DE102021213267A1 - Method for operating a fuel cell system, control unit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren zu einem Stapel angeordneten Brennstoffzellen, bei dem aus den Brennstoffzellen austretendes Anodengas über einen Anodenkreis mit integriertem Wasserabscheider rezirkuliert wird und bei dem mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedenes Wasser in einem Behälter gesammelt und durch Öffnen eines Drainventils aus dem Behälter abgeführt wird. Erfindungsgemäß wird das Drainventil nach Ablauf einer fest vorgegebenen oder variablen Zeit geöffnet, die aus den Größen- maximaler Füllstand (V_max) und maximaler Wassermassenstrom (m_dot_Wasser_max), der aus einem Kathodenbereich in den Anodenkreis übertritt, oder- maximaler Füllstand (V_max) und dem Ist-Wassermassenstrom, der aus einem Kathodenbereich in den Anodenkreis übertritt, ermittelt wird.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a plurality of fuel cells arranged in a stack, in which anode gas escaping from the fuel cells is recirculated via an anode circuit with an integrated water separator and in which water separated with the aid of the water separator is collected in a container and opened by opening a drain valve is discharged from the container. According to the invention, the drain valve is opened after a fixed or variable time has elapsed, which consists of the sizes maximum level (V_max) and maximum water mass flow (m_dot_Wasser_max), which passes from a cathode area into the anode circuit, or maximum level (V_max) and the actual -Water mass flow, which passes from a cathode area into the anode circuit, is determined.

Description

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.The invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a control unit that is set up to carry out steps of the method.

Stand der TechnikState of the art

PEM-Brennstoffzellensysteme umfassen mehrere PEM-Brennstoffzellen, die Wasserstoff mittels Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser wandeln. Hierbei werden Wasserstoffmoleküle verbraucht bzw. entfernt. Der Wasserstoff wird einer Anode und der Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, einer Kathode zugeführt. Zwischen der Anode und der Kathode einer PEM-Brennstoffzelle ist die Polymer-Elektrolyt-Membran angeordnet.PEM fuel cell systems include multiple PEM fuel cells that convert hydrogen into electrical energy, heat, and water using oxygen. Here, hydrogen molecules are consumed or removed. The hydrogen is fed to an anode and the oxygen, in particular in the form of air, to a cathode. The polymer electrolyte membrane is arranged between the anode and the cathode of a PEM fuel cell.

Um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, werden in der praktischen Anwendung mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, gestapelt. Innerhalb des Stacks befinden sich Versorgungskanäle, über welche die einzelnen Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgt werden. Weitere Kanäle dienen dem Abtransport der anoden- und kathodenseitig aus den Brennstoffzellen austretenden abgereicherten Gase.In order to increase the electrical voltage generated, in practical application several fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, the so-called "stack". Inside the stack there are supply channels through which the individual fuel cells are supplied with hydrogen and air. Further channels serve to transport away the depleted gases emerging from the fuel cells on the anode and cathode sides.

Da anodenseitig aus den Brennstoffzellen austretendes Gas in der Regel noch Restwasserstoff enthält, wird es rezirkuliert und den Brennstoffzellen erneut zugeführt. Die Rezirkulation kann passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe einer Gasfördereinheit bewirkt werden. Da das Gas zudem Wasser enthält, wird es zuvor einem Wasserabscheider zugeführt, um das Wasser aus dem Gasstrom zu separieren. Der Wasserabscheider hat in der Regel ferner die Aufgabe, abgeschiedenes Wasser zu speichern. Hierzu weist der Wasserabscheider einen Behälter auf, in dem das abgeschiedene Wasser gesammelt wird. Ist der Behälter voll, wird durch Öffnen eines Ventils, dem sogenannten „Drainventil“, Wasser aus dem Behälter ausgeleitet bzw. der Behälter geleert.Since gas escaping from the fuel cells on the anode side usually still contains residual hydrogen, it is recirculated and fed back to the fuel cells. The recirculation can be effected passively with the aid of a jet pump and/or actively with the aid of a gas delivery unit. Since the gas also contains water, it is first fed to a water separator in order to separate the water from the gas flow. The water separator usually also has the task of storing separated water. For this purpose, the water separator has a container in which the separated water is collected. If the container is full, opening a valve, the so-called "drain valve", drains water out of the container or empties the container.

