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DE102022132052A1 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle - Google Patents

Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle Download PDF

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DE102022132052A1
DE102022132052A1 DE102022132052.9A DE102022132052A DE102022132052A1 DE 102022132052 A1 DE102022132052 A1 DE 102022132052A1 DE 102022132052 A DE102022132052 A DE 102022132052A DE 102022132052 A1 DE102022132052 A1 DE 102022132052A1
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fuel cell
injectors
fuel
cell stack
injector
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Kai Müller
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Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstofftank (5), einem Brennstoffzellenstapel (2) und einer den Brennstofftank (5) mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbindenden Brennstoffleitung (8), der eine Mehrzahl von Injektoren (13) zugeordnet ist, zu deren Regelung ein 2-Punkt-Hystereseregler (19) vorgesehen ist, umfassend die Schritte:
a) Überprüfen, ob der Brennstoffzellenstapel (2) in einem unteren Lastbereich, für den die Versorgung mit nur einem der Injektoren (13) ausreichend ist, betrieben wird,
b) für den Fall, dass der Brennstoffzellenstapel (2) in dem unteren Lastbereich betrieben wird, rollierende Ansteuerung der Injektoren (13),
c) zeitliche Erfassung des Druckanstieges für jeden Injektor (13) bei dessen Nutzungsaufnahme als Gütekriterium für den Durchfluss des Brennstoffes,
d) Vergleich der Druckanstiege der Injektoren (13),
e) Ausgabe einer Warnmeldung, sofern eine Differenz zwischen den Druckanstiegen einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.

Figure DE102022132052A1_0000
The invention relates to a method for operating a fuel cell device (1) with a fuel tank (5), a fuel cell stack (2) and a fuel line (8) connecting the fuel tank (5) to the fuel cell stack (2), to which a plurality of injectors (13) is assigned, for the control of which a 2-point hysteresis controller (19) is provided, comprising the steps:
a) Check whether the fuel cell stack (2) is operated in a lower load range for which the supply from only one of the injectors (13) is sufficient,
b) in the event that the fuel cell stack (2) is operated in the lower load range, rolling control of the injectors (13),
c) temporal recording of the pressure increase for each injector (13) when it is put into use as a quality criterion for the flow of the fuel,
d) Comparison of the pressure increases of the injectors (13),
e) issuing a warning message if a difference between the pressure increases exceeds a predetermined or predeterminable threshold.
The invention further relates to a fuel cell device (1) and a fuel cell vehicle.
Figure DE102022132052A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstofftank, einem Brennstoffzellenstapel und einer den Brennstofftank mit dem Brennstoffzellenstapel verbindenden Brennstoffleitung, der eine Mehrzahl von Injektoren zugeordnet ist, zu deren Regelung ein 2-Punkt-Hystereseregler vorgesehen ist, umfassend die Schritte:

