DE102009039445A1

DE102009039445A1 - Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas

Info

Publication number: DE102009039445A1
Application number: DE102009039445A
Authority: DE
Inventors: Harald Teves; Uwe Dipl.-Ing. Pasera; Peter Dipl.-Ing. Neufeld (FH); Boris Dipl.-Ing. Stein (Fh); Sven Dr.-Ing. Schmalzriedt
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: DE102009039445B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bereich (7), durch welchen ein mit Flüssigkeit vermischter Gasstrom strömt. Das Ablassen erfolgt in einem Abströmbereich, welcher auf einem niedrigeren Druckniveau als der Gasstrom liegt. Das Ablassen wird durch eine Ventileinrichtung (11) gesteuert oder geregelt. Die Ventileinrichtung (11) wird mit einer pulsweiten-modulierten Taktung betrieben. Das Tastverhältnis wird zumindest in Abhängigkeit der Differenz zwischen den beiden Druckniveaus (p, p) variiert. Der bevorzugte Einsatzzweck des Verfahrens liegt darin, einen für den gemeinsamen Drain und Purge genutzten Wasserabscheider (10) im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems (1) sicher und zuverlässig ohne den Einsatz von Füllstandssensoren zu entleeren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bereich, durch welchen ein mit Flüssigkeit vermischter Gasstrom strömt nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Behälter bekannt, in denen sich Flüssigkeit ansammelt, welche von Zeit zu Zeit entleert werden müssen. Beispielhaft kann hierfür auf Flüssigkeitsabscheider verwiesen werden, welche typischerweise von Gasströmen mittransportierte Flüssigkeiten, beispielsweise in Form von Tröpfchen, aus dem Gasstrom abscheiden. Die abgeschiedene Flüssigkeit sammelt sich in einem Behälter des Flüssigkeitsabscheiders. Von Zeit zu Zeit muss diese Flüssigkeit entleert werden, um ein Überlaufen des Behälters zu verhindern. Ein beispielhafter Einsatzzweck kann insbesondere in chemischen Systemen liegen, in denen die Gase beispielsweise Lösungsmittel oder dergleichen sind. Ein weiterer Einsatz kann beispielsweise bei der Verwendung in einem Brennstoffzellensystem liegen, bei dem derartige Flüssigkeitsabscheider eingesetzt werden, um das von der Brennstoffzelle produzierte Produktwasser aus den Abgasen der Brennstoffzelle abzuscheiden.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, derartige Behälter mit Füllstandssensoren auszurüsten. Typischerweise werden dabei zwei Füllstandssensoren eingesetzt, um den Füllstand des Behälters zwischen diesen beiden Sensoren halten zu können. Alternativ dazu kann ein Füllstandssensor eingesetzt werden, welcher zwei Schaltpunkte aufweist, sodass bekannt ist, ob der Flüssigkeitsspiegel den Füllstandssensor in Richtung der Schwerkraft von oben nach unten, also beim Entleeren passiert, oder in der umgekehrten Richtung, also beim Befüllen. Nachteilig bei dieser Art von Sensoren ist es, dass diese vergleichsweise aufwendig und teuer sind. Es wäre also wünschenswert einen Aufbau zu realisieren, welcher mit weniger und/oder einfacheren Sensoren einen sicheren Betrieb zum Entleeren eines derartigen Behälters ermöglicht.
Aus der DE 102 33 039 A1 ist ein Verfahren zum Regeln eines Füllstands bekannt, welches entgegen dem beschriebenen allgemeinen Stand der Technik mit Hilfe eines einzigen entsprechend positionierten Füllstandssensors auskommt. Der Füllstandssensor ist dabei so angeordnet, dass er solange benetzt ist, bis ein minimaler Füllstand erreicht worden ist. Die über den Füllstandssensor angesteuerte Ventileinrichtung kann dann geschlossen werden, sodass sich wieder Wasser in dem Behälter ansammeln kann. Die Problematik bei diesem Aufbau liegt nun darin, dass kapazitive Füllstandssensoren sehr stark zur Verschmutzung neigen und dann fehlerhafte Werte angeben. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen zu beobachten, in denen aus der Brennstoffzelle ausgewaschene Stoffe in dem Wasser vorhanden sind, welches die Füllstandssensoren umspült. Die Sensoren verschmutzen dann massiv und liefern sehr häufig falsche Werte, sodass eine sichere und zuverlässige Steuerung des Ablassens nicht mehr möglich ist.
Aus dem weiteren Stand der Technik sind außerdem Schwimmschalter als Füllstandssensoren für Behälter bekannt. So wird beispielsweise in der US 3,555,221 ein Füllstandssensor beschrieben, welcher ein Ablassventil entsprechend steuert. Dabei ist der Füllstandssensor selbst als Schwimmer ausgebildet, welcher über geeignete Schaltmittel ein Ablassen von Flüssigkeit aus dem Behälter steuert. Ein ähnlicher Aufbau, bei dem eine Nachfüllpumpe einen Füllstand in einem Behälter auf einem vorgegebenen Niveau hält, ist beispielsweise in der US 5,010,218 beschrieben. Auch hier wird ein Schwimmer zur Erfassung des Füllstandes eingesetzt.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik sind neben Schwimmschaltern als Sensoren insbesondere auch kapazitive Sensoren bekannt, welche unterschiedliche elektrische Signale abgeben, je nachdem, ob ein Bereich ihrer Oberfläche mit Flüssigkeit in Kontakt steht oder nicht. Im Vergleich zum mechanischen Aufbau der Schwimmer, haben diese Sensoren den Vorteil eines einfachen mechanischen Aufbaus, welcher bei weitem nicht so störanfällig ist, wie ein Schwimmer, welcher sich beispielsweise in einem Gehäuse verkanten kann und damit falsche Werte anzeigen würde.