Die Behälter von Wasserabscheidern werden üblicherweise für eine definierte maximale Wassermange bzw. ein definiertes maximalen Wasservolumen V_max ausgelegt. Diese definierte Wassermenge bzw. dieses definierte Wasservolumen darf nicht überschritten werden, da andernfalls das Wasser nicht sicher im Behälter verweilt. Insbesondere kann der Behälter überlaufen oder - in mobilen Anwendungen - während der Fahrt überschwappen. Wasser, das nicht im Behälter verweilt, gelangt im schlimmsten Fall wieder zum Stackeingang, so dass der Brennstoffzellenstapel Schaden nehmen kann.The tanks of water separators are usually designed for a defined maximum amount of water or a defined maximum water volume V_max. This defined amount of water or this defined volume of water must not be exceeded, otherwise the water will not stay safely in the container. In particular, the container can overflow or - in mobile applications - spill over while driving. In the worst case, water that does not stay in the container can get back to the stack inlet, which can damage the fuel cell stack.

Die im Betrieb eines Brennstoffzellensystems von der Kathodenseite auf die Anodenseite übertretende Wassermenge ist abhängig vom Systembetrieb und variiert zwischen m_dot_Wasser_min und m_dot_Wasser_max. Dabei ist die Wassermenge eine Funktion der Kathodenfeuchte, der Kühlmitteltemperatur, des Stackstroms, des Betriebsdrucks sowie weiterer Größen.The amount of water that passes from the cathode side to the anode side during operation of a fuel cell system depends on the system operation and varies between m_dot_water_min and m_dot_water_max. The amount of water is a function of the cathode moisture, the coolant temperature, the stack current, the operating pressure and other variables.

Um den optimalen Zeitpunkt zum Öffnen des Drainventils zu bestimmen, kann ein Füllstandssensor eingesetzt werden, der den Zustand „Behälter voll“ erkennt. In mobilen Anwendungen ist ein Füllstandssensor jedoch Schwankungen und/oder Vibrationen ausgesetzt, die Einfluss auf das Messergebnis haben können, so dass der Einsatz eines Füllstandssensors problematisch ist.In order to determine the optimal time to open the drain valve, a fill level sensor can be used, which detects the "container full" status. In mobile applications, however, a fill level sensor is exposed to fluctuations and/or vibrations that can affect the measurement result, so that the use of a fill level sensor is problematic.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das eine möglichst einfache und zugleich zuverlässige Regelung eines anodenseitig angeordneten Drainventils ermöglicht.The present invention is concerned with the task of specifying a method for operating a fuel cell system that allows a drain valve arranged on the anode side to be regulated as simply and at the same time as reliably as possible.

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. BeschreibungTo solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. In addition, a control device for carrying out the method or individual method steps is specified. Description

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren zu einem Stapel angeordneten Brennstoffzellen. Bei dem Verfahren wird aus den Brennstoffzellen austretendes Anodengas über einen Anodenkreis mit integriertem Wasserabscheider rezirkuliert. Zudem wird mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedenes Wasser in einem Behälter gesammelt und durch Öffnen eines Drainventils aus dem Behälter abgeführt. Erfindungsgemäß wird das Drainventil nach Ablauf einer fest vorgegebenen oder variablen Zeit geöffnet wird, die aus den Größen

  • - maximaler Füllstand (V_max) und maximaler Wassermassenstrom (m_dot_Wasser_max), der aus einem Kathodenbereich in den Anodenkreis übertritt, oder
  • - maximaler Füllstand (V_max) und dem Ist-Wassermassenstrom, der aus einem Kathodenbereich in den Anodenkreis übertritt,
ermittelt wird.A method for operating a fuel cell system with a plurality of fuel cells arranged in a stack is proposed. In the process, anode gas escaping from the fuel cells is recirculated via an anode circuit with an integrated water separator. In addition, water separated with the aid of the water separator is collected in a container and drained from the container by opening a drain valve. According to the invention, the drain valve is opened after a fixed or variable time has elapsed, which is determined from the sizes
  • - maximum filling level (V_max) and maximum water mass flow (m_dot_Wasser_max), which passes from a cathode area into the anode circuit, or
  • - maximum filling level (V_max) and the actual water mass flow, which passes from a cathode area into the anode circuit,
is determined.

