WO2019081216A1 - Verfahren zur entfernung von produktwasser aus einer brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur entfernung von produktwasser aus einer brennstoffzelle

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WO2019081216A1
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Michael Deibler
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for removing product water from a fuel cell, in particular from a fuel cell stack.
  • the invention relates to a fuel cell system.
  • FCV fuel cell vehicle
  • FCV fuel cell vehicle
  • stationary systems produce product water during operation, preferably on the anode side.
  • This product water is usually collected in a sump, which is emptied at certain intervals. It should be noted that a too full sump can flood the fuel cell stack from the bottom and thus damage it. However, if a drain valve associated with the sump is opened too long, fuel will also flow out of the fuel cell stack after complete draining of the product water collected therein. This in turn reduces the achievable range of a FCV and thus reduces the efficiency of the
  • One possible remedy is to accommodate one or two level sensors in the sump to both states, in particular a state "sump completely filled” or at least the state “sump completely emptied” to capture.
  • Fuel cell which is preferably fed with gaseous hydrogen is supplied. Due to the continuous admission of the
  • Fuel cell stack with the gaseous fuel, which is under a certain pressure, this applied pressure for squeezing product water can be used at regular intervals.
  • anode water occurring product water is expelled from the fuel cell stack.
  • the According to the invention proposed method further, after the complete emptying of the collecting container of the control value of
  • Fuel injector was detected before an opening time of a drain valve.
  • Sump product water is first discharged via a drain line, which branches off from the sump, this drain line advantageously at a branch into an exhaust duct of the
  • Fuel cell stack opens.
  • no further apparatus in particular no further piping of the fuel cell system is required, in which already existing components can be used.
  • the pressure course within the fuel cell stack is detected continuously via at least one pressure sensor.
  • the at least one pressure sensor is located in particular within a recirculation path for the
  • Fuel which is usually gaseous hydrogen.
  • Discharge valves in the pressure curve of the fuel cell stack detects a pressure minimum.
  • fuel cell stack could also be exploited to open the drain valve of the sump.
  • the invention further relates to a fuel cell system, for example, a FCV (Fuel Cell Vehicle) with at least one fuel cell stack, the product water is expelled according to the inventive method.
  • a fuel cell system for example, a FCV (Fuel Cell Vehicle) with at least one fuel cell stack, the product water is expelled according to the inventive method.
  • FCV Fluel Cell Vehicle
  • FIG. 1 shows a fuel cell system with at least one
  • FIG. 2 Pressure profile in a fuel cell stack during emptying of the fuel cell stack
  • FIG. 3 shows a pressure curve in the fuel cell stack with pressure regulation via a fuel cell stack assigned
  • FIG 4 shows a pressure curve in the fuel cell stack with a pressure control at the fuel injector with a shorter opening period of a drain valve.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system of an FCV (Fuel Cell Vehicle).
  • FCV Full Cell Vehicle
  • a fuel cell system 10 comprises at least one fuel cell stack 12. This comprises on its underside a stack bottom 14, on which a collecting container 16 for collecting product water is arranged. From the sump 16, a drain line 18, which opens at an outlet point 22 in an exhaust duct 20, which advantageously branches off from the at least one fuel cell stack 12.
  • the at least one fuel cell stack 12 is provided with a fuel injector 26 which is located in the upper region of the at least one fuel cell stack 12, via which pressurized gaseous fuel, in particular gaseous hydrogen, enters the at least one fuel cell stack 12 of the fuel cell system 10.
  • a recirculation path 24 for gaseous fuel is shown in the upper region of the at least one fuel cell stack 12.
  • a discharge valve 30 is associated, which can be advantageously operated by a valve actuator 32.
  • Fuel cell system 10 a control unit 34. This is connected to the at least one pressure sensor 28 and detects its signals; Furthermore, the controller 34 is connected to the fuel injector 26 and with the
  • Valve actuator 32 via which the drain valve 30, which is assigned to the collection container 16 for product water is actuated.