Ein besonderer Fall der Anwendung liegt bei Brennstoffzellensystemen vor, wenn diese mit einer Rezirkulationsleitung zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang aufgebaut sind. So eine Aufbau ist beispielsweise aus der DE 101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen mit einer sogenannten Anodenloop reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der DE 101 15 336 A1 kann die „Entsorgung” dieses Abgases aus dem Bereich des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann. Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der DE 101 15 336 A1 ferner ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.
Aus der internationalen Anmeldung WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenloop bekannt, welcher hierin als Brennstoffkreis bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit einer Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn sich eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt hat, wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas aus dem Anodenloop über die Ventileinrichtung des Wasserabscheiders aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität, welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert.
Der Aufbau der genannten WO-Schrift benötigt dabei ebenfalls einen oder zwei Füllstandssensoren, welche typischerweise als kapazitive Sensoren ausgebildet sind. Auch diese Sensoren neigen, wie der oben bereits beschriebene Füllstandssensor, zur Verschmutzung, insbesondere beim Einsatz in einem Wasserabscheider im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems. Verschmutzte Füllstandssensoren geben dann falsche Signale an die Steuerung, sodass die Ventileinrichtung entweder zu lange geschlossen bleibt, sodass der Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems mit sich sammelndem Wasser überflutet wird, oder dass die Ventileinrichtung solange offen bleibt, bis eine große Menge an Wasserstoff entwichen ist. Beide Szenarien sind dabei unerwünscht und für das Brennstoffzellensystem und/oder die Umwelt schädlich.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, diese genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bereich, durch welchen ein mit Flüssigkeit vermischter Gasstrom strömt, zu schaffen, welches sicher und zuverlässig funktioniert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird die Ventileinrichtung in einer pulsweiten-modulierten Taktung betrieben, um möglichst viel Flüssigkeit abzulassen. Dabei wird das Tastverhältnis in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Druck in dem Gasstrom und dem Druck im Abströmbereich variiert, um den Abstrom der Flüssigkeit zu maximieren. Im Sinne der Erfindung ist unter dem Tastverhältnis dabei der Anteil der Pulse mit geöffneter Ventileinrichtung an der Gesamtheit des Betriebs zu verstehen. Dies bedeutet, dass eine ständig geöffnete Ventileinrichtung einem Tastverhältnis von 100% und eine ständig geschlossene Ventileinrichtung einem Tastverhältnis von 0% entsprechen würde.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Frequenz der Pulsweiten-Modulation daher in einem Bereich unterhalb von 1 Hz, insbesondere bei ca. 0,2 Hz betrieben. Diese vergleichsweise geringe Frequenz stellt lange Öffnungszeiten der Ventileinrichtung in jedem einzelnen Puls sicher, um so den Abstrom einer maximalen Menge an Flüssigkeit zu gewährleisten.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun vorgesehen, dass dem Abströmbereich außerdem ein weiterer Gasstrom zugeführt wird, wobei das Tastverhältnis zusätzlich in Abhängigkeit eines Massen- oder Volumenstroms dieses Gases variiert wird. Neben der Druckdifferenz kann hier also die Tatsache mit einbezogen werden, dass ein weiterer Gasstrom in den Abströmbereich eingeleitet wird. Anhand des Volumen- oder Massenstroms dieses weiteren Gasstroms kann nun das Tastverhältnis variiert werden. Damit kann sichergestellt werden, dass eine ausreichende Gasmenge zur Abfuhr der Flüssigkeit und/oder zum Verdünnen des neben der Flüssigkeit mit abgeschiedenen Gases aus dem ersten Gasstrom gewährleistet ist.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Tastverhältnis in Abhängigkeit einer, eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden oder empfangenen Systems charakterisierenden Größe variiert wird. Damit kann neben den bereits erwähnten Größen ergänzend eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden oder empfangenden Systems mit berücksichtigt werden, welche beispielsweise Rückschlüsse auf den Volumenstrom des ersten Gasstroms und/oder die in ihm anfallende Menge an Flüssigkeit zulässt.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Variation des Tastverhältnisses nun über ein Kennfeld erfolgen, welches zumindest die Differenz der beiden Drücke in der oben geschilderten Art als Eingangsgröße verwendet. Damit lassen sich bestimmte Zusammenhänge in dem jeweiligen System hinterlegen, sodass über das Kennfeld neben der Differenz der Drücke selbst weitere Kenngrößen zum Ablassen der Flüssigkeit und/oder des Gases mit berücksichtigt werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon sieht es das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass das Kennfeld so vorgegeben wird, dass eine Konzentration wenigstens eines Bestandteils, insbesondere eines gasförmigen Bestandteils, des Gasstroms in dem Abströmbereich in Abhängigkeit einer, eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden Systems charakterisierenden Größe unter einem vorgegebenen Grenzwert bleibt. Diese Variante des Verfahrens passt das Kennfeld also so an, dass insbesondere unerwünschte Konzentrationen eines Bestandteils des Gasstroms im Abströmbereich vermieden werden, indem diese Konzentrationen entsprechend der Eingangsgrößen des Kennfelds immer so angesteuert werden, dass diese unterhalb eines Grenzwerts bleiben.
In einer entsprechenden Variante hiervon kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Kennfeld neben der Differenz der beiden Druckniveaus einen Massenstrom des weiteren Gasstroms als Eingangsgröße verwendet. Wie bereits oben erwähnt, kann so auch eine Verdünnung beispielsweise der Konzentration eines Bestandteils des Gasstroms über diesen Massenstrom des weiteren Gasstroms mit berücksichtigt werden.
