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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens auszuführen.
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Stand der Technik
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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.
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Durch Diffusionsprozesse über die Brennstoffzelle gelangt Stickstoff auf die Seite der Anode in den Rezirkulationskreis. Eine weitere Quelle von Stickstoff stellt der frische Brennstoff dar, der nicht zu 100% aus reinem H2 besteht. Stickstoff stellt für die Brennstoffzelle ein Inertgas dar, reduziert die Zellspannung und somit die Stackspannung, was wiederum Wirkungsgradeinbußen bedeutet. Deswegen wird während eines Fahrzyklus wiederholt Anodengas aus dem Rezirkulationskreis ausgeleitet, um den Stickstoffgehalt zu reduzieren. Diese Ausleitung geschieht mit dem so genannten Purgeventil.
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Die Versorgung mit frischem Wasserstoff erfolgt nach dem Stand der Technik mittels Wasserstoffdosierventilen welche als Proportionalventil ausgeführt sein können. Die Regelstrategie sieht vor, mit diesem Ventil den Gasdruck innerhalb des Anodenpfads, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck einzuregeln. Gründe für das Nachfördern von frischem Wasserstoff können sein a) Verbrauch von H2 durch die elektrochemische Umwandlung b) sonstige Verluste von Gasmolekülen aus dem Anodenraum durch langes Öffnen des Drain-Ventils wenn nach vollständiger Wasserentleerung Gas ausgeleitet wird sowie durch das Öffnen des Purgeventils.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das eine zuverlässige und zugleich kostengünstige Überprüfung des Purgeventils ermöglicht.
Gleichzeit kann die Funktionstüchtigkeit des Mitteldrucksensors in der Brennstoffleitung überprüft werden.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird mindestens einer Brennstoffzelle über eine Brennstoffleitung Wasserstoff aus einem Tank sowie rezirkulierter Wasserstoff aus einem Rezirkulationskreis als Anodengas zugeführt. Da sich im Laufe der Zeit, Stickstoff, Wasser und zu einem geringen Anteil weitere Gase im Anodengas des Rezirkulationskreises ansammeln, kann das Anodengas durch zeitweises Öffnen eines Purgeventils aus dem System entfernt werden.
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Es werden dabei folgende Schritte ausgeführt:
- - Öffnen des Purgeventils,
- - Erfassen des Druckabfalles in der Brennstoffleitung stromaufwärts von einem Wasserstoffdosierventil,
- - Überprüfen, ob die Ventilkennlinie des Purgeventils mit einem aus dem Druckabfall berechneten Molenstrom übereinstimmt.
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Wenn das Purgeventil geöffnet wird, entweicht mit Öffnen des Purgeventils Anodengas aus dem Rezirkulationskreis. Der Solldruck im Rezirkulationskreis verändert sich dabei und sinkt unter den angestrebten Solldruck. Zur Aufrechterhaltung des Solldrucks muss Wasserstoff über das Wasserstoffdosierventil in den Rezirkluationskreis nachströmen. Um der erhöhten Forderung nach Wasserstoff zu entsprechen, wird das geöffnete Wasserstoffdosierventil noch weiter geöffnet. Dies erfolgt sprunghaft und kann als Druckveränderung in der Brennstoffleitung stromaufwärts vom Wasserstoffdosierventil erfasst werden.
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Durch das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren kann anhand der Druckänderung in der Brennstoffleitung bestimmt werden, wieviel Anodengas durch das Purgeventil den Rezirkulationskreis verlassen hat. Dieser Molenstrom kann genutzt werden, um die Ventilkennlinie des Purgeventils zu kalibrieren. Dies ist von Vorteil, da das Purgeventil produktionsbedingt eine Streuung der Ventilkennline (Volumenstrom über Druck) von bis zu +- 10% aufweisen kann. Zudem driftet die Ventilkennlinie über die Lebensdauer. So kann das Purgeventil und somit die Brennstoffzellensystemregelung durch das vorgeschlagene Verfahren auf einfache Weise kalibriert werden. Dies führt in Summe zu einem geringeren Wasserstoffverbrauch.
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Es ist von Vorteil, wenn zum Erfassen der sprunghaften Änderung des Druckes in der Brennstoffleitung das Signal eines Drucksensors in der Brennstoffleitung ausgewertet wird, da dies eine einfache und genaue Möglichkeit zum Erfassen einer Druckveränderung ist.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn zum Erfassen der sprunghaften Änderung des Druckes in der Brennstoffleitung der Aktorstrom zur Ansteuerung des Wasserstoffdosierventils ausgewertet wird, da keine zusätzlichen Kosten durch den Drucksensor entstehen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass Signale, die der Auswertung des Aktorstroms zugrunde gelegt werden, zuvor einer Filterung unterzogen und/oder zeitlich gemittelt werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Auswertung erhöht werden.
