DE102019201065A1

DE102019201065A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung und Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102019201065A1
Application number: DE102019201065.2A
Authority: DE
Inventors: Leonard Liphardt; Steffen Zinner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle in einem eine elektrische Speicherzelle und einen Traktionsmotor aufweisenden Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte des Detektierens (2) des Wassergehaltes in der Brennstoffzelle und des Feststellens, wenn ein Schwellenwert des Wassergehaltes überschritten ist, Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung aus dem Normalbetrieb (1) in einen Standby-Modus (4), in dem der Traktionsmotor aus der elektrischen Speicherzelle gespeist und der Wassergehalt in der Brennstoffzelle gesenkt wird, sowie Beenden des Standby-Modus (4). Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle in einem eine elektrische Speicherzelle und einen Traktionsmotor aufweisenden Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte des Detektierens des Wassergehaltes in der Brennstoffzelle und des Feststellens, wenn ein Schwellenwert des Wassergehaltes überschritten ist, Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung aus dem Normalbetrieb in einen Standby-Modus, in dem der Traktionsmotor aus der elektrischen Speicherzelle gespeist und der Wassergehalt in der Brennstoffzelle gesenkt wird, sowie Beenden des Standby-Modus. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Brennstoffzellen werden für die Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion eingesetzt, bei der Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Dafür weisen Brennstoffzellen einen komplexen Aufbau auf mit einer Membranelektrodenanordnung, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist, wobei die Elektroden über Bipolarplatten mit den erforderlichen Reaktanten versorgt werden, wozu in dem Plattenkörper der Bipolarplatten Strömungskanäle ausgebildet sind. Um die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme abführen zu können, verfügen die Bipolarplatten weiterhin über Leitungen für ein Kühlmittel. Sofern die durch eine Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung nicht ausreicht, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen, der gemeinsam mit den zur Versorgung und Konditionierung der Reaktanten erforderlichen Nebenaggregaten wie Verdichter, Befeuchter, Ladeluftkühler, Rezirkulationsgebläse, Hauptwasserkühler und Umwälzpumpe die Brennstoffzellenvorrichtung bildet.
Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über den Gaseinlasskanal in die Bipolarplatten geleitet, die eine Verteilung der Reaktanten bewirken soll, um die gesamte Fläche der Membranelektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen und nicht verbrauchte Reaktanten über den Gasauslasskanal abzuleiten. Bei der elektrochemischen Reaktion entsteht aus den Edukten auch Produktwasser insbesondere auf der Kathodenseite, wobei aber durch Diffusion beziehungsweise Osmose Produktwasser auch auf die Anodenseite gelangt. Ein Flüssigwasseraustrag ist daher erforderlich, damit die Brennstoffzelle verlässlich und dauerhaft betrieben werden kann.
Beim Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung wird also aus den Edukten Wasserstoff und Sauerstoff Produktwasser generiert, das durch ein geeignetes Wassermanagement genutzt wird, um den Feuchtegehalt in der Brennstoffzelle auf dem erforderlichen Niveau zu halten und insbesondere auch die der Brennstoffzelle zugeführten Edukte zu befeuchten. Problematisch ist allerdings, dass in der Brennstoffzelle vorliegendes Wasser nach deren Stopp bei einem nachfolgenden Neustart unter Frostbedingungen nicht als Flüssigwasser, sondern im gefrorenen Zustand vorliegen kann, so dass insbesondere auch die Kanäle in der Brennstoffzelle zu deren Versorgung mit den Edukten blockiert sind bzw. sein können. Es ist daher bekannt, nach dem Stopp der Brennstoffzellenvorrichtung im Rahmen der Abschaltprozedur die Brennstoffzelle zu trocknen und somit das Wasser aus dieser auszutragen.
In der EP 2 824 742 A1 ist ein Verfahren beschrieben, um effektiv das in der Brennstoffzelle vorliegende Wasser nach deren Stopp zu reduzieren.