Dadurch, dass die bis zum erneuten Öffnen des Drainventils ablaufende Zeit fest vorgebbar oder variabel ist, sind verschiedene Betriebsarten möglich.Because the time that elapses before the drain valve opens again can be specified in a fixed manner or is variable, different operating modes are possible.

Wird die Zeit fest vorgegeben, muss der Fall des maximal möglichen Wassermassenstroms abgedeckt werden („worst case“). Das heißt, dass von einem Wassermassenstrom ausgegangen wird, der ggf. deutlich über dem tatsächlichen Wassermassenstrom liegt. Das Drainventil wird dann ggf. früher geöffnet als unbedingt notwendig. Auf diese Weise wird jedoch ein Überlaufen des Behälters sicher vermieden, so dass sich diese Betriebsart als besonders robust erweist.If the time is fixed, the case of the maximum possible water mass flow must be covered ("worst case"). This means that a water mass flow is assumed that may be significantly higher than the actual water mass flow. The drain valve may then be opened earlier than is absolutely necessary. However, this reliably prevents the container from overflowing, so that this mode of operation has proven to be particularly robust.

Wird eine variable Zeit vorgegeben, kann der tatsächliche Wassermassenstrom, das heißt der Ist-Wassermassenstrom, berücksichtigt werden. Alternativ kann ein maximaler Wassermassenstrom zugrunde gelegt werden, der möglichst nah am Ist-Wassermassenstrom liegt. Im Unterschied zur Betriebsart „robust“ kann somit das Drainventil später geöffnet werden, vorzugsweise erst dann, wenn der maximale Füllstand V_max erreicht ist bzw. kurz vorher. Diese Betriebsart erweist sich demnach als besonders effizient.If a variable time is specified, the actual water mass flow, ie the actual water mass flow, can be taken into account. Alternatively, a maximum water mass flow that is as close as possible to the actual water mass flow can be taken as a basis. In contrast to the "robust" operating mode, the drain valve can thus be opened later, preferably only when the maximum filling level V_max has been reached or shortly before. This mode of operation therefore proves to be particularly efficient.

Unabhängig von der Betriebsart („robust“ oder „effizient“) kann die fest vorgegebene oder variable Zeit bis zum erneuten Öffnen aus dem maximalen Füllstand V_max dividiert durch den maximalen Wassermassenstrom m_dot_Wasser_max berechnet werden.Regardless of the operating mode ("robust" or "efficient"), the fixed or variable time until reopening can be calculated from the maximum filling level V_max divided by the maximum water mass flow m_dot_Wasser_max.

Der maximale Füllstand V_max im Behälter wird vorzugsweise vorab festgelegt und ist somit bekannt. Da der Behälter zum Sammeln des mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedenen Wassers ein fest vorgegebenes Volumen aufweist, kann V_max vorab bestimmt werden. Bevorzugt wird ein V_max gewählt, das kleiner als das tatsächliche Volumen des Behälters ist, so dass ein Überlaufen sicher vermieden wird. Dies ist insbesondere für mobile Anwendungen von Vorteil, da dann Schwappbewegungen ebenfalls nicht zu einem Überlaufen des Behälters führen können.The maximum filling level V_max in the container is preferably defined in advance and is therefore known. Since the container for collecting the water separated with the aid of the water separator has a fixed, predetermined volume, V_max can be determined in advance. A V_max that is smaller than the actual volume of the container is preferably selected, so that overflowing is reliably avoided. This is particularly advantageous for mobile applications, since then sloshing movements cannot lead to the container overflowing either.