Nun kann es trotz des erfindungsgemäßen Verfahrens dazu kommen, dass aus dem Bereich des Gasstroms mehr Stoffe ausgetragen werden als gewünscht ist, oder eine zu hohe Konzentration an Stoffen im Abströmbereich auftritt. Deshalb kann es vorgesehen sein, dass das Ablassen aus einem Sammelbereich für Flüssigkeit heraus erfolgt, wobei das Tastverhältnis in jedem Fall mit 0% vorgegeben wird, also die Ventileinrichtung geschlossen bleibt, wenn entweder die Flüssigkeitsmenge in dem Sammelbereich kleiner als ein vorgegebener Wert ist oder die Konzentration wenigstens eines gasförmigen Bestandteils des Gasstroms in dem Abströmbereich oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwerts liegt oder die Konzentration wenigstens eines gasförmigen Bestandteils des Gasstroms bei geöffneter Ventileinrichtung um mehr als einen vorgegebenen Grenzwert ansteigt. Das erste Kriterium, welches zu einem Schließen der Ventileinrichtung führt, ist also eine zu geringe Flüssigkeitsmenge in dem Sammelbereich. Dies würde unweigerlich zu einem vergleichsweise großen Abstrom an Gas führen, welcher gegebenenfalls unerwünscht sein kann. In diesem Fall wird über die Variation des Tastverhältnisses auf 0% die Ventileinrichtung geschlossen, um erst wieder Flüssigkeit anzusammeln, bevor die Ventileinrichtung erneut geöffnet wird. Die beiden weiteren Bedingungen beziehen sich jeweils auf die Konzentration eines gasförmigen Bestandteils des Gasstroms im Abströmbereich. Sobald dieser einen fest vorgegebenen Grenzwert übersteigt oder bei geöffneter Ventileinrichtung zu schnell ansteigt, könnte ebenfalls ein sicherheitsrelevantes Problem vorliegen, da im Abströmbereich diese Konzentration gegebenenfalls unerwünscht ist. Auch dann wird die Ventileinrichtung über eine Variation des Tastverhältnisses auf 0% geschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ebenfalls vorgesehen, dass das Ablassen aus einem Sammelbereich für Flüssigkeit heraus erfolgt. In diesem Fall lassen sich entsprechende Vorgaben für das Tastverhältnis treffen, sodass dieses immer dann mit einem Wert größer als 0% zu gelassen wird, wenn die Flüssigkeitsmenge in dem Sammelbereich größer als ein vorgegebener Grenzwert ist und die Differenz zwischen den Druckniveaus oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt. In diesen Fällen, in denen sich in dem Sammelbereich bereits eine entsprechende Menge an Flüssigkeit angesammelt hat und eine ausreichend hohe Druckdifferenz vorliegt, um das Ablassen der Flüssigkeit sicherzustellen, wird in jedem Fall ein Tastverhältnis von größer als 0%, also ein Betrieb mit zumindest teilweise geöffneter Ventileinrichtung zugelassen, sodass die Flüssigkeit, welche sich angesammelt hat, abgelassen wird.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung dieser beiden Aspekte des Verfahrens ist es nun vorgesehen, dass zwischen dem Zustand mit einem Tastverhältnis von 0% und dem Zustand, in dem ein Tastverhältnis von größer 0% erlaubt wird, in der Art einer Hysterese hin und her geschaltet wird. Damit wird immer dann, wenn ein Tastverhältnis von größer als 0% erlaubt wird, der maximale Austrag an Flüssigkeit sichergestellt, während in den anderen Zuständen dafür gesorgt wird, dass keine sicherheitsrelevanten oder schädlichen Zustände durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgelöst werden. Durch die Hysterese wird dabei eine gewisse Überlappung der Zustände beim Schalten erreicht, sodass beispielsweise beim Verharren des Systems in einem der Schaltpunkte nicht ständig zwischen den beiden Zuständen hin- und hergeschaltet wird.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung dieser Verfahren ist es nun vorgesehen, dass die Flüssigkeitsmenge im Sammelbereich mittels numerischer Integration der Differenz zwischen dem Flüssigkeitszufluss in den Sammelbereich und dem Flüssigkeitsabfluss aus dem Sammelbereich bestimmt wird. Hierdurch kann aufgrund der reinen Berechnung der Flüssigkeitsmenge in dem Sammelbereich auf eine Sensorik, welche sich in der Praxis als extrem störanfällig erwiesen hat, verzichtet werden.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass der Flüssigkeitsabfluss aus einem Durchflussfaktor (kv-Wert) der Ventileinrichtung und der aktuellen Differenz zwischen den beiden Druckniveaus errechnet wird. Über diesen Durchflussfaktor der Ventileinrichtung im geöffneten Zustand und der über der Ventileinrichtung anstehenden Druckdifferenz lässt sich vergleichsweise sicher und zuverlässig der Flüssigkeitsabfluss aus dem Sammelbereich berechnen.
In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee ist es ferner vorgesehen, dass der Flüssigkeitszufluss anhand eines Kennfeldes ermittelt wird. Damit lassen sich Erfahrungswerte in die Ermittlung des Flüssigkeitszuflusses integrieren, ohne dass hierfür ein großer Berechnungsaufwand entsteht.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieses Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass dieses Kennfeld die experimentell ermittelten Werte des Flüssigkeitszuflusses anhand wenigstens eines Temperaturwerts und wenigstens eines Werts, welcher auf einer eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden Systems charakterisierenden Größe basiert, ermittelt wird. Ein solches Kennfeld ermöglicht es, dass über den Temperaturwert Kondensationseffekte und über die eine Betriebssituation des Systems charakterisierenden Größe eine entsprechende Betriebssituation mit berücksichtigt wird. Damit lassen sich zusammen mit den experimentell ermittelten Erfahrungswerten des Kennfelds vergleichsweise sichere und zuverlässige Aussagen über den Flüssigkeitszufluss schaffen.
Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass in die Ermittlungen des Flüssigkeitsabflusses zumindest ein positiver Korrekturwert einfließt, welcher größer als 1 ist. Ein solcher positiver Korrekturwert größer als 1 stellt dann in jedem Fall sicher, dass der Flüssigkeitsabfluss ausreichend beziehungsweise etwas zu groß berechnet wird, sodass in jedem Fall die gesamte vorliegende Flüssigkeit aus dem Sammelbereich entleert wird.
In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun auch vorgesehen sein, dass im Sammelbereich ein Sensor für die Flüssigkeit so angeordnet wird, dass er nur im Fall einer Fehlfunktion benetzt wird und dann die Ventileinrichtung zwangsweise öffnet, um ein Überlaufen zu verhindern. Der Sensor wird also so angeordnet, dass er einen maximalen Füllstand des Sammelbereichs detektieren kann, bevor dieser überläuft und beispielsweise durch mit dem Gasstrom fortgerissene große Mengen an Flüssigkeit ein System flutet. Wird eine solche Gefahr eines Überlaufens erkannt, öffnet die Ventileinrichtung zwangsweise, sodass die Flüssigkeit ablaufen und ein Schaden in dem System verhindert werden kann. Da dieser Sensor nur in Extremsituationen und bei einer Fehlfunktion des erfindungsgemäßen Verfahrens überhaupt mit Flüssigkeit in Berührung kommt, ist die Gefahr, dass dieser verschmutzt, sehr klein, sodass auch mit an sich bekannten einfachen und kostengünstigen Flüssigkeitssensoren, wie beispielsweise einem kapazitiven Sensor, eine zuverlässige Absicherung des Systems gegen Fehlfunktionen realisiert werden kann.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt, insbesondere um den Austrag von Wasser und Anodenabgas im Anodenkreislauf eines solchen Brennstoffzellensystems aus einem Wasserabscheider heraus zu steuern beziehungsweise zu regeln.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert wird.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
3 ein Ablaufschema zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Brennstoffzellensystems.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas soll nachfolgend anhand eines Brennstoffzellensystems 1 beschrieben werden, bei dem Wasser und inerte Gase, insbesondere Stickstoff, sowie ein Rest an Wasserstoff abgelassen werden. Das beispielhaft anhand von Brennstoffzellensystemen 1 beschriebene Verfahren kann dabei analog hierzu auch in anderen Systemen, Reaktoren oder dergleichen mit beliebigen anderen gasförmigen und/oder flüssigen Stoffen, wie beispielsweise Gasen und darin gelösten und flüssig auftretenden Lösungsmitteln oder dergleichen, analog eingesetzt werden.
Zum Verständnis der Anwendung des Verfahrens soll nachfolgend zuerst ein Brennstoffzellensystem 1 prinzipmäßig beschrieben werden, um die Randbedingungen für das erfindungsgemäße Verfahren anhand des hier gewählten Beispiels deutlich zu machen. Dieses Brennstoffzellensystem 1, von dem in den 1 und 2 verschiedene Varianten dargestellt sind, kann beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie in einem Transportmittel, also einem Fahrzeug, einem Flugzeug, einem Schiff oder dergleichen, dienen. Insbesondere soll es zur Bereitstellung von Antriebsenergie in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
In der Darstellung der 1 ist ein solches Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.
Der Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt. Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt. Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück in den Anodenraum, wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 angeordnet, welche für die Rückführung des unverbrauchten Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 kann dabei als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein, so wie dies in 1 angedeutet ist. Ergänzend oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar, welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.
Der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über eine Luftfördereinrichtung 9 entsprechend verdichtet und dem Kathodenraum 4 zugeführt. Zur Aufbereitung der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dabei als Strömungsverdichter oder Kompressor ausgebildet sein, beispielsweise als Schraubenkompressor.
Dieser bis hierher beschriebene Aufbau entspricht dabei dem entsprechenden Teil eines Brennstoffzellensystems 1, wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der Tatsache, dass dem Kathodenraum 4 Luft zugeführt wird, und dass der Wasserstoff über die Rezirkulationsleitung 7, in einem sogenannten Anodenloop, um den Anodenraum 3 geführt wird, kommt es mit der Zeit zu einer Anreicherung von Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und des Anodenraums 3, da Stickstoff durch die Membran hindurch aus der Luft im Kathodenraum 4 in den Bereich des Anodenraums 3 diffundiert. Außerdem wird ein Teil des entstehenden Produktwassers im Bereich des Anodenraums 3 entstehen, wenn auch der größte Teil des Produktwassers im Kathodenraum 4 anfällt. Das im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 anfallende Wasser sammelt sich dabei in einem an sich bekannten Wasserabscheider 10, welcher in verschiedenen Bauarten ausgeführt sein kann. Dieser Wasserabscheider 10 ist nun über eine Ventileinrichtung 11 mit einer Abströmleitung 12 verbunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel leitet die Abströmleitung 12 das abströmende Wasser zusammen mit dem austretenden Stickstoff und einem Rest an Wasserstoff, welcher den Wasserabscheider 10 und die Ventileinrichtung 11 passieren wird, sobald das Wasser gänzlich abgelassen ist, in den Bereich des Abgases des Kathodenbereichs 4 und wird von diesem entsprechend verdünnt in die Umgebung ausgetragen. Der Abströmbereich für das Wasser und/oder das aus dem Wasserabscheider 10 ist also im Bereich der Abgasstrecke des Kathodenbereichs angeordnet.