In der US 2007/0231639 A1 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug beschrieben, bei dem der zu erwartende Stopp des Betriebes vorhergesagt und die Betriebsweise dann so modifiziert wird, dass die Menge des in der Brennstoffzelle befindlichen Wassers reduziert wird.
Die im Zusammenhang mit dem Stopp der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgende Reduzierung der Wassermenge verlängert die Abschaltprozedur und beeinträchtigt damit die Nutzerfreundlichkeit und Alltagstauglichkeit des die Brennstoffzellenvorrichtung aufweisenden Kraftfahrzeuges.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, durch die die Alltagstauglichkeit des Kraftfahrzeuges verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass nicht singulär beim Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung der Wassergehalt zur Berücksichtigung eines späteren Startes unter Frostbedingungen gesenkt wird, sondern dass jedes Mal, wenn der Schwellenwert des Wassergehaltes überschritten ist, die gegebene Konfiguration der Brennstoffzellenvorrichtung in einem eine elektrische Speicherzelle und einen Traktionsmotor aufweisenden Kraftfahrzeug ausgenutzt wird, indem die Brennstoffzelle aus dem Normalbetrieb in einen Standby-Modus überführt wird, indem zum einen der Wassergehalt in der Brennstoffzelle gesenkt wird und zum anderen die Versorgung des Traktionsmotors in dem Kraftfahrzeug durch die elektrische Speicherzelle gewährleistet ist, so dass im Ergebnis bei einem nachfolgenden Stopp des Kraftfahrzeuges und dem Beenden des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung deren Wassergehalt abgesenkt ist, also eine gegebenenfalls erforderliche Trocknung weniger Zeit beansprucht. Dabei besteht die vorteilhafte Möglichkeit, dass der Traktionsmotor im Standby-Modus der Brennstoffzelle ausschließlich von der Speicherzelle, vorzugsweise von einer Hochvoltbatterie, elektrisch gespeist wird, um den Fahrbetrieb aufrecht zu erhalten. Wenn der Standby-Modus beendet wird, wird die Brennstoffzellenvorrichtung vorzugsweise wieder in den Normalbetrieb überführt. Auch kann selbstverständlich aus dem Standby-Modus nicht nur in den Normalbetrieb sondern auch zum Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung gewechselt werden, wenn zum Beispiel während des Standby-Modus das Fahrziel erreicht wird.
Im Sinne der Verbesserung der Gebrauchstauglichkeit ist weiterhin vorgesehen, dass vor der Gewährung des Standby-Modus durch das Fahrzeugsteuergerät die momentane Leistungsanforderung an den Traktionsmotor geprüft wird und die Gewährung des Standby-Modus für den Fall einer sinkenden und/oder gleichbleibenden Leistungsanforderung erfolgt. Durch diesen Verfahrensschritt ist gewährleistet, dass der Wechsel von dem Normalbetrieb in den Standby-Modus keine Beeinträchtigung des Fahrbetriebs und damit der Gebrauchstauglichkeit des Kraftfahrzeuges bewirkt, weil bei einer starken Beschleunigung die durchgehende Versorgung des Traktionsmotors gewährleistet ist und beispielsweise bei einem Überholvorgang auf einer Landstraße die Belange der Verkehrssicherheit gewahrt bleiben.
Diesem Ziel dient auch, dass das Beenden des Standby-Modus und eine Überführung in den Normalbetrieb erfolgt, wenn die Leistungsanforderung steigt und/oder der Wassergehalt unter den Schwellenwert oder einen Grenzwert sinkt und/oder der Ladezustand der elektrischen Speicherzelle unter ein Grenzniveau sinkt. Diese Randbedingungen sind vorgegeben, um eine möglichst unauffällige Beeinflussung des Wassergehaltes in der Brennstoffzelle vornehmen zu können, ohne dass der Nutzer des Kraftfahrzeuges das im Hintergrund erfolgende Walten des Wassermanagements als nachteilig für den Fahrbetrieb empfindet.
Ergänzend besteht auch die Möglichkeit, dass das Beenden des Standby-Modus nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitdauer erfolgt, also sichergestellt ist, dass selbst für den Fall einer langandauernden geringen Leistungsanforderung der Normalbetrieb den Standardzustand darstellt.