Der maximale Wassermassenstrom (m_dot_Wasser_max) wird bevorzugt vorab ermittelt und/oder während des Betriebs des Brennstoffzellensystems aktuell bestimmt. Ein vorab ermittelter maximaler Wassermassenstrom kann insbesondere der Betriebsart „robust“ zugrunde gelegt werden. Wird die Betriebsart „effizient“ gewählt, wird vorzugsweise ein maximaler Wassermassenstrom bestimmt, der möglichst nah am Ist-Wassermassenstrom liegt. Dies ist möglich, da die vom Kathodenbereich in den Anodenkreis übertretende Wassermenge eine Funktion bestimmter Betriebsgrößen, wie beispielsweise der Kathodenfeuchte, der Kühlmitteltemperatur, des Stackstroms, des Betriebsdrucks sowie anderer Größen, ist. Da diese Größen in der Regel bekannt sind, kann auf der Grundlage dieser Größen der Ist-Wassermassenstrom berechnet werden, anhand dessen dann der maximale Wassermassenstrom m_dot_Wasser_max festgelegt wird.The maximum water mass flow (m_dot_Wasser_max) is preferably determined in advance and/or currently determined during the operation of the fuel cell system. A previously determined maximum water mass flow can be used as a basis for the “robust” operating mode in particular. If the "efficient" operating mode is selected, a maximum water mass flow is preferably determined which is as close as possible to the actual water mass flow. This is possible because the amount of water passing from the cathode area into the anode circuit is a function of certain operating variables, such as cathode moisture, coolant temperature, stack current, operating pressure and other variables. Since these variables are generally known, the actual water mass flow can be calculated on the basis of these variables, on the basis of which the maximum water mass flow m_dot_wasser_max is then established.

Bevorzugt wird zur aktuellen Bestimmung des maximalen Wassermassenstroms m_dot_Wasser_max ein den Wassermassenstrom charakterisierendes mehrdimensionales Datenmodell verwendet. Da die vom Kathodenbereich in den Anodenkreis übertretende Wassermenge eine Funktion bestimmter Betriebsgrößen ist, kann ein mehrdimensionales Datenmodell erstellt werden, das diese Wirkzusammenhänge beschreibt. Die übertretende Wassermenge muss in diesem Fall nicht mehr sensorisch erfasst bzw. gemessen werden, sondern kann - auf Basis an sich bekannter Betriebsgrößen - aktuell bestimmt werden. Dies wiederum ermöglicht eine besonders effiziente Regelung des Drainventils.A multi-dimensional data model characterizing the water mass flow is preferably used for the current determination of the maximum water mass flow m_dot_Wasser_max. Since the amount of water that passes from the cathode area into the anode circuit is a function of certain operating variables, a multidimensional data model can be created that describes these causal relationships. In this case, the overflowing amount of water no longer has to be detected or measured by sensors, but can be determined in real-time based on operating variables that are known per se. This in turn enables a particularly efficient regulation of the drain valve.

Ferner bevorzugt wird zur aktuellen Bestimmung des maximalen Wassermassenstroms m_dot_Wasser_max mindestens eine Größe der nachfolgend genannten Größen in das mehrdimensionale Datenmodell implementiert:

  • - Kathodenfeuchte,
  • - Kathodenmassenstrom,
  • - Anodenfeuchte,
  • - Anodenmassenstrom
  • - Anodentemperatur,
  • - Kühlmitteltemperatur,
  • - Stackstrom,
  • - kathoden- und/oder anodenseitiger Betriebsdruck.
Furthermore, at least one of the following variables is preferably implemented in the multidimensional data model for the current determination of the maximum water mass flow m_dot_Wasser_max:
  • - cathode moisture,
  • - cathode mass flow,
  • - anode moisture,
  • - anode mass flow
  • - anode temperature,
  • - coolant temperature,
  • - stack current,
  • - operating pressure on the cathode and/or anode side.

Jede einzelne der vorstehend genannten Größen kann die vom Kathodenbereich in den Anodenkreis übertretende Wassermenge beeinflussen, so dass diese in einem Wirkzusammenhang stehen, der durch ein mehrdimensionales Datenmodell beschrieben werden kann, mit dessen Hilfe dann die maximale Wassermenge m_dot_Wasser_max aktuell bestimmt werden kann. Es kann auch der Ist-Massenstrom berechnet werden.Each one of the variables mentioned above can influence the amount of water passing from the cathode area into the anode circuit, so that they are interrelated that can be described by a multidimensional data model, with the help of which the maximum amount of water m_dot_Wasser_max can be currently determined. The actual mass flow can also be calculated.