Außerdem ist in der Darstellung der 1 ein optionaler Befeuchter 13 zu erkennen. Dieser ist als Gas-Gas-Befeuchter 13 ausgebildet und mit Membranen versehen, welche lediglich für Wasserdampf, nicht jedoch für die zu und von dem Kathodenbereich 4 strömenden Gase durchlässig ist. Auf der einen Seite des Befeuchters 13 strömt nun der nach der Luftfördereinrichtung 9 vergleichsweise heiße und trockene Luftstrom zum Kathodenbereich 4. Auf der anderen Seite der Membranen des Befeuchters 13 strömt das mit Produktwasser beladene Abgas aus dem Kathodenbereich 4. Die in ihm enthaltene Feuchtigkeit kann so über die Membranen des Befeuchters 13 die Zuluft zum Kathodenbereich 4 in an sich bekannter Art und Weise befeuchten. Je nach Aufbau der Brennstoffzelle 2 und/oder Betriebsbedingungen kann auf den hier optional dargestellten Befeuchter 13 auch verzichtet werden.
Bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 wird über den Wasserabscheider 10 und die Ventileinrichtung 11 also mit einem einzigen Baukomplex sowohl das Ablassen des Wassers (Drain) als auch das zyklische Ablassen von inerten Gasen aus der Rezirkulationsleitung 7 (Purge) realisiert.
Eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 1 ist in der Darstellung der 2 zu erkennen. In dieser Darstellung der 2 entspricht der Aufbau des Brennstoffzellensystems im Wesentlichen dem bisher gesagten. Lediglich die Anbindung der Abströmleitung 12 ist hier anders gewählt. Diese mündet nicht in den Abgasstrom aus dem Kathodenbereich 4, sondern in den Zuluftstrom zu eben diesem Kathodenbereich 4. Das Einbringen des abgelassenen Wassers und/oder Gases in den Zuluftstrom zum Kathodenbereich 4 ist dabei ebenfalls aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Eventueller Restwasserstoff, welcher beim Purge aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 in die Abströmleitung 12 gelangt, kann dann an den Elektrokatalysatoren des Kathodenbereichs 4 entsprechend umgesetzt werden, sodass keine Wasserstoffemissionen aus dem Brennstoffzellensystem 1 heraus zu befürchten sind. Prinzipiell gibt es dabei die Möglichkeit, die Verbindungsleitung 12 mit dem Zuluftstrom vor der Luftfördereinrichtung 9 zu verbinden oder, wie es hier optional durch den Leitungsabschnitt 12' dargestellt ist, auch alternativ oder ergänzend mit dem Luftstrom zum Kathodenbereich 4, nachdem dieser die Luftfördereinrichtung 9 bereits passiert hat. Auch eine Anordnung des hier optional dargestellten Befeuchters 13 vor oder nach der Verbindung zum Leitungselement 12' wäre wahlweise möglich. Der Abströmbereich für Wasser und/oder Gas liegt bei diesem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 damit im Bereich der Zuluft zum Kathodenbereich 4, unabhängig von der konkreten Stelle der Eindüsung beziehungsweise Vermischung.
Problematisch zur Steuerung des Ablassens von Wasser und/oder Gasen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 sind nun Füllstandssensoren, welche in dem Wasserabscheider 10 angeordnet sind, und welche gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik zur Ansteuerung der Ventileinrichtung 11 verwendet werden können. Wünschenswert wäre es daher, auf derartige störanfällige Sensoren zu verzichten und dennoch ein Verfahren bereitzustellen, welches sicher und zuverlässig das im Wasserabscheider 10 gesammelte Wasser aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 abführt und außerdem für die benötigte Abfuhr von inertem Gas über den Wasserabscheider 10 und die Ventileinrichtung 11 sorgt. Ein solches Verfahren, welches ohne Füllstandssensor auskommt, ist in dem Ablaufschema der 3 zu erkennen. Grundlage für die Ansteuerung der Ventileinrichtung 11, welche hier durch den mit 11 gekennzeichneten Block symbolisiert ist, ist die getaktete Ansteuerung über ein pulsweiten-moduliertes Signal, welches durch einen mit 14 bezeichneten PWM-Generator bereitgestellt wird. Diesem PWM-Generator 14 dient als eine der Eingangsgrößen eine Frequenzvorgabe f₀. Diese Frequenzvorgabe f₀ wird bevorzugt bei einer Frequenz von unterhalb 1 Hz, insbesondere in der Größenordnung cirka von 0,2 Hz vorgegeben. Als weitere Eingangsgröße für den PWM-Generator 14 dient ein weiteres Signal, welches entweder ein variierendes Tastverhältnis für die Pulsweiten-Modulation vorgibt, wenn ein Ablassen von Wasser und Gas vorgesehen ist, oder welches ein festes Tastverhältnis von 0% vorgibt, wenn in später noch erläuterter Art und Weise aufgrund bestimmter Parameter kein Ablassen von Wasser und Gas erfolgen soll.
