DE102023211248A1 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
Method for operating a fuel cell system and fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- DE102023211248A1 DE102023211248A1 DE102023211248.5A DE102023211248A DE102023211248A1 DE 102023211248 A1 DE102023211248 A1 DE 102023211248A1 DE 102023211248 A DE102023211248 A DE 102023211248A DE 102023211248 A1 DE102023211248 A1 DE 102023211248A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- fuel cell
- anode
- cell system
- drain valve
- recirculation circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 78
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 65
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
- H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
- H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0444—Concentration; Density
- H01M8/04462—Concentration; Density of anode exhausts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend ein Einleiten (S1) einer Abschaltprozedur und/oder eines Abschaltzustands des Brennstoffzellensystems; ein Verringern (S2) einer Erzeugung von Produktwasser an einer Anode einer Brennstoffzelle (BZ) des Brennstoffzellensystems (BS) unterhalb oder gleich einer Minimalvorgabe; ein Ansteuern (S3) eines Anoden-Drain-Ventils (DV) und Öffnen dieses Anoden-Drain-Ventils (DV), wodurch ein Wasserabscheider in einem Anoden-Rezirkulationskreis der Brennstoffzelle (BZ) des Brennstoffzellensystems (BS) und/oder der Anoden-Rezirkulationskreis (RZ) zumindest teilweise entleert wird; ein Überwachen (S4) einer Abgasleitung aus dem Anoden-Rezirkulationskreis mit einem Sensor (S), wobei die Abgasleitung mit dem Anoden-Drain-Ventil (DV) verbunden ist und Erkennen (S4a) einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgas in der Abgasleitung nach und/oder bei einem Abscheiden des Produktwassers aus dem Anoden-Drain-Ventil (DV); und ein Rückschließen (S5) auf eine ausreichende Entleerung des Wasserabscheiders (WA) und/oder des Anoden-Rezirkulationskreises (RZ) wenn die ermittelte Wasserstoffkonzentration größer oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert ist.
The present invention provides a method for operating a fuel cell system, comprising initiating (S1) a shutdown procedure and/or a shutdown state of the fuel cell system; reducing (S2) the production of product water at an anode of a fuel cell (BZ) of the fuel cell system (BS) below or equal to a minimum specification; controlling (S3) an anode drain valve (DV) and opening this anode drain valve (DV), whereby a water separator in an anode recirculation circuit of the fuel cell (BZ) of the fuel cell system (BS) and/or the anode recirculation circuit (RZ) is at least partially emptied; monitoring (S4) an exhaust gas line from the anode recirculation circuit with a sensor (S), wherein the exhaust gas line is connected to the anode drain valve (DV), and detecting (S4a) a hydrogen concentration in an exhaust gas in the exhaust gas line after and/or during separation of the product water from the anode drain valve (DV); and inferring (S5) that the water separator (WA) and/or the anode recirculation circuit (RZ) have been sufficiently emptied if the determined hydrogen concentration is greater than or equal to a predetermined limit value.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem.The present invention relates to a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
In einem Brennstoffzellensystem wird im Anodenkreis der Wasserstoff aus dem Mitteldruckbereich der Brennstoffzelle zugeführt. Dabei wird typischerweise ein Regelventil zur bedarfsgerechten Dosierung des Wasserstoffes und eine Gebläsevorrichtung verwendet. Mit einem Rezirkulationsgebläse, nachfolgend ARB (Anode Recirculation Blower) genannt, kann im Brennstoffzellensystem der unverbrauchte Wasserstoff, aus dem Auslass der Brennstoffzelle (Stack) wieder in den Zulauf zurückgeführt werden. Dieser Rücklauf kann ein Teil des Anodensubsystems sein, bei dem in der Regel ein vorgelagerter Wasserabscheider integriert sein kann.In a fuel cell system, hydrogen is fed from the medium-pressure region of the fuel cell into the anode circuit. A control valve for metering the hydrogen as needed and a blower device are typically used. A recirculation blower, referred to as an anode recirculation blower (ARB), can recirculate the unused hydrogen from the fuel cell stack outlet back into the fuel cell system's inlet. This return line can be part of the anode subsystem, which typically includes an integrated upstream water separator.
Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser. Das Umwandeln von Wasserstoff ist hierbei gleichbedeutend damit, dass Wasserstoffmoleküle anodenseitig verbraucht bzw. entfernt werden.Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell systems convert hydrogen into electrical energy using oxygen, generating waste heat and water. The conversion of hydrogen involves the consumption or removal of hydrogen molecules from the anode side.
Eine Brennstoffzelle kann eine Anode aufweisen, die mit Wasserstoff versorgt wird, und eine Kathode, die mit Luft versorgt wird, und eine dazwischen platzierte Polymer Elektrolyt Membran. Es können vorteilhaft mehrere solcher einzelner Brennstoffzellen gestapelt werden, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen, wobei sich im Inneren dieses Stapels Versorgungskanäle befinden können, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff und Luft versorgen und eine abgereicherte feuchte Luft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren können. Mit anderen Worten kann das Medium am Anodenausgang zurück zum Eingang geführt und es entsteht ein geschlossener Kreislauf des Anodenmediums, wobei Nebenprodukte wie Stickstoff oder Wasser über Purge und Drain Ventile ausgeleitet werden können.A fuel cell may have an anode supplied with hydrogen and a cathode supplied with air, with a polymer electrolyte membrane placed between them. Several such individual fuel cells can advantageously be stacked to increase the generated electrical voltage. Supply channels may be located inside this stack to supply the individual cells with hydrogen and air and to remove depleted, moist air and the depleted anode exhaust gas. In other words, the medium at the anode outlet can be fed back to the inlet, creating a closed circuit of the anode medium, with byproducts such as nitrogen or water being discharged via purge and drain valves.
Ein Rezirkulieren kann üblicherweise mittels eines Rezirkulationsgebläses oder passiv mittels einer Strahlpumpe erreicht werden und mit der Anwendung von Wasserabscheidern kann eine Separation von flüssigem Wasser und gasförmigen Anteilen des Anodenabgases erzielt werden, wobei der Wasserabscheider auch ein gewisses Volumen des Abwassers speichern kann. Nach einem Erreichen einer bestimmten Grenze kann ein Ausleiten des Wassers mittels des Öffnens eines so genannten Drain-Ventils erfolgen, was üblicherweise am Ausgang der Anode erfolgt.Recirculation can typically be achieved using a recirculation fan or passively using a jet pump. The use of water separators can separate the liquid water from the gaseous components of the anode exhaust gas. The water separator can also store a certain volume of wastewater. Once a certain limit is reached, the water can be discharged by opening a so-called drain valve, which is usually located at the anode outlet.
In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 und ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8.The present invention provides a method for operating a fuel cell system according to claim 1 and a fuel cell system according to claim 8.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred further training is the subject of the subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise für ein Fahrzeug, anzugeben, wobei ein Ermitteln und Ausleiten eines Produktwassers im Anodenkreis verbessert werden kann.The idea underlying the present invention is to provide a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system, for example for a vehicle, wherein the detection and discharge of product water in the anode circuit can be improved.
Anstatt einer Messung einer Menge des in der Anode anfallenden Produktwassers über eine Sensorik können anderen Kriterien herangezogen werden, um zu überprüfen, ob sich noch Restwasser im System befindet. Ein nutzbares Kriterium kann eine gemessene Abgas-Wasserstoff-Konzentration während eines Drain Vorgangs sein, insbesondere im Abgaspfad.Instead of measuring the amount of product water accumulating at the anode using a sensor, other criteria can be used to check whether residual water is still present in the system. One useful criterion could be the measured exhaust hydrogen concentration during a drain process, particularly in the exhaust path.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems ein Einleiten einer Abschaltprozedur und/oder eines Abschaltzustands des Brennstoffzellensystems; ein Verringern einer Erzeugung von Produktwasser an einer Anode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems unterhalb oder gleich einer Minimalvorgabe (etwa wenn keine nennenswerte Menge an Produktwasser mehr nachkommt); ein Ansteuern eines Anoden-Drain-Ventils und Öffnen dieses Anoden-Drain-Ventils, wodurch ein Wasserabscheider in einem Anoden-Rezirkulationskreis der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems und/oder der Anoden-Rezirkulationskreis zumindest teilweise entleert wird; ein Überwachen einer Abgasleitung aus dem Anoden-Rezirkulationskreis mit einem Sensor, wobei die Abgasleitung mit dem Anoden-Drain-Ventils verbunden ist und Erkennen einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgas in der Abgasleitung nach und/oder bei einem Abscheiden des Produktwassers aus dem Anoden-Drain-Ventil; und ein Rückschließen auf eine ausreichende Entleerung des Wasserabscheiders und/oder des Anoden-Rezirkulationskreises wenn die ermittelte Wasserstoffkonzentration größer oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert ist.According to the invention, the method for operating a fuel cell system comprises initiating a shutdown procedure and/or a shutdown state of the fuel cell system; reducing the production of product water at an anode of a fuel cell of the fuel cell system below or equal to a minimum specification (for example, when no significant amount of product water is supplied); controlling an anode drain valve and opening this anode drain valve, whereby a water separator in an anode recirculation circuit of the fuel cell of the fuel cell system and/or the anode recirculation circuit is at least partially emptied; monitoring an exhaust gas line from the anode recirculation circuit with a sensor, wherein the exhaust gas line is connected to the anode drain valve, and detecting a hydrogen concentration in an exhaust gas in the exhaust gas line after and/or during separation of the product water from the anode drain valve; and a conclusion on sufficient emptying of the water separator and/or the anode recirculation circuit if the determined water substance concentration is greater than or equal to a predetermined limit value.