Bevorzugt wird mindestens eine Größe der vorstehend genannten Größen im Betrieb des Brennstoffzellensystems erfasst und/oder durch ein Steuergerät zur Verfügung gestellt. Das Erfassen einzelner Größen bietet sich an, da sie ohnehin für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems notwendig sind. Dies gilt insbesondere in Bezug auf die Kathodenfeuchte, die Kühlmitteltemperatur, den Stackstrom und den Betriebsdruck. Sofern einzelne Größen außerhalb des Betriebs des Brennstoffzellensystems erfasst werden, können sie an ein Steuergerät übertragen werden, so dass jeweils aktuelle Werte zur Verfügung stehen. Mit Hilfe des Steuergeräts kann dann das Drainventil entsprechend angesteuert werden.Preferably, at least one variable of the above variables is recorded during operation of the fuel cell system and/or made available by a control unit. It is advisable to record individual variables, since they are necessary for the operation of a fuel cell system anyway. This applies in particular with regard to the cathode moisture, the coolant temperature, the stack current and the operating pressure. If individual variables are recorded outside of the operation of the fuel cell system, they can be transmitted to a control unit so that current values are available in each case. The drain valve can then be controlled accordingly with the aid of the control unit.

Vorteilhafterweise wird bei der Vorgabe der Zeit, nach deren Ablauf das Drainventil spätestens erneut geöffnet werden muss, ein Sicherheitsfaktor mit eingerechnet. Dies gilt insbesondere für mobile Anwendungen, in denen es aufgrund einer Beschleunigung, eines Bremsvorgangs, einer Bergfahrt oder einer Talfahrt zu Schwappbewegungen im Behälter kommen kann. Denn dann besteht die Gefahr, dass der Behälter überläuft, gleichwohl der Ist-Füllstand unterhalb des maximalen Füllstands V_max liegt. Das Einrechnen des Sicherheitsfaktors führt dabei zu einer Verkürzung der fest vorgegebenen bzw. variablen Zeit.Advantageously, a safety factor is taken into account when specifying the time after which the drain valve must be opened again at the latest. This applies in particular to mobile applications in which sloshing movements can occur in the container as a result of acceleration, braking, driving uphill or downhill. Because then there is a risk that the container will overflow, although the actual fill level is below the maximum fill level V_max. The inclusion of the safety factor leads to a reduction in the fixed or variable time.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems der Zustand „Behälter leer“ erkannt wird und das Drainventil bei leerem Behälter geschlossen wird. Die Erkennung des Zustands „Behälter leer“ kann mit Hilfe aus dem Stand der Technik bekannter Methoden und/oder Mittel durchgeführt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Sensors, insbesondere eines Füllstandssensors. Soll auf einen Sensor verzichtet werden, kann der Zustand „Behälter leer“ auch mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Wasserstoffdosierventils und/oder einer in den Anodenkreis integrierten Gasfördereinheit detektiert werden.Furthermore, it is proposed that during operation of the fuel cell system the status “tank empty” is recognized and the drain valve is closed when the tank is empty. The “container empty” status can be detected using methods and/or means known from the prior art, for example using a sensor, in particular a level sensor. If a sensor is not required, the "container empty" status can also be detected using a hydrogen metering valve integrated into the anode circuit and/or a gas delivery unit integrated into the anode circuit.

Ferner bevorzugt wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems der Zustand „Behälter voll“ erkannt und das Drainventil wird bei vollem Behälter geöffnet. Die Erkennung des Zustands „Behälter voll“ dient lediglich der Absicherung, dass das Drainventil geöffnet wird, bevor der Behälter überläuft. Denn idealerweise wird der Zustand „Behälter voll“ nicht erreicht, da kurz zuvor das Drainventil geöffnet wird. Mit Erkennen des Zustands „Behälter voll“ kann eine Anpassung der Größen maximale Füllmenge V_max und/oder des maximalen Wassermassenstroms m_dot_Wasser_max vorgenommen werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Sicherheitsfaktor mit eingerechnet oder ein bereits berücksichtigter Sicherheitsfaktor angepasst werden.Furthermore, the status “tank full” is preferably recognized during operation of the fuel cell system and the drain valve is opened when the tank is full. The detection of the condition "tank full" is only used to ensure that the drain valve is opened before the tank overflows. Ideally, the "tank full" status is not reached because the drain valve is opened shortly beforehand. When the “container full” status is detected, the maximum fill quantity V_max and/or the maximum water mass flow m_dot_Wasser_max can be adjusted. Alternatively or additionally, a safety factor can be taken into account or a safety factor that has already been taken into account can be adjusted.

Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann mit Hilfe des Steuergeräts das Drainventil in der Weise angesteuert werden, dass es nach der Betriebsart „robust“ oder nach der Betriebsart „effizient“ geöffnet wird. Die Betriebsarten unterscheiden sich dadurch, dass das Drainventil entweder nach einer fest vorgegebenen oder nach einer variabel zu bestimmenden Zeit geöffnet wird. Die Zeit basiert auf einem maximalen Füllstand V_max, der dem Steuergerät bekannt ist, dividiert durch einen maximalen Wassermassenstrom m_dot_Wasser_max, der vorzugsweise aktuell bestimmt wird. Im Steuergerät kann hierzu ein mehrdimensionales Datenmodell hinterlegt sein, das den Wirkzusammenhang bestimmter Betriebsgrößen in Bezug auf die Wassermenge beschreibt, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems vom Kathodenbereich in den Anodenkreis übertritt. Die in das Datenmodell zu implementierenden Betriebsgrößen sind dem Steuergerät entweder bereits bekannt oder sie werden aktuell gemessen.In addition, a control unit is proposed which is set up to carry out steps of the method according to the invention. In particular, the drain valve can be controlled with the aid of the control device in such a way that it is opened according to the "robust" operating mode or according to the "efficient" operating mode. The operating modes differ in that the drain valve is opened either after a fixed time or after a time that can be determined variably. The time is based on a maximum filling level V_max, which is known to the control device, divided by a maximum water mass flow m_dot_Wasser_max, which is preferably currently determined. For this purpose, a multi-dimensional data model can be stored in the control unit, which describes the causal relationship of certain operating variables in relation to the amount of water that passes from the cathode area into the anode circuit during operation of the fuel cell system. The operating variables to be implemented in the data model are either already known to the control unit or they are currently being measured.

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

  • 1 eine schematische Darstellung der Regelung des Drainventils nach der Betriebsart „robust“ und
  • 2 eine schematische Darstellung der Regelung des Drainventils nach der Betriebsart „effizient“.
The invention and its advantages are described in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic representation of the control of the drain valve according to the "robust" operating mode and
  • 2 a schematic representation of the control of the drain valve according to the "efficient" operating mode.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Die obere Grafik der 1 zeigt den maximalen Füllstand V_max eines Behälters an, in dem Wasser gesammelt wird, das mit Hilfe eines in einen Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems integrierten Wasserabscheiders abgeschieden wird. Ferner stellt die obere Grafik eine im Behälter befindliche variierende reale Wassermenge (Kurve A) sowie eine variierende virtuelle Wassermenge (Kurve B) dar. Die untere Grafik zeigt die Regelung eines am Behälter angeordneten Drainventils, das zum Leeren des Behälters geöffnet wird. Das Öffnen erfolgt nach Ablauf einer gewissen Zeit zum Zeitpunkt t1, so dass sich der Behälter leert. Mit Leererkennung zu einem Zeitpunkt t2 wird dann das Drainventil wieder geschlossen. Das erneute Öffnen erfolgt wiederum nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit, und zwar zu einem Zeitpunkt t1'. Die Zeit, die bis zu erneuten Öffnen verstreichen muss, wird aus dem maximalen Füllstand V_max dividiert durch einen maximalen Wassermassenstrom m_dot_Wasser_max ermittelt, wobei der maximale Wassermassenstrom m_dot_Wasser_max eine vorab ermittelte Größe ist, die den schlimmstmöglichen Fall („worst case“) abdeckt. Entsprechend groß kann die Differenz zwischen den Kurven A und B sein. Zugleich ist jedoch sichergestellt, dass der Behälter nicht überläuft.The top graphic of 1 shows the maximum filling level V_max of a container in which water is collected, which is separated using a water separator integrated in an anode circuit of a fuel cell system. Furthermore, the upper graphic shows a varying real amount of water in the container (curve A) and a varying virtual amount of water (curve B). The lower graphic shows the control of a drain valve arranged on the container, which is opened to empty the container. The opening takes place after a certain time has elapsed at time t 1 , so that the container is emptied. With empty detection at a time t 2 , the drain valve is then closed again. The re-opening takes place again after a predetermined time has elapsed, namely at a point in time t 1 '. The time that must elapse before it opens again is determined from the maximum fill level V_max divided by a maximum water mass flow m_dot_Wasser_max, with the maximum water mass flow m_dot_Wasser_max being a previously determined variable that covers the worst possible case ("worst case"). The difference between curves A and B can be correspondingly large. At the same time, however, it is ensured that the container does not overflow.