  1. a) Überprüfen, ob der Brennstoffzellenstapel in einem unteren Lastbereich, für den die Versorgung mit nur einem der Injektoren ausreichend ist, betrieben wird,
  2. b) für den Fall, dass der Brennstoffzellenstapel in dem unteren Lastbereich betrieben wird, rollierende Ansteuerung der Injektoren, also Nutzung des ersten Injektors für die erste Hysterese und sukzessive Nutzung eines der weiteren Injektoren für die weiteren Hysterese, bis nach der Nutzung sämtlicher Injektoren erneut der erste Injektor genutzt wird,
  3. c) zeitliche Erfassung des Druckanstieges für jeden Injektor bei dessen Nutzungsaufnahme als Gütekriterium für den Durchfluss des Brennstoffes,
  4. d) Vergleich der Druckanstiege der Injektoren,
  5. e) Ausgabe einer Warnmeldung, sofern eine Differenz zwischen den Druckanstiegen einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
The invention relates to a method for operating a fuel cell device with a fuel tank, a fuel cell stack and a fuel line connecting the fuel tank to the fuel cell stack, to which a plurality of injectors is assigned, for the control of which a 2-point hysteresis controller is provided, comprising the steps:
  1. a) Check whether the fuel cell stack is operated in a lower load range for which the supply from only one of the injectors is sufficient,
  2. b) in the event that the fuel cell stack is operated in the lower load range, rolling control of the injectors, i.e. use of the first injector for the first hysteresis and successive use of one of the other injectors for the further hysteresis until the first injector is used again after all injectors have been used,
  3. c) temporal recording of the pressure increase for each injector when it is put into use as a quality criterion for the flow of the fuel,
  4. d) Comparison of the pressure increases of the injectors,
  5. (e) issuing a warning message if a difference between the pressure increases exceeds a predetermined or predeterminable threshold.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.The invention further relates to a fuel cell device and a fuel cell vehicle.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektronen-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich Anode und Kathode ist. Um die Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen ausreichend mit dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff zu versorgen, werden zwischen einem Wasserstofftank und der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels Injektoren verwendet, mit denen der Wasserstoffdruck geregelt wird. Der Wasserstoffsolldruck ergibt sich aus einer Leistungsanforderung und dem damit verbundenen Strom, der dann mit der Faraday-Konstante und einem Lambdafaktor ermittelt wird. Um die Injektoren anzusteuern und den geforderten Druck einzuregeln, wird ein 2-Punkt-Hystereseregler verwendet, der den Öffnungsgrad der Injektoren regelt, wobei zur genaueren Ermittlung des Wasserstoffverbrauchs die Injektoren auch lastpunktabhängig freigegeben werden können und beispielsweise im unteren Lastbereich der Druck nur mit einem Injektor geregelt wird, bei Teillast mit zwei Injektoren und bei Volllast mit drei Injektoren.Fuel cell devices are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen to water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electron unit as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode arranged on both sides of the membrane, namely an anode and a cathode. In order to supply the majority of fuel cells combined in a fuel cell stack with sufficient fuel, in particular hydrogen, injectors are used between a hydrogen tank and the anode side of the fuel cell stack to regulate the hydrogen pressure. The hydrogen target pressure results from a power requirement and the associated current, which is then determined using the Faraday constant and a lambda factor. In order to control the injectors and regulate the required pressure, a 2-point hysteresis controller is used, which regulates the degree of opening of the injectors. To determine the hydrogen consumption more precisely, the injectors can also be released depending on the load point and, for example, in the lower load range the pressure is regulated with only one injector, at partial load with two injectors and at full load with three injectors.

Die DE 10 2005 047 972 A1 zeigt eine Anodeneinlasseinheit für ein Brennstoffzellensystem, die mehrere Injektoren verwendet, um den Wasserstoffdurchsatz zu steuern. Dabei wird bei einem niedrigen Durchsatz das Einschaltverhältnis von einem der Injektoren gesteuert und die anderen Injektoren werden geschlossen gehalten. Bei steigendem Durchsatz wird das Einschaltverhältnis des Injektors erhöht, bis er vollständig geöffnet ist und dann weitere Injektoren in gleicher Weise nacheinander angesteuert. In der DE 10 2008 010 305 A1 ist ein Verfahren offenbart, das den durch einen defekten offenen Injektor hervorgerufenen Druckanstieg detektiert und wieder verringert. Aus der AT 522100 A1 ist ein Verfahren zum Erstellen einer Injektionsstrategie für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein Steuerfehler als Differenzwert zwischen dem gewünschten Anodendruck und einem aktuellen Anodendruck ermittelt wird, um dann eine gewünschte Injektionsfrequenz zu ermitteln.The EN 10 2005 047 972 A1 shows an anode inlet unit for a fuel cell system that uses multiple injectors to control the hydrogen flow rate. At a low flow rate, the duty cycle of one of the injectors is controlled and the other injectors are kept closed. As the flow rate increases, the duty cycle of the injector is increased until it is fully open and then other injectors are controlled in the same way one after the other. In the EN 10 2008 010 305 A1 A method is disclosed which detects and reduces the pressure increase caused by a defective open injector. AT 522100 A1 A method for creating an injection strategy for a fuel cell system is known in which a control error is determined as a difference value between the desired anode pressure and a current anode pressure in order to then determine a desired injection frequency.