  • Figure 2 shows an emptying of a collecting container 16 of a
  • FIG. 2 shows that the discharge valve 30, which is assigned to the collecting container 16, is opened at an opening time 42. Until the discharge valve 30 is opened at the opening time 42, there has been a continuous increase in level 56 of product water in the collecting container 16. The fill level rise 56 reaches a fill level maximum 58, at which point the bleed valve 30 opens. There is an emptying 60 of the reservoir 16 of product water, which ends at time 62, i. when the collection container 16 is completely emptied of product water.
  • Collecting container 16 is completely emptied, takes place in accordance with a
  • Discharge valves 30 the outflow of gaseous fuel from the at least one fuel cell stack 12 is stopped.
  • FIG. 3 shows a graphic representation of the method according to the invention for emptying product water from at least one
  • the at least one fuel cell stack 12 runs continuously via the fuel injector 26 with gaseous fuel, which is generally gaseous
  • Pressure level is reproduced in the illustration according to Figure 3 by a pressure curve 73.
  • a pressure regulation in the at least one fuel cell stack 12 takes place over that shown in FIG.
  • Fuel injector 26 Its drive curve is represented by reference numeral 72 in the graph of FIG. According to FIG. 3, the discharge valve 30 of the collecting container 16 opens at the opening time 42. Until the time 44, the discharge valve 30 is open during the opening period 46. In the collecting container 16, the filling level has risen to the filling level maximum 58 in accordance with the filling level rise 56. At the opening time 42, the drain valve 30 opens, so that product water flows out of the sump 16 continuously according to the emptying 60 and is removed from the fuel cell system 10 via the drain line 18 and the exhaust air line 20 shown in FIG. At time 62, the sump 16 is completely emptied, but the bleed valve 30 is fully open at that time, ie, at time 62. Starting from the time 62 takes place after a delay 64 at a time 68, an increase of the control value according to the drive curve 72 of the fuel injector 26. About this is thus by supplying additional gaseous fuel, the outflow of gaseous
  • Fuel from the at least one fuel cell system 10 compensated by the still open drain valve 30, which takes place according to a period of time 70.
  • the drive value of the fuel injector 26 corresponding to the drive curve 72 in FIG. 3 also drops.
  • FIG. 4 is a graphical representation of the emptying of the collecting container 16 at least one fuel cell stack 12 of a fuel cell system 10 with pressure control and a shortened
  • the drain valve opens at a point in time 42, so that starting from a fill level maximum 58 after a
  • a pressure curve 80 which represents a second control curve of the fuel injector 26, after complete emptying of the collecting container 16 of product water at the time 62, an increase of the control value corresponding to the second control curve 80 takes place
  • An excusewertmaximum 82 The increase of the control value to the maximum 82 according to Figure 4, is detected by a control unit 34.
  • An epicratmaximum 82 has its cause in that the
  • Fuel injector 26 increases. This increase of the drive value to the drive value maximum 82 according to the second drive curve 80 in FIG. 4 becomes detected by the controller 34 and causes a closing of the open
  • Opening period 76 of the drain valve 30 is substantially shorter than the opening period 46 of the drain valve 30 shown in FIGS. 2 and 3.
  • a pressure minimum 84 occurs in the pressure curve 78 within the at least one fuel cell stack 12, which also acts as a signal for closing the drain valve 30 via a demen Jardinende control of the valve actuator 32 through the Control unit 34 could be exploited.