Betriebspunkte der vorliegenden Brennstoffzelle können größtenteils bekannt sein und so können die zum Betrieb an diesem bestimmten Betriebspunkt zugehörigen Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems bekannt sein.Operating points of the fuel cell in question can be largely known and thus the operating parameters of the fuel cell system associated with operation at this particular operating point can be known.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens umfasst die Abschaltprozedur an dem Brennstoffzellensystem ein Herunterfahren von Funktionsprozessen des Brennstoffzellensystems.According to a preferred embodiment of the method, the shutdown procedure on the fuel cell system comprises shutting down functional processes of the fuel cell system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird eine Mindestmenge von abzulassenden Prozesswasser einem jeweiligen Betriebspunkt der Brennstoffzelle zugeordnet und die Öffnungszeit des Anoden-Drain-Ventils daran angepasst oder angeglichen.According to a preferred embodiment of the method, a minimum amount of process water to be drained is assigned to a respective operating point of the fuel cell and the opening time of the anode drain valve is adapted or adjusted thereto.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das Verringern der Erzeugung von Produktwasser an einer Anode derart, dass ein Betriebsstrom an der Brennstoffzelle auf eine Vorgabe für einen Minimalbetrieb gesenkt wird.According to a preferred embodiment of the method, the reduction of the production of product water at an anode is carried out in such a way that an operating current at the fuel cell is reduced to a specification for minimum operation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens bleibt ein Purge-Ventil während dem Öffnen des Anoden-Drain-Ventils geschlossen.According to a preferred embodiment of the method, a purge valve remains closed during the opening of the anode drain valve.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird eine zeitliche Dauer bis zum Entleeren des Wasserabscheiders und/oder des Anoden-Rezirkulationskreises ermittelt und ein vor der Entleerung vorliegender Füllgrad ermittelt, welcher zum Zeitpunkt eines Abstellens des Brennstoffzellensystems vorherrschte.According to a preferred embodiment of the method, a time period until the water separator and/or the anode recirculation circuit is emptied is determined and a filling level prior to the emptying is determined, which prevailed at the time the fuel cell system was shut down.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird aus dem Füllgrad und/oder einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle beim Öffnen des Anoden-Drain-Ventils auf eine Drain Strategie für das Brennstoffzellensystem rückgeschlossen.According to a preferred embodiment of the method, a drain strategy for the fuel cell system is inferred from the filling level and/or an operating point of the fuel cell when the anode drain valve is opened.
Es kann vorteilhaft der Abstellvorgang so genutzt werden, um zu analysieren, ob sich Restwasser im System befindet, und insbesondere ob es ausreichend wenig ist um einen Betrieb des Brennstoffzellensystems zu verbessern und etwa Nachteile durch vorhandenes Produktwasser zu verringern oder sogar zu vermeiden, beispielsweise ein Einfrieren im Brennstoffzellensystem.The shutdown process can advantageously be used to analyze whether there is residual water in the system, and in particular whether there is enough water to improve the operation of the fuel cell system and to reduce or even avoid disadvantages caused by the presence of product water, for example freezing in the fuel cell system.