Problematisch ist dabei, dass die Injektoren produktionsseitig einen Drift aufweisen können, also bei gleichem Lastpunkt und gleichem Vordruck eine unterschiedliche Menge an Wasserstoff injizieren oder unterschiedlich lange geöffnet sind, also die Injektoren untereinander nicht gleichartig sind und unterschiedliche Charakteristika aufweisen. Im schlimmsten Fall kann nicht mehr genug Wasserstoff injiziert werden, was zu einer Unterversorgung führt mit nicht ausreichender Leistungsbereitstellung und einer möglichen Schädigung der Brennstoffzellen.The problem is that the injectors can drift during production, i.e. they can inject a different amount of hydrogen at the same load point and the same pre-pressure, or they can be open for different lengths of time, meaning that the injectors are not the same and have different characteristics. In the worst case, not enough hydrogen can be injected, which leads to an undersupply with insufficient power and possible damage to the fuel cells.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung und eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for operating a fuel cell device and an improved fuel cell device as well as an improved fuel cell vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 6 and by a fuel cell vehicle having the features of claim 7. Advantageous embodiments with expedient further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Durch das eingangs genannte Verfahren ergeben sich die Vorteile, dass ohne kostenintensive Zusatzsensorik der Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung besser bestimmt werden kann, nämlich durch Ausnutzung, dass im unteren Lastbereich nur ein Injektor erforderlich ist, der aber nicht stets identisch sein muss, sondern auch durchgewechselt werden kann, so dass im Ergebnis alle Injektoren erfasst und einzeln verglichen werden können.The method mentioned above offers the advantages that the operating state of the fuel cell device can be better determined without costly additional sensors, namely by taking advantage of the fact that only one injector is required in the lower load range, which does not always have to be identical but can also be replaced, so that in the end all injectors can be recorded and compared individually.

Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn mindestens drei der Injektoren für den rollierenden Betrieb vorgesehen sind, und wenn der die Differenz bewirkende Injektor in der Warnmeldung identifiziert wird.It is particularly preferred if at least three of the injectors are intended for rolling operation and if the injector causing the difference is identified in the warning message.

Dadurch ergibt sich dann auch die Möglichkeit, dass der die Differenz bewirkende Injektor bei einem Betrieb im Teillastbereich und/oder im unteren Lastbereich von der Verwendung ausgenommen ist. Im Ergebnis kann damit in diesen Lastbereichen ein ungestörter Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung gewährleistet werden.This also makes it possible for the injector causing the difference to be excluded from use during operation in the partial load range and/or in the lower load range. As a result, uninterrupted operation of the fuel cell device can be guaranteed in these load ranges.

Auch für den Fall der Ausgabe einer Warnmeldung im Schritt e) kann die vom Brennstoffzellenstapel abgebbare Leistung auf einen Wert unterhalb der Maximalleistung begrenzt werden, also bei der erforderlichen Nutzung auch des dritten Injektors für den Volllastbereich der erkannten Störung Rechnung getragen werden durch die Leistungsverminderung, was auch einer „fuel starvation“ vorbeugt.Even if a warning message is issued in step e), the power that can be delivered by the fuel cell stack can be limited to a value below the maximum power, i.e. if the third injector is also required to be used for the full load range, the detected fault can be taken into account by reducing the power, which also prevents "fuel starvation".