Mit Erkennung des Zustands „Behälter leer“ wird dann das Drainventil zum Zeitpunkt t2' wieder geschlossen.When the status “container empty” is detected, the drain valve is then closed again at time t 2 ′ .

2 ist analog der 1 aufgebaut. Die obere Grafik zeigt demzufolge einen maximalen Füllstand V_max sowie eine reale Wassermenge (Kurve A) und eine virtuelle Wassermenge (Kurve B) über der Zeit t. Im Vergleich zur 1 liegen die Kurven A und B jedoch viel dichter beieinander. Das heißt, dass das Drainventil effizienter geregelt wird. 2 is analogous to the 1 built up. The graphic above therefore shows a maximum filling level V_max as well as a real amount of water (curve A) and a virtual amount of water (curve B) over time t. In comparison to 1 however, curves A and B are much closer together. This means that the drain valve is controlled more efficiently.

Auch bei dem in der 2 dargestellten Verfahren erfolgt das Öffnen des Drainventils nach Zeitablauf. Die Zeit wird jedoch aktuell ermittelt und ist demnach variabel. Zur Ermittlung der Zeit wird die maximale Füllmenge V_max durch einen maximalen Wassermassenstrom m_dot_Wasser_max dividiert, der aktuell bestimmt wird, und zwar mit Hilfe eines mehrdimensionalen Datenmodells, das den Wirkzusammenhang von für die Wassermenge charakteristischen Betriebsgrößen beschreibt.Also with the one in the 2 In the method shown, the drain valve opens after the time has elapsed. However, the time is currently determined and is therefore variable. To determine the time, the maximum fill quantity V_max is divided by a maximum water mass flow m_dot_Wasser_max, which is currently determined using a multi-dimensional data model that describes the causal relationship of operating variables that are characteristic of the water quantity.

Das in der 2 beschriebene Verfahren besitzt gegenüber dem der 1 den Vorteil, dass das maximale Fassungsvermögen des Behälters des Wasserabscheiders nahezu immer ausgeschöpft wird. Denn der Entleerungsprozess wird seltener eingeleitet bzw. das Drainventil später geöffnet.That in the 2 Process described has compared to the 1 the advantage that the maximum capacity of the water separator tank is almost always exhausted. This is because the emptying process is initiated less frequently or the drain valve is opened later.

Der Vorteil des Verfahrens gemäß der 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es weniger rechenintensiv ist und kaum systemische Messgrößen benötigt.The advantage of the method according to the 1 has the advantage that it is less computationally intensive and requires hardly any systemic parameters.