Vorteilhaft kann während einer Abstellprozedur keinerlei oder nur sehr wenig an neuem Produktwasser generiert werden und Strömungsdynamiken und Turbulenzen können gering sein, sodass davon ausgegangen werden kann, dass sich das Anodenwasser am tiefsten Punkt des Systems sammeln kann. Ein Öffnen des Drain Ventils kann zur Folge haben, dass zunächst das Restwasser ausgeleitet werden kann und anschließend erst das Anodengas ausgeleitet wird. Falls der Sensor zur Messung der Konzentration des Wasserstoffs im Abgaspfad einen Anstieg an Wasserstoff anzeigt, kann dies bei geöffnetem Drain-Ventils ein Indikator dafür sein, dass Gas
ausströmt und somit kein oder sehr wenig Restwasser mehr im Anodensystem vorhanden ist. Während der Öffnungsdauer des Drain Ventil sollte dazu das Purge Ventil geschlossen sein, um das Messsignal eindeutig auswerten zu können. Eine ermittelte Zeit bis zum Entleeren des Anodensystems kann wiederrum auf eine Wassermenge
zurück gerechnet werden. Dadurch lässt sich die Drain Strategie während des Betriebes quantifizieren.Advantageously, no or very little new product water can be generated during a shutdown procedure, and flow dynamics and turbulence can be low, so that the anode water can be expected to collect at the lowest point of the system. Opening the drain valve can result in the residual water being discharged first, followed by the anode gas. If the sensor measuring the hydrogen concentration in the exhaust gas path indicates an increase in hydrogen, this can be an indicator that gas is being released when the drain valve is open.
flows out and thus no or very little residual water remains in the anode system. During the opening period of the drain valve, the purge valve should be closed in order to be able to clearly evaluate the measuring signal. A determined time until the anode system is emptied can in turn be based on a water quantity
This allows the drain strategy to be quantified during operation.
Vorteilhaft kann das Produktwasser, welches während des Betriebes der Brennstoffzelle an der Anode anfällt, über eine entsprechende Ansteuerung des Drain Ventils ausgeleitet werden. Das generierte Produktwasser kann von zahlreichen Einflussgrößen wie Feuchte, Temperatur und Last abhängen.Advantageously, the product water generated at the anode during fuel cell operation can be drained via a corresponding control of the drain valve. The generated product water can depend on numerous influencing factors such as humidity, temperature, and load.
Wenn der Anoden-Wasserabscheider entleert ist oder die Menge an Produktwasser eine Minimalvorgabe/ vorgegebene Minimalmenge unterschreitet, kann Anodengas aus dem Drain Ventil in den Abgaspfad austreten, wobei während diesem Zeitraum das Purge Ventil geschlossen sein soll. Ein Austreten des Anodengases kann über einen Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Abgas erkennbar sein und kann über einen im Abgaspfad positionierten Sensor gemessen werden. Durch den Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Abgas kann erkannt werden, dass der Anoden-Wasserabscheider vollständig oder unter einen bestimmten vorgegebenen Grad entleert wurde.If the anode water separator is empty or the amount of product water falls below a minimum specification/specified minimum quantity, anode gas can escape from the drain valve into the exhaust gas path. During this time, the purge valve should be closed. An anode gas escape can be detected by an increase in the hydrogen concentration in the exhaust gas and can be measured by a sensor positioned in the exhaust gas path. The increase in the hydrogen concentration in the exhaust gas can be used to detect whether the anode water separator has been completely emptied or has been emptied below a certain specified level.
Ebenso lässt sich über die zeitliche Dauer bis zum Entleeren oder Erreichen dieses Mindestfüllstands der Füllgrad bestimmen, welcher zum Zeitpunkt des Abstellens vorgeherrscht hatte. Darüber lassen sich Rückschlüsse über die Drain Strategie während des Brennstoffzellenbetriebs ziehen.Likewise, the time it takes to empty or reach this minimum fill level can be used to determine the fill level that prevailed at the time of shutdown. This allows conclusions to be drawn about the drain strategy during fuel cell operation.