Liegt keine ernsthafte Störung, sondern nur eine Beeinträchtigung vor, die den Verbrauch beeinflusst, kann bei Feststellen einer Differenz, die unterhalb des Schwellenwertes liegt, anhand dieser Differenz der berechnete Verbrauch des Brennstoffes korrigiert werden.If there is no serious fault but only an impairment affecting consumption, if a difference below the threshold is detected, the calculated fuel consumption can be corrected on the basis of that difference.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist, das vorstehend genannte Verfahren durchzuführen, und für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung, wobei hinsichtlich des Brennstoffzellenfahrzeugs insbesondere der Verbrauch und damit die verbleibende Reichweite genauer bestimmt werden kann und auch ein Hinweis an den Nutzer zum Aufsuchen einer Werkstatt zum Tausch der Injektoren zur Schadensvorbeugung möglich ist.The above-mentioned advantages and effects also apply mutatis mutandis to a fuel cell device with a control unit that is set up to carry out the above-mentioned method, and to a fuel cell vehicle with such a fuel cell device, wherein with regard to the fuel cell vehicle in particular the consumption and thus the remaining range can be determined more precisely and it is also possible to advise the user to visit a workshop to replace the injectors in order to prevent damage.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also to be regarded as being included and disclosed by the invention that are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be produced from the explained embodiments using separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and the drawing.
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist.In the 1 1 schematically shows a fuel cell device 1 which has a fuel cell or a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack 2.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Membranelektrodenanordnung, die aus einer Anode und einer Kathode sowie einer die Anode von der Kathode trennenden protonenleitfähigen Membran aufgebaut ist.Each of the fuel cells comprises a membrane electrode assembly consisting of an anode and a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode.

Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Fuel (for example hydrogen) is supplied to the anodes via anode spaces within the fuel cell stack 2. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane allows the protons (for example H + ) to pass through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/electron release). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy storage device via an external circuit. Cathode gas (for example oxygen or oxygen-containing air) can be supplied to the cathodes via cathode spaces within the fuel cell stack 2, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction/electron absorption).

Dem Brennstoffzellenstapel 2 wird über eine Kathodenfrischgasleitung 3 durch einen Verdichter 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist die Brennstoffzelle mit einer Kathodenabgasleitung 6 verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 2 durch eine Brennstoffleitung 8 aus einem Brennstofftank 5 insbesondere Wasserstoff zugeführt.Compressed air is supplied to the fuel cell stack 2 via a cathode fresh gas line 3 by a compressor 4. In addition, the fuel cell is connected to a cathode exhaust gas line 6. On the anode side, hydrogen in particular is supplied to the fuel cell stack 2 via a fuel line 8 from a fuel tank 5.

In der 1 ist eine Mehrzahl von Injektoren 13 dargestellt, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Injektoren 13, die als Druckregler fungieren, um für die gegebene Leistungsanforderung mit dem dazugehörenden Lastpunkt den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff zu realisieren, wobei bei Volllast alle drei Injektoren 13 genutzt werden, bei Teillast zwei der drei Injektoren 13 und im unteren Lastbereich die Nutzung eines der Injektoren 13 ausreichend ist. Der gewünschte Partialdruck kann auch innerhalb eines Anodenkreislaufes vorliegen, der durch die Anodenrezirkulationsleitung 7 zustande kommt. Mit der Anodenrezirkulationsleitung 7 kann der in dem Brennstoffzellenstapel 2 nicht verbrauchte Brennstoff den Anodenräumen stromauf der Brennstoffzelle erneut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung 7 wieder in die Brennstoffleitung 8 mündet. Verbrauchter Brennstoff wird über die Anodenabgasleitung 9 aus der Brennstoffzelle entfernt. Um die Rezirkulation zu bewirken, kann alternativ oder ergänzend auch ein in der 1 ebenfalls gezeigtes Rezirkulationsgebläse genutzt werden. In der Anodenrezirkulations-leitung 7 ist zudem ein Wasserabscheider 14 mit einem Wasserabscheider-ventil 15 vorhanden.In the 1 a plurality of injectors 13 is shown, in the embodiment shown three injectors 13, which act as pressure regulators in order to achieve the desired par for the given power requirement with the associated load point. tial pressure of fresh fuel, whereby at full load all three injectors 13 are used, at partial load two of the three injectors 13 and in the lower load range the use of one of the injectors 13 is sufficient. The desired partial pressure can also be present within an anode circuit, which is created by the anode recirculation line 7. With the anode recirculation line 7, the fuel not used in the fuel cell stack 2 can be fed again to the anode spaces upstream of the fuel cell, so that the anode recirculation line 7 flows back into the fuel line 8. Used fuel is removed from the fuel cell via the anode exhaust line 9. To bring about recirculation, alternatively or additionally a 1 The recirculation fan also shown can be used. In the anode recirculation line 7 there is also a water separator 14 with a water separator valve 15.