Bei erwartetem oder tatsächlichem Erreichen des Fahrziels ist es außerdem von Vorteil, wenn das Beenden des Standby-Modus durch Initiierung einer Abschaltprozedur der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt. Somit besteht die Möglichkeit, die zum Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung oder des Kraftfahrzeugs notwendigen Maßnahmen auch unmittelbar im Anschluss des Standby-Modus einzuleiten und durchzuführen.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass bei dem Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den oder im Standby-Modus die Brennstoffkonzentration gesenkt wird. Diese Senkung der Wasserstoffkonzentration, die beispielsweise durch Unterdrückung eines „Purges“ erzielt werden kann, führt zu einer Stickstoffanreicherung, was infolge der höheren Viskosität des Stickstoffs das Austragen des Wassers positiv beeinflusst.
Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, dass bei dem Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den oder im Standby-Modus die Brennstoffzelle mit dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel gespült wird, also zum Zwecke eines schnellen und effektiven Senkens des Wassergehaltes Reaktanten bereitgestellt werden, um die Dauer des Standby-Modus kurz zu halten.
Für den Schritt des Feststellens des Überschreitens des Schwellenwertes des Wassergehaltes ist eine Auswertung des Zellspannungsbildes und/oder eine Berechnung der Generierung und/oder Akkumulation von Produktwasser möglich.
Die vorstehend erwähnten Verfahrensschritte und Verfahrensvariationen können von einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt werden. Die in Verbindung mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung .
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens.

Eine Brennstoffzelle einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die in einer Membranelektrodenanordnung zusammengefasst sind. Die Membran ist aus einem Polymer, vorzugsweise aus einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbonmembran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassende Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
Dem Anodenraum einer Brennstoffzelle wird wasserstoffhaltiger Brennstoff zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Membran lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. Anodenseitig findet die folgende Reaktion statt: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^-. Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
Den Kathodenräumen einer Brennstoffzelle wird Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → H₂O. Die in einer Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion führt somit zur Erzeugung von Produktwasser.
Die Brennstoffzelle verfügt beidseitig der Membranelektrodenanordnung zum Einen über Gasdiffusionsschichten und zum Anderen über Bipolarplatten, in denen zum Einen Strömungskanäle für die Reaktanten und zum Anderen Leitungen für ein Kühlmittel ausgebildet sind. Die Bipolarplatten werden also genutzt, um den Wasserstoff bzw. den Sauerstoff zur Membranelektrodenanordnung zu leiten und mithilfe der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig zu verteilen. Bei Vorliegen von Froststartbedingungen kann allerdings das Produktwasser gefrieren und somit die Versorgung mit Reaktanten einschränken oder unterbinden.
In der 1 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden kann. Ausgangspunkt ist dabei ein Kraftfahrzeug, das neben einem Traktionsmotor und einer elektrischen Speicherzelle eine Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung in dem Kraftfahrzeug wird zunächst im Normalbetrieb 1 betrieben, in dem fortlaufend der Wassergehalt in der Brennstoffzelle detektiert wird. Wird bei dieser Detektion 2 das Überschreiten 3 eines Schwellenwertes festgestellt, wird die Brennstoffzellenvorrichtung aus dem Normalbetrieb 1 in einen Standby-Modus 4 überführt, in dem der Wassergehalt in der Brennstoffzelle gesenkt wird. Dieser Standby-Modus 4 umfasst dabei auch die Versorgung des Traktionsmotors aus der elektrischen Speicherzelle, wodurch sich auch die Berechtigung zur Benennung des Standby-Modus 4 ergibt, da die Brennstoffzellenvorrichtung eben nicht zur Versorgung des Traktionsmotors eingesetzt wird, sondern für eigene Zwecke zur Systempflege zur Verfügung steht. Der Standby-Modus 4 wird entsprechend in einem letzten Schritt auch wieder beendet, um die Fortsetzung des Normalbetriebes 1 zu ermöglichen, in