Werden beispielsweise 10 Sekunden benötigt bis der Abscheider leer ist dann waren historisch noch x ml Wasser enthalten. Werden 20 Sekunden (also Y-mal so viel wie vorher) benötigt, dann waren noch Y*x ml Wasser im Abscheider. Wenn die Luftseite feuchter betrieben wird als angenommen kann deswegen mehr Wasser zur Anode transportiert werden. Diese Kausalität kann während des Abstellvorgangs oder etwa immer wenn man den Zustand „Abscheider soll leer sein“ bewertet werden.For example, if it takes 10 seconds for the separator to empty, then historically x ml of water still remained in the separator. If it takes 20 seconds (i.e., Y times as much as before), then Y*x ml of water still remained in the separator. If the air side is operated at a higher humidity than expected, more water can be transported to the anode. This causality can be evaluated during the shutdown process or whenever the "separator should be empty" condition is determined.
Dazu kann im Hintergrund eine Annahme anhand eines Wassermodells getroffen werden und es können Erkenntnisse daraus gezogen werden.For this purpose, an assumption can be made in the background based on a water model and conclusions can be drawn from it.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite; einen Rezirkulationskreis, welcher mit der Anodenseite verbunden ist und ein Ablassventil in dem Rezirkulationskreis, über welches der Gastreibstoff aus dem Rezirkulationskreis zumindest teilweise ablassbar ist und einen Wasserabscheider sowie ein Wasserablassventil in dem Rezirkulationskreis, über welches ein Produktwasser von der Brennstoffzelle und von dem Wasserabscheider aus dem Rezirkulationskreis zumindest teilweise ablassbar ist; eine Wasserstoffzuleitung, welche mit dem Rezirkulationskreis verbunden ist und über welche frischer Wasserstoff in den Rezirkulationskreis zuleitbar ist; eine Sensoreinrichtung, welche an der Anodenseite und/oder in dem Rezirkulationskreis angeordnet ist, und mit welcher eine Gaskonzentration eines Wasserstoffs und/oder eine Menge des vom Wasserabscheider erzeugten Prozesswassers in dem Rezirkulationskreis ermittelbar ist; und eine Steuereinrichtung, welche mit der Sensoreinrichtung, der Brennstoffzelle mit dem Ablassventil und mit dem Wasserablassventil verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.According to the invention, the fuel cell system comprises a fuel cell with a cathode side and an anode side; a recirculation circuit connected to the anode side and a drain valve in the recirculation circuit, via which the gas fuel can be at least partially drained from the recirculation circuit; and a water separator and a water drain valve in the recirculation circuit, via which product water from the fuel cell and from the water separator can be at least partially drained from the recirculation circuit; a hydrogen supply line connected to the recirculation circuit and via which fresh hydrogen can be fed into the recirculation circuit; a sensor device arranged on the anode side and/or in the recirculation circuit, and with which a gas concentration of hydrogen and/or a quantity of the process water generated by the water separator in the recirculation circuit can be determined. and a control device which is connected to the sensor device, the fuel cell, the drain valve and the water drain valve and is configured to carry out a method according to the invention.
Das Purge und das Drain Ventil können einen gemeinsamen Pfad in Richtung Kathode aufweisen.The purge and drain valves can have a common path towards the cathode.
Das Brennstoffzellensystem kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.The fuel cell system can also be characterized by the features and advantages mentioned in connection with the process and vice versa.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the schematic figures of the drawing.
Es zeigen:
-
1 ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
2 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention; -
2 a block diagram of method steps of the method for operating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally identical elements.
Das gezeigte Brennstoffzellensystem BS umfasst eine Brennstoffzelle BZ mit einer Kathodenseite K und einer Anodenseite A; einen Rezirkulationskreis RZ, welcher mit der Anodenseite A verbunden ist und einen Wasserabscheider WA sowie ein Drain-Ventil DV in dem Rezirkulationskreis RZ, welches mit einer Abgasleitung verbunden ist und über welches ein Produktwasser von der Brennstoffzelle BZ und von dem Wasserabscheider WA aus dem Rezirkulationskreis RZ zumindest teilweise ablassbar ist; einen Sensor S, welcher mit der Abgasleitung verbunden ist, und mit welchem eine Wasserstoffkonzentration ermittelbar ist; und eine Steuereinrichtung SE, welche mit dem Sensor S, mit der Brennstoffzelle BZ und mit dem Drain-Ventil DV verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.The fuel cell system BS shown comprises a fuel cell BZ with a cathode side K and an anode side A; a recirculation circuit RZ, which is connected to the anode side A and a water separator WA as well as a drain valve DV in the recirculation circuit RZ, which is connected to an exhaust line and via which product water from the fuel cell BZ and from the water separator WA can be at least partially drained from the recirculation circuit RZ; a sensor S, which is connected to the exhaust line and with which a hydrogen concentration can be determined; and a control device SE, which is connected to the sensor S, to the fuel cell BZ and to the drain valve DV, and is configured to carry out a method according to the invention.