Soll ein Ablassen von Wasser und Gas erfolgen, so wird anhand des oberen Zweigs das Tastverhältnis aus einem mit 15 bezeichneten Kennfeld ermittelt. Als Eingangsgröße für dieses Kennfeld dient einmal ein Luftmassenstrom dm/dt, welcher beispielsweise anhand einer Drehzahl der Luftfördereinrichtung 9 abgeschätzt werden kann. Außerdem dient als weitere Eingangsgröße eine Differenz zwischen einem Druck p₁ im Bereich des Gasstroms und einem Druck p₂ im Abströmbereich. Da dieser Abströmbereich beispielsweise im Bereich des Abgases aus dem Kathodenbereich 4 oder auch in der Zuluft zum Kathodenbereich 4 liegen kann, können diese Werte je nach Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 unterschiedlich sein. In jedem Fall wird diese Druckdifferenz, welche den treibenden Faktor für das Ablassen der Flüssigkeit und insbesondere das Ausströmen des Gases darstellt, berücksichtigt. Zusätzlich kann eine weitere hier mit FS bezeichnete Größe berücksichtigt werden, welche beispielsweise eine Fahrsituation des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüsteten Fahrzeugs symbolisiert. Diese kann insbesondere auf der vom Brennstoffzellensystem 1 geforderten Leistung basieren. Anhand des Kennfelds 15 wird nun in jedem Fall basierend auf der Druckdifferenz p₁ – p₂ sowie optional auf der Fahrsituation FS und dem Massenstrom dm/dt der Luft ein geeignetes Tastverhältnis ausgewählt. Die Druckdifferenz ist dabei zu berücksichtigen, da diese die treibende Kraft für den Austrag des Gases und damit letztlich die treibende Kraft für die Menge an Wasserstoff, welche mit ausgetragen wird, ist. Die Fahrsituation, beispielsweise die Leistung des Brennstoffzellensystems 1, hat hierauf entsprechenden Einfluss, da diese die Stoffzusammensetzung in der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend beeinflusst. Außerdem wird über die Luft, deren Massenstrom dm/dt dem Abströmbereich zusammen mit dem Gas zugeleitet wird, dieses entsprechend verdünnt, sodass mit einem entsprechend großen Luftmassenstrom kritische Konzentrationen später erreicht werden, als beispielsweise bei einem kleinen Luftmassenstrom. Das zur Fahrsituation passende Tastverhältnis für den PWM-Generator 14 resultiert also aus diesem Kennfeld 15, welches so parametriert ist, dass die Wasserstoffkonzentration im Abströmbereich oder im Abgasbereich des Kathodenbereichs 4, falls der Abströmbereich vor dem Durchströmen des Kathodenbereichs 4 angeordnet ist, immer und zuverlässig unterhalb eines Grenzwerts bleibt, auch wenn ausschließlich Wasserstoff anstelle von Wasser die Rezirkulationsleitung 7 durch die Ventileinrichtung 11 verlässt.
Diese getaktete Ansteuerung maximiert dann unter Berücksichtigung der Wasserstoffkonzentration in der Abgasstrecke des Kathodenbereichs 4 die kumulierte Zeit, die die Ventileinrichtung 11 während eines Fahrzyklus geöffnet ist. Dies führt zu einem maximalen Austrag von Wasser (Drain) sowie zu einem gelegentlichen Purge des im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 befindlichen Gases. Allerdings besteht hierbei das Risiko, dass mehr Wasserstoff als notwendig durch die Ventileinrichtung 11 verloren geht, und so mehr Wasserstoff über die Ventileinrichtung 6 aus der Speichereinrichtung 5 nachgespeist werden muss, um im Anodenbereich 3 die notwendige Konzentration an Wasserstoff aufrechtzuerhalten. Dies beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 negativ.
Um ein solches Risiko nun zu reduzieren, wird das Tastverhältnis aus dem Kennfeld 15 durch Betriebsphasen unterbrochen, in denen die Ventileinrichtung 11 gänzlich geschlossen ist. Dies entspricht einem Tastverhältnis von 0% und ist in der Darstellung der 3 durch die alternativ zum Kennfeld 15 verwendete Box mit der Bezeichnung 0% symbolisiert. Diese Phasen mit einem Tastverhältnis von 0% sind dabei notwendig, sodass sich in dem Wasserabscheider 10 als Sammelbereich für die Flüssigkeit genügend Wasser ansammeln kann. Der Wechsel zwischen diesen beiden Zuständen ist in der Darstellung der 3 durch die mit AKO bezeichnete Variabel angedeutet, welche für den Fall, dass die Steuerung der Ventileinrichtung 11 aus dem Kennfeld 15 erfolgen soll, auf DRAIN gesetzt wird und welche für den Fall des Tastverhältnisses von 0% auf FILL gesetzt wird.
Die Variable AKO wird nur auf FILL gesetzt, wenn eine der drei nachfolgend erläuterten Bedingungen erfüllt ist. Entweder die Wassermenge in dem Wasserabscheider 10 ist unterhalb einer vorgegebenen Wassermenge, was hier anhand der Vorgabe m_H2O_low symbolisiert wird. Dieser untere Grenzwert der Wassermenge in dem Wasserabscheider 10 wird mit einer errechneten Wassermenge verglichen, auf deren Berechnung später noch näher eingegangen wird. Falls die errechnete Wassermenge kleiner oder gleich diesem Grenzwert m_H2O_low ist, liegt die entsprechende Bedingung vor und über zwei ODER Gatter (OR) wird die Variable AKO auf FILL gesetzt. Bei einem Brennstoffzellensystem mit einer beispielhaften Leistung von ca. 60 kW elektrisch könnte der Wert m_H2O_low beispielsweise ca. 5 Gramm vorgegeben werden.
Eine weitere Bedingung, deren Erfüllung dazu führt, dass die Variable AKO auf FILL gesetzt wird, ist, wenn ein zulässiger Konzentrationswert für Wasserstoff im Bereich des Kathodenabgases 4 überschritten wird. Dies ist hier durch eine Messung der Wasserstoffkonzentration cH2 beispielsweise durch einen Sensor im Abgas des Kathodenbereichs 4 symbolisiert. Wenn dieser Wert größer oder gleich einem vorgegebenen Wert cH2_max ist, dann wird ebenfalls die Variabel AKO auf FILL gesetzt. Eine dritte Bedingung, welche dies ebenfalls auslöst, ist vergleichbar hierzu dargestellt, indem diese Werte zeitabhängig geprüft werden, was bedeutet, dass bei geöffneter Ventileinrichtung 11 ein zeitlich zu schneller Anstieg der Wasserstoffkonzentration cH2(t) gegenüber einem Gradienten grad_cH2_max bewertet wird. Sobald eine dieser drei Bedingungen vorliegt, wird die Variable AKO auf FILL gesetzt, sodass die Ventileinrichtung 11 mit einem Tastverhältnis von 0% angesteuert wird, also dauernd geschlossen ist.