dem wieder fortwährend die Detektion 2 des Wassergehaltes erfolgt, um bei einem Überschreiten 3 des Schwellenwertes gegebenenfalls erneut die vorstehend geschilderten Verfahrensschritte durchlaufen zu können. Da die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist, ist weiterhin vorgesehen, dass vor der Gewährung des Standby-Modus 4 durch das Fahrzeugsteuergerät die momentane Leistungsanforderung an den Traktionsmotor geprüft wird und die Gewährung des Standby-Modus 4 für den Fall einer sinkenden und/oder gleichbleibenden Leistungsanforderung erfolgt. Der Standby-Modus 4 wird auch beendet, wenn die Leistungsanforderung 5 steigt und/oder der Wassergehalt unter den Schwellenwert oder einen Grenzwert sinkt und/oder der Ladezustand der elektrischen Speicherzelle unter ein Grenzniveau sinkt. Es besteht auch die Möglichkeit des Beendens des Standby-Modus 4 nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitdauer. In dem Standby-Modus 4 sind auch Maßnahmen möglich, die das Senken des Wassergehaltes fördern, nämlich indem bei dem Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den Standby-Modus 4 eine Befeuchtung des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffes vor der Einleitung in die Brennstoffzelle vermindert wird oder indem die Brennstoffkonzentration gesenkt wird, indem die Brennstoffzelle mit den Reaktanten gespült wird. Für den Schritt des Detektierens 2 des Wassergehalts zur Feststellung des Überschreitens 3 des Schwellenwertes ist eine Auswertung des Zellspannungsbildes möglich und/oder eine Berechnung der Generierung und/oder Akkumulation von Produktwasser, also eine modellbasierte Bestimmung des Zeitpunktes, wann ein Senken des Wassergehaltes durch den Wechsel vom Normalbetrieb 1 in den Standby-Modus 4 vorteilhaft ist.
Bezugszeichenliste

1: Normalbetrieb
2: Detektieren des Wassergehalts
3: Überschreiten des Schwellenwertes
4: Standby-Modus
5: Beenden des Standby-Modus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2824742 A1 [0005]
US 2007/0231639 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle in einem eine elektrische Speicherzelle und einen Traktionsmotor aufweisenden Kraftfahrzeug, umfassend die Schritte des Detektierens (2) des Wassergehaltes in der Brennstoffzelle und des Feststellens, wenn ein Schwellenwert des Wassergehaltes überschritten ist, Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung aus dem Normalbetrieb (1) in einen Standby-Modus (4), in dem der Traktionsmotor aus der elektrischen Speicherzelle gespeist und der Wassergehalt in der Brennstoffzelle gesenkt wird, sowie Beenden des Standby-Modus (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Gewährung des Standby-Modus (4) durch das Fahrzeugsteuergerät die momentane Leistungsanforderung an den Traktionsmotor geprüft wird und die Gewährung des Standby-Modus (4) für den Fall einer sinkenden und/oder gleichbleibenden Leistungsanforderung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beenden des Standby-Modus (4) und ein Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den Normalbetrieb erfolgt, wenn eine Leistungsanfordung steigt und/oder der Wassergehalt unter den Schwellenwert oder einen Grenzwert sinkt und/oder der Ladezustand der elektrischen Speicherzelle unter ein Grenzniveau sinkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beenden des Standby-Modus (4) und ein Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den Normalbetrieb nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitdauer erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beenden des Standby-Modus (4) durch Initiierung einer Abschaltprozedur der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den Standby-Modus (4) die Brennstoffkonzentration gesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den Standby-Modus (4) eine Befeuchtung des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffes vor der Einleitung in die Brennstoffzelle vermindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Überführen der Brennstoffzellenvorrichtung in den Standby-Modus (4) die Brennstoffzelle mit dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel gespült wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Feststellens des Überschreitens (3) des Schwellenwertes des Wassergehaltes eine Auswertung des Zellspannungsbildes und/oder eine Berechnung der Generierung und/oder Akkumulation von Produktwasser umfasst.
Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.