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Es kann bei der Auswertung des Druckes eine Entprellzeit des Purgeventils berücksichtigt werden. Das heißt, dass ein gewisser zeitlicher Versatz zwischen der Ansteuerung und des Öffnens des Purgeventils in die Auswertung miteinfließt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Auswertung weiter gesteigert werden.
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Um sicherzustellen, dass im Rezirkulationskreis nur noch Wasserstoff aus dem Tank vorhanden ist, kann auf vorteilhafte Weise abgewartet werden bis der Druckabfall in der Brennstoffleitung einen Plateauwert erreicht hat. Auf diese Weise kann man auf die Gaszusammensetzung im Rezirkulationskreis schließen, welche vorab abhängig vom Systembetrieb durch Systemversuche bestimmt wurde.
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Bei einem Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Brennstoffzellenstacks mit jeweils einer Brennstoffleitung, jeweils einen Rezirkulationskreis und jeweils einen Purgeventil ist es vorteilhaft, wenn die Purgeventile entkoppelt voneinander betrieben werden, so dass jeweils nur ein Purgeventil geöffnet sein kann. Auf diese Weise lässt sich der Druckabfall eindeutig einem Purgeventil zuweisen.
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Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann mit Hilfe des Steuergeräts der zur Ansteuerung des Wasserstoffdosierventils erforderliche Aktorstrom erfasst und ausgewertet werden. Zur Auswertung des Aktorstroms ist vorzugsweise im Steuergerät ein entsprechender Algorithmus hinterlegt.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels und
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101.
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Der Brennstoffzellenstack 101 weist eine Kathodenseite 105 und eine Anodenseite 103 auf. Die Anodenseite 103 wird über eine Brennstoffleitung 20 mit Wasserstoff versorgt. Die Brennstoffleitung 20 befindet sich zwischen einem Druckregelventil 22 und einem Wasserstoffdosierventil 51.
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Stromaufwärts vom Druckregelventil 22 befindet sich ein Hochdrucktank 21, welcher über eine weitere Leitung mit dem Druckregelventil 22 verbunden ist. Es können weitere Komponenten in der weiteren Leitung und der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anodenseite 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen. Mit Hilfe des Druckregelventils 22 strömt in die Brennstoffleitung 20 so viel Wasserstoff, so dass sich der Druck in der Brennstoffleitung 20 auf einem möglichst konstanten Wert befindet.
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Überschüssiger Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite 103 diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.
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Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise ein Gebläse 52 oder eine Jetpump verbaut sein. Am Übergang zwischen Brennstoffleitung 20 und Rezirkulationskreis 50 ist das Wasserstoffdosierventil 51 angeordnet.
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Das Wasserstoffdosierventil 51 stellt die Versorgung des Rezirkulationskreises 50 mit frischem Wasserstoff sicher. Das Wasserstoffdosierventil 51 kann als Proportionalventil ausgeführt sein können. Die Regelstrategie im Brennstoffzellensystem 1 sieht vor, mit dem Wasserstoffdosierventil 51 den Gasdruck innerhalb des Rezirkulationskreises 50 systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck einzuregeln. Gründe für das Nachfördern von frischem Wasserstoff können der Verbrauch von Wasserstoff durch die elektrochemische Umwandlung innerhalb des Brennstoffzellenstacks 101 sein oder sonstige Verluste von Gasmolekülen aus dem Rezirkulationskreis 50, wie durch das Öffnen des Drainventils 45 oder des Purgeventils 41.
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Falls es zu einer Änderung des Betriebspunktes kommt, werden durch das Wasserstoffdosierventil 51 kurzfristig größere oder kleinere Mengen an Wasserstoff aus der Brennstoffleitung 20 in den Rezirkulationskreis 50 gefördert. Da das Druckregelventil 22 in seinem Verhalten langsamer reagiert als das Wasserstoffdosierventil 51, kann es kurzfristig zu Schwankungen des Druckes in der Brennstoffleitung 20 kommen.
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Im Rezirkulationskreis 50 ist ein Wasserabscheider 2 integriert, um Wasser aus dem Anodengas, welches sich im Rezirkulationskreis 50 befindet, abzuscheiden. Der Wasserabscheider 2 weist einen Behälter zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers auf. Um diesen Behälter zu entleeren, ist der Wasserabscheider 2 über ein Drainventil 45 mit einer Drainleitung 46 verbunden. Die Drainleitung 46 führt das überschüssige Wasser typischerweise in eine Abgasleitung, welche mit der Umgebung verbunden ist.