Für die Bereitstellung des frischen Wasserstoffs können die Injektoren 13 wiederholt geöffnet und geschlossen werden, um den Wasserstoffsolldruck bereit zu stellen. Nach den Injektoren 13 und stromauf des Brennstoffzellenstapels 2 kann mittels eines Wasserstoff-Drucksensors 16 der herrschende Druck erfasst und neben dem Wasserstoffsolldruck 17 auch der Messwert des Wasserstoff-Drucksensors 16 als Ansteuersignal 18 einem 2-Punkt-Hystereregler 19 zugeleitet werden, wobei sich aufgrund der durch das Steuergerät erfolgten Hysteresedruckregelung mit einem Hysterese-Maximum und einem Hysterese-Minimum ein Sägezahnverlauf des Brennstoffdrucks ergibt. Jeder Injektor 13 weist dabei nicht nur eine geöffnete oder geschlossenen Position auf, sondern kann auch jede zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position liegende Zwischenstellung einnehmen.To provide the fresh hydrogen, the injectors 13 can be repeatedly opened and closed in order to provide the hydrogen target pressure. After the injectors 13 and upstream of the fuel cell stack 2, the prevailing pressure can be detected by means of a hydrogen pressure sensor 16 and, in addition to the hydrogen target pressure 17, the measured value of the hydrogen pressure sensor 16 can also be fed to a 2-point hysteresis controller 19 as a control signal 18, whereby a sawtooth curve of the fuel pressure results due to the hysteresis pressure control carried out by the control unit with a hysteresis maximum and a hysteresis minimum. Each injector 13 not only has an open or closed position, but can also assume any intermediate position between the open and closed positions.

Zur Kontrolle des Zustandes der Injektoren 13 kann ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem Brennstofftank 5, einem Brennstoffzellenstapel 2 und einer den Brennstoffzellentank 5 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbindenden Brennstoffleitung 8, der eine Mehrzahl von Injektoren 13 zugeordnet ist, zu deren Regelung ein 2-Punkt-Hystereseregler 19 vorgesehen ist, genutzt werden, das die Schritte umfasst:

  1. a) Überprüfen, ob der Brennstoffzellenstapel 2 in einem unteren Lastbereich, für den die Versorgung mit nur einem der Injektoren 13 ausreichend ist, betrieben wird,
  2. b) für den Fall, dass der Brennstoffzellenstapel 2 in dem unteren Lastbereich betrieben wird, rollierende Ansteuerung der Injektoren 13, also Nutzung des ersten Injektors 13 für die erste Hysterese und sukzessive Nutzung einen der weiteren Injektoren 13 für die weiteren Hysterese, bis nach der Nutzung sämtlicher Injektoren 13 erneut der erste Injektor 13 genutzt wird,
  3. c) zeitliche Erfassung des Druckanstieges für jeden Injektor 13 bei dessen Nutzungsaufnahme als Gütekriterium für den Durchfluss des Brennstoffes,
  4. d) Vergleich der Druckanstiege der Injektoren 13,
  5. e) Ausgabe einer Warnmeldung, sofern eine Differenz zwischen den Druckanstiegen einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
To control the state of the injectors 13, a method for operating a fuel cell device 1 with a fuel tank 5, a fuel cell stack 2 and a fuel line 8 connecting the fuel cell tank 5 to the fuel cell stack 2, to which a plurality of injectors 13 is assigned, for the control of which a 2-point hysteresis controller 19 is provided, can be used, which comprises the steps:
  1. a) Check whether the fuel cell stack 2 is operated in a lower load range for which the supply from only one of the injectors 13 is sufficient,
  2. b) in the event that the fuel cell stack 2 is operated in the lower load range, rolling control of the injectors 13, i.e. use of the first injector 13 for the first hysteresis and successive use of one of the other injectors 13 for the further hysteresis, until after all injectors 13 have been used the first injector 13 is used again,
  3. c) temporal recording of the pressure increase for each injector 13 when it is put into use as a quality criterion for the flow of the fuel,
  4. d) Comparison of the pressure increases of the injectors 13,
  5. (e) issuing a warning message if a difference between the pressure increases exceeds a predetermined or predeterminable threshold.