In beide Verfahren kann zusätzlich eine Vollerkennung als Absicherung integriert sein. Wird diese getriggert, kann sie dazu verwendet werden, einen Sicherheitsfaktor zu bestimmen bzw. neu zu bestimmen. Ferner kann die übertretende Wassermenge korrigiert werden oder die Zeitvorgabe entsprechend angepasst werden. Die neu ermittelten Parameter können zudem in einem Steuergerät zur Ansteuerung des Drainventils gespeichert werden. Bei einer Vollerkennung sollte zudem ein Entleerungsvorgang gestartet werden, um ein Überlaufen des Behälters zu vermeiden.Full detection can also be integrated into both methods as a safeguard. If this is triggered, it can be used to determine or re-determine a safety factor. Furthermore, the overflowing water volume can be corrected or the time specification can be adjusted accordingly. The newly determined parameters can also be stored in a control device for controlling the drain valve. If the tank is full, an emptying process should also be started to prevent the tank from overflowing.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mehreren zu einem Stapel angeordneten Brennstoffzellen, bei dem aus den Brennstoffzellen austretendes Anodengas über einen Anodenkreis mit integriertem Wasserabscheider rezirkuliert wird und bei dem mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedenes Wasser in einem Behälter gesammelt und durch Öffnen eines Drainventils aus dem Behälter abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drainventil nach Ablauf einer fest vorgegebenen oder variablen Zeit geöffnet wird, die aus den Größen - maximaler Füllstand (V_max) und maximaler Wassermassenstrom (m_dot_Wasser_max), der aus einem Kathodenbereich in den Anodenkreis übertritt, oder - maximaler Füllstand (V_max) und dem Ist-Wassermassenstrom, der aus einem Kathodenbereich in den Anodenkreis übertritt, ermittelt wird.A method for operating a fuel cell system with a plurality of fuel cells arranged in a stack, in which anode gas escaping from the fuel cells is recirculated via an anode circuit with an integrated water separator and in which water separated with the aid of the water separator is collected in a container and removed from the container by opening a drain valve is characterized in that the drain valve is opened after a fixed or variable time has elapsed, which is based on the variables - maximum fill level (V_max) and maximum water mass flow (m_dot_Wasser_max), which passes from a cathode area into the anode circuit, or - maximum fill level ( V_max) and the actual water mass flow, which passes from a cathode area into the anode circuit, is determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Füllstand (V_max) im Behälter vorab festgelegt wird und somit bekannt ist.procedure after claim 1 , characterized in that the maximum fill level (V_max) in the container is set in advance and is therefore known. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Wassermassenstrom (m_dot_Wasser_max) vorab ermittelt und/oder während des Betriebs des Brennstoffzellensystems aktuell bestimmt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the maximum water mass flow (m_dot_wasser_max) is determined in advance and/or is currently determined during operation of the fuel cell system. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur aktuellen Bestimmung des maximalen Wassermassenstroms (m_dot_Wasser_max) ein den Wassermassenstrom charakterisierendes mehrdimensionales Datenmodell verwendet wird.procedure after claim 3 , characterized in that a multi-dimensional data model characterizing the water mass flow is used for the current determination of the maximum water mass flow (m_dot_Wasser_max). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur aktuellen Bestimmung des maximalen Wassermassenstroms (m_dot_Wasser_max) mindestens eine Größe der nachfolgend genannten Größen in das mehrdimensionale Datenmodell implementiert wird: - Kathodenfeuchte, - Kathodenmassenstrom, - Anodenfeuchte, - Anodenmassenstrom - Anodentemperatur, - Kühlmitteltemperatur, - Stackstrom - kathoden- und/oder anodenseitiger Betriebsdruck.procedure after claim 3 or 4 , characterized in that for the current determination of the maximum water mass flow (m_dot_Wasser_max) at least one of the following variables is implemented in the multidimensional data model: - cathode moisture, - cathode mass flow, - anode moisture, - anode mass flow - anode temperature, - coolant temperature, - stack current - cathode and/or anode-side operating pressure. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Größe der in Anspruch 5 genannten Größen im Betrieb des Brennstoffzellensystems erfasst und/oder durch ein Steuergerät zur Verfügung gestellt wird.procedure after claim 5 , characterized in that at least one size of the in claim 5 mentioned sizes is detected during operation of the fuel cell system and / or made available by a control unit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorgabe der Zeit ein Sicherheitsfaktor mit eingerechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a safety factor is taken into account when specifying the time. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems, beispielsweise mit Hilfe eines Sensors, der Zustand „Behälter leer“ erkannt wird und das Drainventil bei leerem Behälter geschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during operation of the fuel cell system, for example with the aid of a sensor, the status “tank empty” is detected and the drain valve is closed when the tank is empty. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems, beispielsweise mit Hilfe eines Sensors, der Zustand „Behälter voll“ erkannt wird und das Drainventil bei vollem Behälter geöffnet wird.The method according to any one of the preceding claims, characterized in that during operation of the fuel cell system, for example with the help of a sensor, the "tank full" status is detected and the drain valve is opened when the tank is full. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Control unit set up to carry out steps of the method according to one of the preceding claims.
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