  • the invention also relates to a fuel cell system 10, which comprises at least one fuel cell stack 12, which according to the above-described method of product water, especially anode-side product water produced or otherwise emerging moisture can be emptied, so that a leakage of gaseous fuel, in particular gaseous hydrogen after emptying the
  • Collection container 16 can be avoided, whereby a wetting of the fuel cell stack 12 starting from the stack bottom 14, can be avoided, and in particular the undesirable outflow of gaseous
  • Fuel from the at least one fuel cell stack 12 can be prevented, which can lead to a highly undesirable reduction in efficiency and a highly undesirable shortening of a maximum range of FCV's.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernung von Produktwasser aus einem Brennstoffzellenstapel (12), dem ein Sammelbehälter (16) und ein Brennstoffinjektor (26) zugeordnet sind und auf ein Brennstoffzellensystem (10). Es werden zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen : a) Erfassung eines Ansteuerwertes des Brennstoffinjektors (26) vor einem Öffnungszeitpunkt (42) eines Ablassventiles (30) am Sammelbehälter (16), b) Öffnen des Ablassventiles (30) und Auspressen von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel (12) und dem Sammelbehälter (16) durch den über den Brennstoffinjektor (26) anliegenden Brennstoffdruck, c) Erfassung einer Ansteuerwerterhöhung (82) des Brennstoffinjektors (26) durch fehlenden Gegendruck bereits ausgepressten Produktwassers und d) Schließen des Ablassventiles (30) zu einem Schließzeitpunkt (74), der mit dem Zeitpunkt einer Erfassung der Ansteuerwerterhöhung (82) des Brennstoffinjektors (26) gemäß Verfahrensschritt c) zusammenfällt.

Description

Verfahren zur Entfernung von Produktwasser aus einer Brennstoffzelle Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernung von Produktwasser aus einer Brennstoffzelle, insbesondere aus einem Brennstoffzellenstapel.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme, die als Antrieb in einem FCV (Fuel Cell Vehicle) oder als stationären Anlagen zum Einsatz kommen, produzieren im laufenden Betrieb Produktwasser, bevorzugt auf der Anodenseite. Dieses Produktwasser wird in der Regel in einem Sammelbehälter gesammelt, der in bestimmten Abständen geleert wird. Dabei ist zu beachten, dass ein zu voller Sammelbehälter den Brennstoffzellenstapel von der Unterseite her fluten kann und diesen somit beschädigt. Ist allerdings ein Entleerungsventil, welches dem Sammelbehälter zugeordnet ist, zu lange geöffnet, strömt nach dem vollständigen Ablassen des darin gesammelten Produktwassers auch Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Brennstoffzellenstapel aus. Dies wiederum mindert die erreichbare Reichweite eines FCV's und vermindert somit den Wirkungsgrad des
Brennstoffzellensystems.
Eine Möglichkeit der Abhilfe ist es, ein oder zwei Füllstandsensoren in dem Sammelbehälter unterzubringen um beide Zustände, insbesondere einen Zustand„Sammelbehälter vollständig gefüllt" oder zumindest den Zustand „Sammelbehälter vollständig entleert" zu erfassen.
Es wurde versucht, den Zustand„Sammelbehälter vollständig geleert" über einen Druckabfall auf der Anodenseite zu detektieren. Bei Brennstoffzellensystemen, bei denen aufgrund anderer konstruktiver Eigenschaften ein Druckabfall nicht detektiert werden kann, sind andere
Abhilfemöglichkeiten gefragt.
Darstellung der Erfindung
Zur Darstellung einer Sammelbehälterentleerung wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Entleerung von Produktwasser aus einem Brennstoffzellenstapel, dem ein Sammelbehälter und ein Brennstoffinjektor zugeordnet sind,
vorgeschlagen, bei dem zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Erfassung eines Ansteuerwertes eines Brennstoffinjektors vor einem
Öffnungszeitpunkt eines Ablassventils am Sammelbehälter,
b) Öffnen des Ablassventiles und Auspressen von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel durch den über den Brennstoffinjektor anliegenden Brennstoffdruck,
c) Erfassung einer Ansteuerwerterhöhung des Brennstoffinjektors durch
fehlenden Gegendruck bereits ausgepressten Produktwassers,
d) Schließen des Ablassventiles zu einem Schließzeitpunkt, der mit dem
Zeitpunkt einer Erfassung der Ansteuerwerterhöhung am Brennstoffinjektor gemäß Verfahrensschritt c) zusammenfällt.