Es wird also ausgenutzt, dass im unteren Lastbereich nur ein Injektor 13 erforderlich ist, dessen Charakteristika damit isoliert von dem Verhalten der anderen Injektoren 13 beobachtbar sind.This takes advantage of the fact that only one injector 13 is required in the lower load range, the characteristics of which can thus be observed in isolation from the behavior of the other injectors 13.

Im Ausführungsbeispiel sind mindestens drei der Injektoren 13 für den rollierenden Betrieb vorgesehen sind, so dass der die Differenz bewirkende Injektor 13 in der Warnmeldung identifiziert werden kann. Daraus ergibt sich dann auch die Möglichkeit, dass der die Differenz bewirkende Injektor 13 bei einem Betrieb im Teillastbereich von der Verwendung ausgenommen ist.In the exemplary embodiment, at least three of the injectors 13 are provided for rolling operation, so that the injector 13 causing the difference can be identified in the warning message. This then also gives rise to the possibility that the injector 13 causing the difference is excluded from use during operation in the partial load range.

Zur Vermeidung einer „fuel starvation“ kann dann insbesondere für den Fall der Ausgabe einer Warnmeldung im Schritt e) die vom Brennstoffzellenstapel 2 abgebbare Leistung auf einen Wert unterhalb der Maximalleistung begrenzt werden.In order to avoid “fuel starvation”, in particular in the event of a warning message being issued in step e), the power that can be delivered by the fuel cell stack 2 can be limited to a value below the maximum power.

Das Verfahren bietet aber auch Vorteile, wenn die Differenz unterhalb des Schwellenwertes liegt, da anhand dieser Differenz der berechnete Verbrauch des Brennstoffes korrigiert werden kann.However, the method also offers advantages if the difference is below the threshold value, since the calculated fuel consumption can be corrected based on this difference.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich besonders, wenn eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist, das vorstehend genannte Verfahren durchzuführen, einem Brennstoffzellenfahrzeug zugeordnet ist, da dessen Verlässlichkeit und Gebrauchswert gesteigert wird und der Verbrauch und damit auch die verbleibende Reichweite genauer bestimmt werden kann.The advantages of the invention are particularly evident when a fuel cell device 1 with a control unit that is set up to carry out the above-mentioned method is assigned to a fuel cell vehicle, since its reliability and utility value are increased and the consumption and thus also the remaining range can be determined more precisely.