Über eine Wasserstoffzuleitung GS kann Wasserstoff von einem Wasserstoffspeichersystem dem Anodensubsystem zugeführt werden.Hydrogen can be supplied from a hydrogen storage system to the anode subsystem via a hydrogen supply line GS.
Mit der Wasserstoffzuleitung GS kann weiterhin ein Wasserstoffinjektor HGI verbunden sein, welcher den Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem BS dosieren kann.A hydrogen injector HGI can also be connected to the hydrogen supply line GS, which can dose the hydrogen into the fuel cell system BS.
Durch den Wasserabscheider WA kann vorteilhaft das anodenseitige Rezirkulat vom Flüssigwasser getrennt werden.The WA water separator can advantageously separate the anode-side recirculate from the liquid water.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung kann das Rezirkulationsgebläse GB dem HGI im Rezirkulationskreis RZ vorgeschaltet sein.In an embodiment according to the invention, the recirculation fan GB can be connected upstream of the HGI in the recirculation circuit RZ.
Das Drain-Ventil DV (oder nur die Drainbohrung welche mit dem Ventil verbunden ist) kann sich an einem tiefsten Punkt des Rezirkulationskreises RZ befinden, beispielsweise in vertikaler Richtung gesehen und mit dem Abgaspfad AG verbunden sein, in welchem der Sensor S angeordnet sein kann, und welcher sich im Kathodenabluftpfad (von der Kathode K) befinden kann oder mit diesem verbunden sein kann. Die Brennstoffzelle BZ kann einen Anschluss zur Kühlvorrichtung KH und elektrische Anschlüsse EL aufweisen.The drain valve DV (or just the drain hole connected to the valve) can be located at the lowest point of the recirculation circuit RZ, for example, viewed vertically, and connected to the exhaust path AG, in which the sensor S can be located, and which can be located in the cathode exhaust path (from the cathode K) or connected to it. The fuel cell BZ can have a connection to the cooling device KH and electrical connections EL.
Es kann auch ein Drucksensor P zwischen HGI und Anode A montiert sein.A pressure sensor P can also be mounted between HGI and anode A.
Bei dem Verfahren erfolgt ein Einleiten S1 einer Abschaltprozedur und/oder eines Abschaltzustands des Brennstoffzellensystems; ein Verringern S2 einer Erzeugung von Produktwasser an einer Anode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems unterhalb oder gleich einer Minimalvorgabe; ein Ansteuern S3 eines Anoden-Drain-Ventils und Öffnen dieses Anoden-Drain-Ventils, wodurch ein Wasserabscheider in einem Anoden-Rezirkulationskreis der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems und/oder der Anoden-Rezirkulationskreis zumindest teilweise entleert wird; ein Überwachen S4 einer Abgasleitung aus dem Anoden-Rezirkulationskreis mit einem Sensor, wobei die Abgasleitung mit dem Anoden-Drain-Ventils verbunden ist und Erkennen S4a einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgas in der Abgasleitung nach und/oder bei einem Abscheiden des Produktwassers aus dem Anoden-Drain-Ventil; und ein Rückschließen S5 auf eine ausreichende Entleerung des Wasserabscheiders und/oder des Anoden-Rezirkulationskreises wenn die ermittelte Wasserstoffkonzentration größer oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert ist.The method comprises initiating S1 a shutdown procedure and/or a shutdown state of the fuel cell system; reducing S2 the production of product water at an anode of a fuel cell of the fuel cell system below or equal to a minimum specification; controlling S3 an anode drain valve and opening this anode drain valve, whereby a water separator in an anode recirculation circuit of the fuel cell of the fuel cell system and/or the anode recirculation circuit is at least partially emptied; monitoring S4 an exhaust gas line from the anode recirculation circuit with a sensor, wherein the exhaust gas line is connected to the anode drain valve and detecting S4a a hydrogen concentration in an exhaust gas in the exhaust gas line after and/or during separation of the product water from the anode drain valve; and a conclusion S5 on sufficient emptying of the water separator and/or the anode recirculation circuit if the determined hydrogen concentration is greater than or equal to a predetermined limit value.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above using the preferred embodiment, it is not limited thereto but can be modified in many ways.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents submitted by the applicant was generated automatically and is included solely for the convenience of the reader. This list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 11 2006 003 013 B4 [0006]DE 11 2006 003 013 B4 [0006]