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In der Brennstoffleitung 20 ist ein Drucksensor 25 angeordnet. Der Drucksensor 25 ist stromaufwärts des Wasserstoffdosierventils 51 angeordnet und misst den Druck zwischen dem Druckregler 22 und dem Wasserstoffdosierventil 51 in der Brennstoffleitung 20.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass nach dem Öffnen und während des Öffnens des Purgeventils 41 bzw. sobald das Purgeventil 41 geöffnet ist, der Druck in der Brennstoffleitung 20 stromaufwärts vom Wasserstoffdosierventil 51 erfasst wird.
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Anhand des Druckabfalles innerhalb der Brennstoffleitung 20, der sich aus dem Öffnen des Purgeventils 41 ergibt, kann der Molenstrom der durch das Purgeventil 41 aus dem Rezirkulationskreis 50 geflossen ist, berechnet werden.
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Dieser Molenstrom, der sich aus einer Berechnung anhand des Druckabfalls in der Brennstoffleitung 20 ergibt, wird nun mit dem Molenstrom, welcher sich aus der Ventilkennlinie des Purgeventils 41 ergibt, verglichen.
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Zu dem Purgeventil 41 ist eine Ventilkennlinie hinterlegt, welche den Durchfluss oder den Durchflusskoeffizienten in Abhängigkeit vom Ventilhub angibt. Mit Hilfe des Durchflusskoeffizienten und des jeweils im Ventils anliegenden Druckverlustes lässt sich dann der Durchfluss bestimmen.
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Die Ventilkennlinie des Purgeventils 41 bzw. der Molenstrom, der sich hieraus ergibt, kann mit dem aus dem Druckabfall in der Brrennstoffleitung 20 berechneten Molenstrom verglichen werden. Liegt eine Abweichung vor, so kann das Purgeventil 41 und somit die Brennstoffzellensystemregelung erneut kalibriert werden. Hierzu wird eine neue Ventilkennlinie in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems 1 hinterlegt.
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Zum Erfassen des Druckes in der Brennstoffleitung 20 kann gemäß einer ersten Ausführungsform das Signal des Drucksensors 25 in der Brennstoffleitung 20 ausgewertet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zum Erfassen der Änderung des Druckes in der Brennstoffleitung 20 der Aktorstrom zur Ansteuerung des Wasserstoffdosierventils 51 ausgewertet werden. Steigt der Aktorstrom über einen Schwellenwert an, wird viel Brennstoff durch das Wasserstoffdosierventil 51 in den Rezirkulationskreis 50 gefördert. Der Druck in der Brennstoffleitung 20 zwischen Druckregelventil 22 und Wasserstoffdosierventil 51 fällt folglich ab.
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Zum Auswerten des Aktorstroms kann ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems 1 verwendet wird, mit dessen Hilfe das Wasserstoffdosierventil 51 angesteuert wird.
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Vorzugsweise sollte keine Änderung der Betriebsbedingungen oder der Last während des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen, falls dies doch eintritt, wird eine eintretende Laständerung bei der Auswertung des Aktorstroms oder Druckes berücksichtigt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann zur Bestimmung des Molenstromes abgewartet werden bis der Druckabfall in der Brennstoffleitung 20 einen Plateauwert erreicht hat. Dies ist der Fall, wenn das Anodengas mit einer Mischung aus Wasserstoff, Stickstoff, Wasser und anderen Gasen vollständig durch das Purgeventil 41 entleert wurde und im Rezirkulationskreis 50 nur noch Wasserstoff aus dem Tank 21 vorliegt.
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2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit mindestens zwei Brennstoffzellenstacks 101, wobei jeder Brennstoffzellenstack jeweils einer Brennstoffleitung 20, jeweils einen Rezirkulationskreis 50 jeweils ein Purgeventils 41, jeweils ein Wasserstoffdosierventil 51, jeweils ein Druckregelventil 22 und jeweils einen Drucksensor 25, welcher in der Brennstoffleitung 20 angeordnet ist, aufweist. Auch die weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 mit mindestens zwei Brennstoffzellenstacks 101 unterscheiden sich nicht von der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnung. Ein einzelner Wasserstofftank 21 oder ein Tanksystems sind mit einer weiteren Leitung 20a verbunden, welche eine Verzweigung aufweist und mit den jeweiligen Druckregelventilen 22 verbunden ist.
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Bei der Überprüfung, ob die Ventilkennlinie des Purgeventils 41 mit einem aus dem Druckabfall berechneten Molenstrom übereinstimmt, sollten Einflüsse und Druckschwankungen durch das Öffnen mindestens eines weiteren Purgventils 41 vermieden werden. Das Purgeventile 41 kann eindeutig einem Drucksensor 25 des jeweiligen Brennstoffzellenstacks 101 zugeordnet werden, wenn die Purgeventile 41 entkoppelt voneinander betrieben werden, so dass jeweils nur ein Purgeventil 41 geöffnet sein kann.