Durch diese Lösung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ohne weiteren apparativen Aufwand, der über den bereits am Brennstoffzellensystem verwirklichten apparativen Aufwand hinausgeht, eine Entfernung des
Produktwassers realisiert werden kann. Dazu wird in vorteilhafter Weise der die Brennstoffzellen beaufschlagende Brennstoff druck ausgenutzt, der der
Brennstoffzelle, die bevorzugt mit gasförmigem Wasserstoff gespeist wird, zugeführt wird. Aufgrund der dauernden Beaufschlagung des
Brennstoffzellenstapels mit dem gasförmigen Brennstoff, der unter einem bestimmten Druck steht, kann dieser anliegende Druck zum Auspressen von Produktwasser in regelmäßigen Intervallen genutzt werden. Mit dem
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird insbesondere anodenseitig auftretendes Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetrieben. Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weiter folgend, wird nach der vollständigen Entleerung des Sammelbehälters der Ansteuerwert des
Brennstoffinjektors auf den Ansteuerwert zurückgesetzt, den der Ansteuerwert gemäß Verfahrensschritt a) hatte, bei dem der Ansteuerwert des
Brennstoffinjektors vor einem Öffnungszeitpunkt eines Ablassventiles erfasst wurde.
Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, dass das aus dem
Sammelbehälter ausgepresste Produktwasser zunächst über eine Ablaufleitung, die vom Sammelbehälter abzweigt, abgeleitet wird, wobei diese Ablaufleitung in vorteilhafter Weise an einer Verzweigung in eine Abluftleitung des
Brennstoffzellenstapels mündet. Dadurch ist kein weiterer apparativer, insbesondere keine weitere Verrohrung des Brennstoffzellensystems erforderlich, in dem bereits vorhandene Komponenten genutzt werden können.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weiter folgend, wird der Druckverlauf innerhalb des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich über mindestens einen Drucksensor erfasst. Der mindestens eine Drucksensor befindet sich insbesondere innerhalb eines Rezirkulationspfades für den
Brennstoff, bei dem es sich in der Regel um gasförmigen Wasserstoff handelt.
In vorteilhafter Weise wird nach der vollständigen Entleerung des
Sammelbehälters zu einem Zeitpunkt bei einem Schließzeitpunkt des
Ablassventiles im Druckverlauf des Brennstoffzellenstapels ein Druckminimum detektiert. Das detektierte Druckmedium im Druckverlauf des
Brennstoffzellenstapels könnte alternativ ebenso dazu ausgenutzt werden, das Ablassventil des Sammelbehälters zu öffnen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem zum Beispiel eines FCV (Fuel Cell Vehicle) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel, dessen Produktwasser gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgetrieben wird.
Vorteile der Erfindung Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind darin zu erblicken, dass bei Brennstoffzellensystemen, die einen Brennstoffzellenstapel aufweisen, der kontinuierlich über einen Brennstoffinjektor mit gasförmigem Brennstoff, insbesondere gasförmigem Wasserstoff beaufschlagt wird, der vorherrschende Druck dazu ausgenutzt werden kann, das anodenseitig entstehende Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel über den
Sammelbehälter auszutreiben. Damit wird einerseits verhindert, dass der Brennstoffzellenstapel allmählich von der Bodenseite her durch einen überlaufenden Sammelbehälter geflutet wird; andererseits wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung in zuverlässiger Weise verhindert, dass nach dem Entleeren des Produktwassers weiterer gasförmiger Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstapel entweicht, obwohl das Produktwasser bereits vollständig aus dem
Sammelbehälter entleert wurde.
Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine Reduzierung der Sensorik zur Voll-/Leererkennung erreicht werden. Durch die Reduzierung der Sensorik kann der Fehlerfall ausgeschlossen werden, dass defekte Sensoren zu einer Störung des Systems führen könnten. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich darüber hinaus die
Austrocknung des Brennstoffzellenstapels bei zu viel und zu lang anhaltendem Wasserstoffaustritt im Drainbehälter vermeiden. Systeme, die ohne Sensorik auskommen, haben meist höhere Entleerungsintervalle, um eine Flutung des Brennstoffzellenstapels durch Produktwasser zu verhindern und verlieren somit durch Austrocknung gasförmigen Wasserstoff. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann des Weiteren eine Reduktion ausströmenden Wasserstoffs vermieden werden und die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches im Abluftpfad kann ausgeschlossen werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt: Figur 1 ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem
Brennstoffzellenstapel in schematischer Darstellung,
Figur 2 Druckverlauf in einem Brennstoffzellenstapel bei der Entleerung des
Sammelbehälters ohne Druckregelung,
Figur 3 einen Druckverlauf im Brennstoffzellenstapel mit einer Druckregelung über einen dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten
Brennstoffinjektor und
Figur 4 einen Druckverlauf im Brennstoffzellenstapel mit einer Druckregelung am Brennstoffinjektor mit einer kürzeren Öffnungszeitspanne eines Ablassventils.
Ausführungsvarianten
Figur ist eine schematische Wiedergabe eines Brennstoffzellensystems eines FCV (Fuel Cell Vehicle) zu entnehmen.
Ein Brennstoffzellensystem 10 umfasst mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12. Dieser umfasst auf seiner Unterseite einen Stapelboden 14, an dem ein Sammelbehälter 16 zum Auffangen von Produktwasser angeordnet ist. Vom Sammelbehälter 16 aus erstreckt sich eine Ablaufleitung 18, die an einer Mündungsstelle 22 in eine Abluftleitung 20 mündet, die vorteilhafterweise von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 abzweigt. Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel 12 ist mit einem Brennstoffinjektor 26, der sich im oberen Bereich des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 12 befindet, versehen, über den unter Druck stehender gasförmiger Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff in den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 des Brennstoffzellensystems 10 gelangt. Des Weiteren ist im oberen Bereich des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 12 ein Rezirkulationspfad 24 für gasförmigen Brennstoff dargestellt. In diesem befindet sich mindestens ein Drucksensor 28, über den der Druck des gasförmigen Brennstoffs im Rezirkulationspfad 24 und damit in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 erfasst werden kann.
Im Sammelbehälter 16, der sich meist unterhalb des Stapelbodens 14 des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 12 befindet, ist ein Ablassventil 30 zugeordnet, welches vorteilhafterweise über einen Ventilsteller 32 betätigt werden kann.
Darüber hinaus umfasst das in Figur 1 schematisch dargestellte
Brennstoffzellensystem 10 ein Steuergerät 34. Dieses ist mit dem mindestens einen Drucksensor 28 verbunden und erfasst dessen Signale; ferner ist das Steuergerät 34 mit dem Brennstoffinjektor 26 verbunden sowie mit dem
Ventilsteller 32 über den das Ablassventil 30, das dem Sammelbehälter 16 für Produktwasser zugeordnet ist, betätigt wird.
Figur 2 zeigt eine Entleerung eines Sammelbehälters 16 eines
Brennstoffzellensystems 10 ohne Druckregelung.
Figur 2 zeigt, dass das Ablassventil 30, welches dem Sammelbehälter 16 zugeordnet ist, zu einem Öffnungszeitpunkt 42 geöffnet wird. Bis zum Öffnen des Ablassventiles 30 zum Öffnungszeitpunkt 42 ist es im Sammelbehälter 16 zu einem kontinuierlich verlaufenden Füllstandsanstieg 56 von Produktwasser gekommen. Der Füllstandsanstieg 56 erreicht ein Füllstandsmaximum 58, bei dessen Erreichen das Ablassventil 30 öffnet. Es erfolgt eine Entleerung 60 des Sammelbehälters 16 von Produktwasser, die zum Zeitpunkt 62 ihr Ende findet, d.h. dann, wenn der Sammelbehälter 16 vollständig von Produktwasser entleert ist.