Alternativ dazu wird die Variable AKO auf DRAIN gesetzt, wenn die Druckdifferenz im Vergleich zu einem vorgegebenen Druckwert p₀ ein Mindestmaß überschreitet. Sobald diese Bedingung vorliegt und gleichzeitig die Menge an Wasser in dem Wasserabscheider 10 oberhalb eines oberen Grenzwerts m_H2O_high liegt, wird über eine Verknüpfung mit einem UND-Gatter (AND) die Variable AKO auf DRAIN gesetzt, sodass anhand des Kennfelds 15 eine pulsweiten-modulierte Ansteuerung der Ventileinrichtung 11 erfolgen kann.
In beiden Fällen ist dabei die im Wasserabscheider 10 angesammelte Wassermenge zu berücksichtigen. Diese ermittelt sich nicht über Sensoren, sondern wird anhand einer numerischen Integration 16 der Differenz zwischen dem Wasserzufluss in den Wasserabscheider 10 und dem Wasserabfluss durch die Ventileinrichtung 11 ermittelt. Hierzu dient neben der mit 16 bezeichneten numerischen Integration die Erfassung der beiden Wasserzu- beziehungsweise -abflösse in den Wasserabscheider 10. Der Wasserabfluss ist vergleichsweise einfach zu bestimmen. Er wird berechnet aus einer Quadratwurzel der Druckdifferenz p₂ – p₁ sowie dem Durchflussfaktor (kv-Wert) der Ventileinrichtung im geöffneten Zustand. Außerdem fließt ein Umrechnungsfaktor a mit in die Berechnung ein. Zuletzt wird außerdem ein positiver Korrekturwert b berücksichtigt, welcher in jedem Fall größer als 1 gewählt wird. Dieser Korrekturwert b bildet einen Sicherheitsfaktor, über welchen die Menge des Wasserabflusses durch die Ventileinrichtung 11 entsprechend erhöht wird. Somit wird sichergestellt, dass durch den etwas höher gerechneten Wasserabfluss in jedem Fall eine vollständige Entleerung des Wasserabscheiders 10 erzielt wird. Die so berechnete Menge an abströmendem Wasser wird dann über ein Differenzglied der numerischen Integration im Bauteil 16 zugeführt.
Dem Differenzglied wird außerdem die abgeschätzte Menge des Wasserzuflusses zur Verfügung gestellt. Das Flüssigwasser im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsteht dabei durch Kondensation von Wasserdampf, welcher den Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 verlässt. Seine Menge hängt zumindest von der Menge an gebildetem Produktwasser, welches größtenteils im Kathodenbereich 4 entsteht, ab. Sie ist daher abhängig vom elektrischen Strom I durch die Brennstoffzelle 2. Außerdem wird durch die Injektion von kaltem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über die Ventileinrichtung 6 ein Temperaturunterschied verursacht. Auch dieser beeinflusst die Auskondensation des Wasserdampfs und damit die Menge an angefallenem Flüssigwasser. Diese Temperaturdifferenz errechnet sich in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Temperatur T_H2 des frischen Wasserstoffs, welche von der Temperatur T_REZ im Bereich der Rezirkulationsleitung abgezogen wird. Basierend auf diesen beiden Eingangsgrößen lässt sich dann anhand eines Kennfelds 17 der Wasserzufluss in den Wasserabscheider 10 vorhersagen. Das Kennfeld 17 ist dabei ein experimentell ermitteltes Kennfeld, welches den Wasserzufluss in Abhängigkeit des elektrischen Brennstoffzellenstroms I und der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T_REZ in der Rezirkulationsleitung 7 und der Temperatur T_HZ im frisch zugeführten Wasserstoff angibt. Die Differenz dieser beiden Werte fließt dann, wie bereits mehrfach erwähnt, der numerischen Integration zu und dient als Ausgangswert zur Ermittlung, ob die im Wasserabscheider 10 vorliegende Flüssigkeitsmenge kleiner oder größer als die vorgegebenen Grenzwerte m_H2O_low und m_H2O_high sind.
Dieser Verfahrensablauf, welcher hier entsprechend vereinfacht dargestellt ist, kommt dabei gänzlich ohne Füllstandssensoren aus. Die einzigen benötigten Sensoren sind Sensoren für Druck und Temperatur sowie ein Wasserstoffsensor im Abströmbereich für den Drain und Purge.