Claims (8)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023211248.5A DE102023211248A1 (en) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system |
| PCT/EP2024/075414 WO2025103636A1 (en) | 2023-11-13 | 2024-09-12 | Method for operating a fuel cell system, and fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023211248.5A DE102023211248A1 (en) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102023211248A1 true DE102023211248A1 (en) | 2025-05-15 |
Family
ID=92792578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102023211248.5A Pending DE102023211248A1 (en) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102023211248A1 (en) |
| WO (1) | WO2025103636A1 (en) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4935117B2 (en) | 2005-11-08 | 2012-05-23 | トヨタ自動車株式会社 | tank |
| WO2008052578A1 (en) * | 2006-10-31 | 2008-05-08 | Daimler Ag | Fuel cycle of a fuel cell system and method for operating a fuel cell system |
| DE102021205557A1 (en) * | 2021-06-01 | 2022-12-01 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Recirculation device for hydrogen supply in a fuel cell and method for operating a recirculation device for hydrogen supply in a fuel cell |
| DE102021214309A1 (en) * | 2021-12-14 | 2023-06-15 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for operating a fuel cell system, control unit |
| DE102022200638A1 (en) * | 2022-01-20 | 2023-07-20 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for operating a fuel cell system, control unit |
-
2023
- 2023-11-13 DE DE102023211248.5A patent/DE102023211248A1/en active Pending
-
2024
- 2024-09-12 WO PCT/EP2024/075414 patent/WO2025103636A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025103636A1 (en) | 2025-05-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102015118793B4 (en) | Method for detecting leakage of reaction gas from a fuel cell and fuel cell system | |
| DE102011101643B4 (en) | Method and system for detecting small anode leaks in fuel cell systems | |
| DE112006004076B4 (en) | Fuel circuit of a fuel cell system and method for operating a fuel cell system | |
| DE10230702B4 (en) | Control / regulating device for a fuel cell | |
| DE102012218132A1 (en) | Anode scavenging and bleed valve strategy for a fuel cell system | |
| DE112004000811T5 (en) | Operation control for a fuel cell system | |
| DE112009004786T5 (en) | The fuel cell system | |
| DE102009057775A1 (en) | Adaptive anode drain strategy | |
| DE112007002560B4 (en) | Control method for a fuel cell system | |
| DE102017202526B4 (en) | Method for draining liquid from an anode subsystem and fuel cell system | |
| DE102021214309A1 (en) | Method for operating a fuel cell system, control unit | |
| WO2023139092A1 (en) | Method for operating a fuel cell system, and control device | |
| DE112005002023B4 (en) | Liquid discharge method for a fuel cell system | |
| DE102012104794A1 (en) | Leak diagnosis for a fuel cell system in idle-stop mode | |
| DE102023211248A1 (en) | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system | |
| DE102009050930B4 (en) | A fuel cell system and method for detecting a malfunction in a bleed distribution unit of a fuel cell system | |
| DE102021210194A1 (en) | Fuel cell system with automatic detection of an empty water separator | |
| WO2024104769A1 (en) | Method for operating a fuel cell system, and fuel cell system | |
| WO2024089015A1 (en) | Method for operating a fuel cell system, and control device | |
| DE102015119422A1 (en) | The fuel cell system | |
| DE102022211770A1 (en) | Method for operating a fuel cell system, control unit | |
| DE102022207297A1 (en) | Diagnostic method for diagnosing a state of a hydrogen sensor in a fuel cell system | |
| DE102012014126A1 (en) | Method for operating PEM fuel cell in fuel cell system in vehicle i.e. motor car, for provision of electrical driving power, involves closing metering valve until preset minimum pressure is reached in compartment, and again opening valve | |
| DE102021128630B4 (en) | Method for detecting the fill level of a water separator and fuel cell device | |
| DE102022212137A1 (en) | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system |