Mit einer Verzögerung 64, bezogen auf den Zeitpunkt 62, an dem der
Sammelbehälter 16 vollständig entleert ist, erfolgt entsprechend eines
Druckverlaufes 50 innerhalb des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 12 zum Zeitpunkt 66 der Beginn eines Druckabfalles 52 im Brennstoffzellenstapel 12. Dies hat seine Ursache darin, dass während der Verzögerung 64 nach vollständiger Entleerung des Sammelbehälters 16 zum Zeitpunkt 62 Brennstoff über das noch offenstehende Ablassventil 30 über den Sammelbehälter 16 in die Ablaufleitung 18 abströmt und damit aus dem mindestens einen Brennstoffzellenstapels 12 ausströmt. Gemäß der Darstellung in Figur 2 wird nach einer Öffnungszeitspanne 46, während der das Ablassventil 30 geöffnet ist, dieses zu einem Zeitpunkt 44 geschlossen. Zum Zeitpunkt 44 des Schließens des Ablassventils 30, erreicht der Druck gemäß des Druckverlaufes 50 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 sein Minimum 54. Erst mit Schließen des
Ablassventiles 30 ist das Abströmen von gasförmigem Brennstoff aus dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 gestoppt.
Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung des erfindungsgemäß vorgeschlag Verfahrens zur Entleerung von Produktwasser aus mindestens einem
Brennstoffzellenstapel 12 mit Druckregelung.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass der mindestens eine Brennstoffzellenstapel 12 kontinuierlich über den Brennstoffinjektor 26 mit gasförmigem Brennstoff, bei dem es sich in der Regel um gasförmigen
Wasserstoff handelt, mit einem entsprechenden Druckniveau beaufschlagt ist. Das in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 herrschende
Druckniveau ist in der Darstellung gemäß Figur 3 durch einen Druckverlauf 73 wiedergegeben. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 2 erfolgt in der graphischen Darstellung gemäß Figur 3 eine Druckregelung in dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 über den in Figur 1 dargestellten
Brennstoffinjektor 26. Dessen Ansteuerkurve ist in der graphischen Darstellung gemäß Figur 3 durch Bezugszeichen 72 repräsentiert. Gemäß Figur 3 öffnet das Ablassventil 30 des Sammelbehälters 16 zum Öffnungszeitpunkt 42. Bis zum Zeitpunkt 44 steht das Ablassventil 30 während der Öffnungszeitspanne 46 offen. Im Sammelbehälter 16 ist der Füllstand gemäß des Füllstandsanstieges 56 auf das Füllstandsmaximum 58 angestiegen. Zum Öffnungszeitpunkt 42 öffnet das Ablassventil 30, so dass Produktwasser gemäß der Entleerung 60 kontinuierlich aus dem Sammelbehälter 16 abströmt und über die in Figur 1 dargestellte Ablaufleitung 18 und die Abluftleitung 20 aus dem Brennstoffzellensystem 10 entfernt wird. Zum Zeitpunkt 62 ist der Sammelbehälter 16 vollständig entleert, jedoch steht das Ablassventil 30 zu diesem Zeitpunkt, d.h. zum Zeitpunkt 62 vollständig geöffnet. Ausgehend vom Zeitpunkt 62 erfolgt nach einer Verzögerung 64 zu einem Zeitpunkt 68 eine Erhöhung des Ansteuerwertes gemäß der Ansteuerkurve 72 des Brennstoffinjektors 26. Über diesen wird demzufolge durch Zuführung zusätzlichen gasförmigen Brennstoffs, das Abströmen von gasförmigem
Brennstoff aus dem mindestens einen Brennstoffzellensystem 10 durch das noch offenstehende Ablassventil 30 kompensiert, was gemäß einer Zeitspanne 70 erfolgt. Mit Schließen des Ablassventiles 30 zum Zeitpunkt 44, nach Beendigung der Öffnungszeitspanne 46 des Ablassventiles 30, fällt auch der Ansteuerwert des Brennstoffinjektors 26 entsprechend der Ansteuerkurve 72 in Figur 3.