Dennoch kann es nun vorgesehen sein, dass ein einzelner Füllstandssensor im Bereich des Wasserabscheiders 10 angeordnet wird, und zwar so, dass dieser im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 nicht mit Flüssigkeit benetzt wird. Dies bedeutet, dass er in Richtung der geodätischen Höhe beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 sehr weit oben in dem Wasserabscheider 10 angeordnet wird. Dieser Sensor wird dann nur in dem Fall mit Wasser in Berührung kommen, wenn eine sehr hohe Menge an Wasser schwallartig anfällt, beispielsweise bei einem Kaltstart oder bei einer Fehlfunktion des Brennstoffzellensystems 1. Der Sensor kann dann als Sicherheitseinrichtung dienen und durch eine zwangsweise Öffnung der Ventileinrichtung 11 für den Abfluss dieses Wassers sorgen. Da dieser Sensor lediglich in Ausnahmefällen mit Wasser in Berührung kommt, kann man davon ausgehen, dass der Sensor nicht verschmutzt und so für eventuelle Notfälle in seiner vollen Funktionalität zuverlässig zur Verfügung steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 10233039 A1 [0004]
US 3555221 [0005]
US 5010218 [0005]
DE 10115336 A1 [0007, 0007, 0007]
WO 2008/052578 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bereich, durch welchen ein mit Flüssigkeit vermischter Gasstrom strömt, in einem Abströmbereich, welcher auf einem niedrigeren Druckniveau als der Gasstrom liegt, wobei das Ablassen durch eine Ventileinrichtung gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (11) mit einer plusweiten-modulierten Taktung betrieben wird, wobei ein Tastverhältnis zumindest in Abhängigkeit der Differenz zwischen den beiden Druckniveaus (p₁, p₂) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Plusweiten-Modulation (PWM) in einem Bereich unterhalb von 1 Hz, bevorzugt unterhalb von 0,5 Hz, insbesondere bei ca. 0,2 Hz, gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abströmbereich außerdem ein weiterer Gasstrom (dm/dt) zugeführt wird, wobei das Tastverhältnis zusätzlich in Abhängigkeit eines Massen – oder Volumenstroms dieses Gases variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis außerdem in Abhängigkeit einer eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden oder empfangenden Systems charakterisierenden Größe variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Tastverhältnisses anhand eines Kennfeldes (15) erfolgt, welches zumindest die Differenz der beiden Druckniveaus (p₁, p₂) als Eingangsgröße verwendet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (15) so vorgegeben wird, dass eine Konzentration wenigstens eines Bestandteils, insbesondere eines gasförmigen Bestandteils, des Gasstroms in dem Abströmbereich in Abhängigkeit einer eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden Systems charakterisierenden Größe unter einem vorgegebenen Grenzwert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (15) neben der Differenz der beiden Druckniveaus (p₁, p₂) ein Massenstrom (dm/dt) des weiteren Gasstroms als Eingangsgröße verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, das Ablassen aus einem Sammelbereich (Wasserabscheider 10) für Flüssigkeit heraus erfolgt, wobei das Tastverhältnis in jedem Fall mit 0% vorgegeben wird, wenn entweder die Flüssigkeitsmenge in dem Sammelbereich (10) kleiner als ein vorgegebener Wert (m_H20_low) ist; oder die Konzentration (cH2) wenigstens eines gasförmigen Bestandteils des Gasstroms in dem Abströmbereich oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwerts (cH2_max) liegt; oder die Konzentration (cH2(t)) wenigstens eines gasförmigen Bestandteils des Gasstroms bei geöffneter Ventileinrichtung (11) um mehr als einen vorgegebenen Grenzwert (grad_cH2_max) ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassen aus einem Sammelbereich (10) für Flüssigkeit heraus erfolgt, wobei das Tastverhältnis in jedem Fall immer dann mit einem Wert größer als 0% zugelassen wird, wenn die Flüssigkeitsmenge in dem Sammelbereich (10) größer als ein vorgegebener Wert (m_H2O_high) ist; und die Differenz zwischen den Druckniveaus (p₁, p₂) oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts (p₀) liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zustand (FILL) mit einem Tastverhältnis von 0% und dem Zustand (DRAIN), in dem ein Tastverhältnis von größer 0% erlaubt wird, in der Art einer Hysterese hin und her geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsmenge im Sammelbereich (10) mittels numerischer Integration der Differenz zwischen dem Flüssigkeitszufluss in den Sammelbereich (10) und dem Flüssigkeitsabfluss aus dem Sammelbereich (10) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsabfluss aus einem Durchflussfaktor (kv) der Ventileinrichtung (11) und der aktuellen Differenz zwischen den beiden Druckniveaus (p₁, p₂) errechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitszufluss anhand eines Kennfeldes (17) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (17) die experimentell ermittelten Werte des Flüssigkeitszuflusses anhand wenigstens eines Temperaturwerts (T_H2, T_REZ) und wenigstens eines Wert, welcher auf einer eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden Systems charakterisierenden Größe basiert, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ermittlung des Flüssigkeitsabflusses zumindest ein positiver Korrekturwert (b) einfließt, welcher größer als 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Ablassen von Flüssigkeit und Gas aus einem Sammelbereich (10) in einem Brennstoffzellensystem (1) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasstrom ein Abgasstrom eines Anodenbereichs (3) einer Brennstoffzelle (2) in dem Brennstoffzellensystem (1) genutzt wird, wobei der Abgasstrom zu dem Eingang des Anodenbereichs (3) zurückgeführt und mit frischem Brennstoff vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Sammelbereich ein Wasserabscheider (10) im Bereich der Rezirkulation (Rezirkulationsleitung 7) des Anodenabgases genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Gasstrom ein Luftstrom (dm/dt) durch einen Kathodenbereich (4) einer Brennstoffzelle (2) in dem Brennstoffzellensystem (1) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmbereich in Strömungsrichtung des Luftstroms (dm/dt) nach dem Kathodenbereich (4) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmbereich in Strömungsrichtung des Luftstroms (dm/dt) vor dem Kathodenbereich (4) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom Wasser und zumindest Reste an Wasserstoff aufweist, wobei für das Verfahren genutzte Konzentrationen (cH2, cH2(t)) Wasserstoffkonzentrationen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (17) die experimentell ermittelten Werte des Flüssigkeitszuflusses anhand des in der Brennstoffzelle (2) fließenden elektrischen Stroms (I) und anhand der Temperaturdifferenz (T_REZ – T_H2) zwischen dem Gasstrom und dem frischen Brennstoff umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als die eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden Systems charakterisierenden Größe eine von der Leistung der Brennstoffzelle (2) abhängige Größe verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) in einem Transportmittel, insbesondere einem Kraftfahrzeug, zur Bereitstellung von Antriebsenergie verwendet wird, wobei als die eine Betriebssituation des den Gasstrom liefernden Systems charakterisierenden Größe eine von der Fahrsituation (FS) des Fahrzeuges abhängige Größe verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sammelbereich (10) einen Sensor für die Flüssigkeit so angeordnet wird, dass er nur im Falle einer Fehlfunktion benetzt wird, und dann die Ventileinrichtung (11) zwangsweise öffnet, um ein Überlaufen zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor eine kapazitiver Flüssigkeitssensor eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens ein elektronisches Steuergerät mit einer programmierten Steuerung oder Regelung eingesetzt wird.