BEZUGSZEICHENLISTE:LIST OF REFERENCE SYMBOLS:

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
KathodenfrischgasleitungCathode fresh gas line
44
Verdichtercompressor
55
BrennstofftankFuel tank
66
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
77
AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
88th
BrennstoffleitungFuel line
99
AnodenabgasleitungAnode exhaust line
1010
FrischgaszufuhrleitungFresh gas supply line
1111
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
1313
InjektorInjector
1414
WasserabscheiderWater separator
1515
WasserabscheiderventilWater separator valve
1616
Wasserstoff-DrucksensorHydrogen pressure sensor
1717
WasserstoffsolldruckHydrogen target pressure
1818
AnsteuersignalControl signal
1919
2-Punkt-Hystereregler2-point hysteresis controller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102008010305 A1 [0004]DE 102008010305 A1 [0004]
  • AT 522100 A1 [0004]AT 522100 A1 [0004]

Claims (7)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstofftank (5), einem Brennstoffzellenstapel (2) und einer den Brennstofftank (5) mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbindenden Brennstoffleitung (8), der eine Mehrzahl von Injektoren (13) zugeordnet ist, zu deren Regelung ein 2-Punkt-Hystereseregler (19) vorgesehen ist, umfassend die Schritte: a) Überprüfen, ob der Brennstoffzellenstapel (2) in einem unteren Lastbereich, für den die Versorgung mit nur einem der Injektoren (13) ausreichend ist, betrieben wird, b) für den Fall, dass der Brennstoffzellenstapel (2) in dem unteren Lastbereich betrieben wird, rollierende Ansteuerung der Injektoren, also Nutzung des ersten Injektors für die erste Hysterese und sukzessive Nutzung eines der weiteren Injektoren (13) für die weiteren Hysterese, bis nach der Nutzung sämtlicher Injektoren (13) erneut der erste Injektor (13) genutzt wird, c) zeitliche Erfassung des Druckanstieges für jeden Injektor (13) bei dessen Nutzungsaufnahme als Gütekriterium für den Durchfluss des Brennstoffes, d) Vergleich der Druckanstiege der Injektoren (13), e) Ausgabe einer Warnmeldung, sofern eine Differenz zwischen den Druckanstiegen einen vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.Method for operating a fuel cell device (1) with a fuel tank (5), a fuel cell stack (2) and a fuel line (8) connecting the fuel tank (5) to the fuel cell stack (2), to which a plurality of injectors (13) is assigned, for the control of which a 2-point hysteresis controller (19) is provided, comprising the steps: a) checking whether the fuel cell stack (2) is operated in a lower load range for which the supply with only one of the injectors (13) is sufficient, b) in the event that the fuel cell stack (2) is operated in the lower load range, rolling control of the injectors, i.e. use of the first injector for the first hysteresis and successive use of one of the further injectors (13) for the further hysteresis until the first injector (13) is used again after all injectors (13) have been used, c) temporal recording of the pressure increase for each injector (13) at its Use as a quality criterion for the flow of fuel, d) comparison of the pressure increases of the injectors (13), e) issuing a warning message if a difference between the pressure increases exceeds a specified or specifiable threshold value. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei der Injektoren (13) für den rollierenden Betrieb vorgesehen sind, und dass der die Differenz bewirkende Injektor (13) in der Warnmeldung identifiziert wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that at least three of the injectors (13) are provided for rolling operation, and that the injector (13) causing the difference is identified in the warning message. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Differenz bewirkende Injektor (13) bei einem Betrieb im Teillastbereich von der Verwendung ausgenommen ist.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the injector (13) causing the difference is excluded from use during operation in the partial load range. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall der Ausgabe einer Warnmeldung im Schritt e) die vom Brennstoffzellenstapel (2) abgebbare Leistung auf einen Wert unterhalb der Maximalleistung begrenzt wird.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that in the event of a warning message being issued in step e), the power that can be delivered by the fuel cell stack (2) is limited to a value below the maximum power. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellen einer Differenz, die unterhalb des Schwellenwertes liegt, anhand dieser Differenz der berechnete Verbrauch des Brennstoffes korrigiert wird.Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that if a difference below the threshold value is detected, the calculated fuel consumption is corrected on the basis of this difference. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.Fuel cell device (1) with a control device which is configured to carry out the method according to one of the Claims 1 until 5 to carry out. Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6.Fuel cell vehicle with a fuel cell device (1) according to Claim 6 .
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