Der Darstellung gemäß Figur 4 ist eine graphische Darstellung der Entleerung des Sammelbehälters 16 an mindestens einem Brennstoffzellenstapel 12 eines Brennstoffzellensystems 10 mit Druckregelung und einer verkürzten
Öffnungszeitspanne 46 des Ablassventiles 30 zu entnehmen.
Analog zur Darstellung gemäß Figur 3 öffnet das Ablassventil zu einem Zeitpunkt 42, so dass ausgehend von einem Füllstandsmaximum 58 nach einem
Füllstandsanstiegs 56 im Sammelbehälter 16 dessen kontinuierliche Entleerung 60 bis zu einem Zeitpunkt 62 erfolgt, zu welchem der Sammelbehälter 16 vollständig von Produktwasser geleert ist.
Entsprechend eines Druckverlaufes 80, welcher eine zweite Ansteuerkurve des Brennstoffinjektors 26 repräsentiert, erfolgt nach vollständiger Entleerung des Sammelbehälters 16 von Produktwasser zum Zeitpunkt 62 eine Erhöhung des Ansteuerwertes entsprechend der zweiten Ansteuerkurve 80 auf ein
Ansteuerwertmaximum 82. Die Erhöhung des Ansteuerwertes auf das Maximum 82 gemäß Figur 4, wird durch ein Steuergerät 34 detektiert. Die Erhöhung des Ansteuerwertes gemäß der zweiten Ansteuerkurve 80 auf das
Ansteuerwertmaximum 82 hat seine Ursache darin, dass das
Ansteuerwertmaximum 82 aufgrund des fehlenden Gegendruckes durch das
Produktwasser, welches aus dem Sammelbehälter 16 bis zum Zeitpunkt 62 vollständig entleert worden ist, detektiert wird und ein im Steuergerät 34 implementierter Regelalgorithmus daher den Ansteuerwert für den
Brennstoffinjektor 26 erhöht. Diese Erhöhung des Ansteuerwertes auf das Ansteuerwertmaximum 82 gemäß der zweiten Ansteuerkurve 80 in Figur 4, wird vom Steuergerät 34 erkannt und bewirkt ein Schließen des geöffneten
Ablassventiles 30 durch den Ventilsteller 32 zum Schließzeitpunkt 74.
Der Schließzeitpunkt 74 und eine damit einhergehende verkürzte
Öffnungszeitspanne 76 des Ablassventiles 30 ist wesentlich kürzer als die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Öffnungszeitspanne 46 des Ablassventiles 30.
Wie in Figur 4 weiter dargestellt, stellt sich ausgehend vom Zeitpunkt 62 nach einer Verzögerung 64 ein Druckminimum 84 im Druckverlauf 78 innerhalb des mindestens einen Brennstoffzellenstapels 12 ein, was ebenfalls als ein Signal zum Schließen des Ablassventiles 30 über eine demensprechende Ansteuerung des Ventilstellers 32 durch das Steuergerät 34 ausgenutzt werden könnte.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf ein Brennstoffzellensystem 10, welches mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst, der gemäß des obenstehend beschriebenen Verfahrens von Produktwasser, insbesondere anodenseitig erzeugten Produktwassers oder auf andere Weise entstehender Feuchtigkeit entleert werden kann, so dass ein Ausströmen von gasförmigem Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff nach Entleeren des
Sammelbehälters 16 vermieden werden kann, wodurch eine Benetzung des Brennstoffzellenstapels 12 vom Stapelboden 14 ausgehend, vermieden werden kann und insbesondere das unerwünschte Abströmen von gasförmigem
Brennstoff aus dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 12 verhindert werden kann, was zu einer höchst unerwünschten Wirkungsgradminderung und zu einer höchst unerwünschten Verkürzung einer maximalen Reichweite eines FCV's führen kann.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Entfernung von Produktwasser aus einem
Brennstoffzellenstapel (12), dem ein Sammelbehälter (16) und ein Brennstoffinjektor (26) zugeordnet sind, mit zumindest nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Erfassung eines Ansteuerwertes des Brennstoffinjektors (26) vor einem Öffnungszeitpunkt (42) eines Ablassventiles (30) am
Sammelbehälter (16),
