zweiten Betriebsmodus einen konstanten Wert beibehält.
Die 3 verdeutlicht die Auswirkungen des Umschaltens 11 von dem ersten Betriebsmodus 12 in den zweiten Betriebsmodus 13 auf die Wasserstoff-Anodenkonzentration (oben), die Systemleistung (Mitte) und die Abwärme (unten), wobei die strichlierten Linien die stationär erreichbaren Größen im zweiten Betriebsmodus 13 zeigen. So kann die Wasserstoff-Anodenkonzentration nach dem Umschalten 11 in den zweiten Betriebsmodus 13 einen konstanten Wert beibehalten. Die Systemleistung kann durch das Wechseln in den zweiten Betriebsmodus 13 über das vorherige Niveau angehoben werden, wohingegen die Abwärme deutlich reduziert wird. Das Erreichen des Schwellenwertes für das Umschalten 11 aus dem ersten Betriebsmodus 12 in den zweiten Betriebsmodus 13 kann auch mittels modellbasierter Berechnungen ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Kathodenfrischgasleitung
4: Verdichter
5: Wasserstofftank
6: Kathodenabgasleitung
7: Brennstoffrezirkulationsleitung
8: Anodenfrischgasleitung
9: Anodenabgasleitung
10: Spülregelventil
11: Umschalten
12: Erster Betriebsmodus
13: Zweiter Betriebsmodus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014223737 A1 [0003]
EP 2822074 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dem eine Brennstoffrezirkulationsleitung (7) mit einem Spülregelventil (10) zugeordnet ist, umfassend die Schritte des Ausführens eines ersten Betriebsmodus, in dem das Spülregelventil (10) in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen für einen Spülvorgang geöffnet und wieder geschlossen wird, und des Ausführens eines zweiten Betriebsmodus bei Erreichen eines Schwellenwertes von mindestens einem Parameter, in dem das Spülregelventil (10) zumindest teilweise permanent geöffnet ist und in den ersten Betriebsmodus zurück gewechselt wird, sobald der Schwellenwert nicht mehr erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter durch eine Lastanforderung und/oder eine Temperatur eines Kühlmittels oder der Umgebung gegeben ist, und dass das Erreichen des Schwellenwertes in einem Steuergerät ausgewertet wird, welches zwischen den zwei Betriebsmodi schaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus die Öffnung des Spülregelventils (10) derart erfolgt, dass eine konstante Wasserstoff-Anodenkonzentration gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Öffnungsquerschnitts des Spülregelventils (10) genutzt wird, um die Wasserstoff-Anodenkonzentration gemäß der Lastanforderung einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels modellbasierter Berechnungen das Erreichen des Schwellenwertes ermittelt wird.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dem eine Brennstoffrezirkulationsleitung (7) mit einem Spülregelventil (10) zugeordnet ist, und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6.