b) Öffnen des Ablassventiles (30) und Auspressen von Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel (12) durch den über den am
Brennstoffinjektor (26) anliegenden Brennstoffdruck,
c) Erfassung einer Ansteuerwerterhöhung (82) des Brennstoffinjektors (26) durch fehlenden Gegendruck bereits ausgepressten Produktwassers,
d) Schließen des Ablassventiles (30) zu einem Schließzeitpunkt (74) der mit dem Zeitpunkt einer Erfassung der Ansteuerwerterhöhung (82) am Brennstoffinjektor (26) gemäß Verfahrensschritt c) zusammenfällt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
anodenseitig anfallendes Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel (12) ausgepresst wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit
Verfahrensschritt d) der Ansteuerwert des Brennstoffinjektors (26) auf einen dem gemäß Verfahrensschritt a) erfassten Ansteuerwert ähnlichen Ansteuerwert des Brennstoffinjektors (26) zurückgesetzt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Sammelbehälter (16) ausgepresste Produktwasser über eine Ablaufleitung (18) ausgetragen wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Druckverlauf (50, 73, 80) im Brennstoffzellenstapel (12) über mindestens einen Drucksensor (28) erfasst wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Druckverlauf (50, 73, 80) im Brennstoffzellenstapel (12) innerhalb eines Rezirkulationspfades (24) für Brennstoff am
Brennstoffzellenstapel (12) erfasst wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der vollständigen Entleerung (60) des Sammelbehälters (16) zu einem Zeitpunkt (62) beim Schließzeitpunkt (74) des Ablassventiles (30) ein Druckverlauf (78) des Brennstoffzellenstapels (12) eine Erhöhung des erfassten Ansteuerwertes des Brennstoffinjektors (26) detektiert wird.
8. Brennstoffzellensystem (10) für ein FCV (Fuel Cell Vehicle) mit
mindestens einem Brennstoffzellenstapel (12), dessen Produktwasser gemäß des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgetrieben wird.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021205569A1 (de) * 2021-06-01 2022-12-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Detektion eines Füllzustands

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112010005623T5 (de) * 2010-06-03 2013-03-28 Toyota Jidosha K.K. Brennstoffzellensystem
DE102014224614A1 (de) * 2014-09-22 2016-03-24 Hyundai Motor Company Vorrichtung zum Ablassen von Gas und kondensiertem Wasser für eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Steuerungsverfahren für dieselbe
DE102015213641A1 (de) * 2015-07-20 2017-01-26 Volkswagen Ag Brennstoffzellen-Wassersammler

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7608354B2 (en) * 2004-03-16 2009-10-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and control method of same
US8158298B2 (en) * 2005-07-27 2012-04-17 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
JP5224082B2 (ja) * 2006-10-19 2013-07-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその排水制御方法
JP5522590B2 (ja) * 2010-03-01 2014-06-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8409762B2 (en) * 2010-05-06 2013-04-02 GM Global Technology Operations LLC Adaptive method to control fuel delivery injector with modeling uncertainties in a fuel cell system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112010005623T5 (de) * 2010-06-03 2013-03-28 Toyota Jidosha K.K. Brennstoffzellensystem
DE102014224614A1 (de) * 2014-09-22 2016-03-24 Hyundai Motor Company Vorrichtung zum Ablassen von Gas und kondensiertem Wasser für eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Steuerungsverfahren für dieselbe
DE102015213641A1 (de) * 2015-07-20 2017-01-26 Volkswagen Ag Brennstoffzellen-Wassersammler

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