DE102018218083A1 - Method for discharging liquid from a fuel cell device and fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austragen von Flüssigkeit aus einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die aufweist eine Brennstoffleitung (5) zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir (10) zu einem Anodeneinlass (6) mindestens einer Brennstoffzelle, und eine Brennstoffrezirkulationsleitung (2), die von einem Anodenauslass (3) zu der Brennstoffleitung (5) stromauf des Anodeneinlasses (6) geführt ist und der ein Purgeventil (11) zugeordnet ist, umfassend die Schritte:- Regeln des Purgeventils (11) in einem ersten Purgemodus, bei dem das Purgeventil (11) bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hgeöffnet oder teilgeöffnet und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hgeschlossen wird,- Schalten des Purgeventils (11) in einem Umschaltzeitpunkt (T) aus dem ersten Purgemodus in einen zweiten Purgemodus und- Regeln des Purgeventils (11) in dem zweiten Purgemodus, derart, dass die Druckdifferenz zwischen dem Anodeneinlass (6) und dem Anodenauslass (3) höher ist, als im ersten Purgemodus. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a method for discharging liquid from a fuel cell device (1), which has a fuel line (5) for supplying fuel from a fuel reservoir (10) to an anode inlet (6) of at least one fuel cell, and a fuel recirculation line (2), which is led from an anode outlet (3) to the fuel line (5) upstream of the anode inlet (6) and which is assigned a purge valve (11), comprising the steps: - regulating the purge valve (11) in a first purge mode, in which the Purge valve (11) is opened or partially opened when falling below a predefined or predefinable fuel concentration H and is closed when a predefined or predeterminable fuel concentration is exceeded, - switching the purge valve (11) at a changeover time (T) from the first purge mode to a second purge mode and - regulating the Purge valve (11) in the second purge mode, such that the pressure difference nz between the anode inlet (6) and the anode outlet (3) is higher than in the first purge mode. The invention further relates to a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austragen von Flüssigkeit aus einer Brennstoffzellenvorrichtung und eine entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a method for discharging liquid from a fuel cell device and a corresponding fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen dienen dazu, durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei in der elektrochemischen Reaktion ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, in der Regel Luft, der Brennstoffzelle als Reaktanten zugeführt werden. Dabei ergibt sich die Notwendigkeit, dass Kathodenseitig der Feuchtegehalt im Brennstoffzellenstapel geregelt wird und insbesondere vor oder bei dem Abschaltvorgang der Feuchtegehalt nicht zu hoch sein darf. Bei Frostbedingungen kann das Wasser in der Brennstoffzelle oder im Brennstoffzellenstapel gefrieren und so bei einem Startvorgang ohne entsprechende Konditionierung den Brennstoffzellenstapel nachhaltig schädigen. Typischerweise wird dazu der Vorgang des „Purge“, also eines Spülens genutzt, bei dem neben Wassertropfen auch Inertgas oder andere Bestandteile durch das Purgeventil die Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellenstapel verlassen können. Die Zielkonzentration des Brennstoffs im Anodenkreislauf bewegt sich bzw. alterniert dabei gewöhnlich zwischen einem unteren Grenzwert Hg,min und einen oberen Grenzwert Hg,max .Fuel cell devices are used to provide electrical energy by means of an electrochemical reaction, a fuel, usually hydrogen, with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, usually air, being fed to the fuel cell as reactants in the electrochemical reaction. This results in the necessity for the moisture content in the fuel cell stack to be regulated on the cathode side and, in particular, before or during the shutdown process, the moisture content not to be too high. In frost conditions, the water in the fuel cell or in the fuel cell stack can freeze and thus sustainably damage the fuel cell stack during a starting process without appropriate conditioning. Typically, the process of "purge" is used for this, in which, in addition to water drops, inert gas or other components can also leave the fuel cell or the fuel cell stack through the purge valve. The target concentration of the fuel in the anode circuit usually moves or alternates between a lower limit H g, min and an upper limit H g, max .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, die ein effektives Austragen von Flüssigkeit ermöglichen.The invention has for its object to provide a method and a fuel cell device that allow an effective discharge of liquid.

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

Das Verfahren zum Austragen von Flüssigkeit aus einer Brennstoffzellenvorrichtung, die aufweist eine Brennstoffleitung zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir zu einem Anodeneinlass mindestens einer Brennstoffzelle, und eine Brennstoffrezirkulationsleitung, die von einem Anodenauslass zu der Brennstoffleitung stromauf des Anodeneinlasses geführt ist, welcher ein Purgeventil zugeordnet ist, umfasst die Schritte:

  • - Regeln des Purgeventils in einem ersten Purgemodus, bei dem das Purgeventil bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebaren Brennstoffkonzentration Hg,min geöffnet oder teilgeöffnet wird und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,max geschlossen wird,
  • - Schalten des Purgeventils in einem Umschaltzeitpunkt aus dem ersten Purgemodus in einen zweiten Purgemodus und
  • - Regeln des Purgeventils in dem zweiten Purgemodus, derart, dass die Druckdifferenz zwischen dem Anodeneinlass und dem Anodenauslass höher ist, als im ersten Purgemodus.
The method for discharging liquid from a fuel cell device, which has a fuel line for supplying fuel from a fuel reservoir to an anode inlet of at least one fuel cell, and a fuel recirculation line which is led from an anode outlet to the fuel line upstream of the anode inlet, which is assigned a purge valve , includes the steps:
  • - Regulation of the purge valve in a first purge mode, in which the purge valve falls below a predetermined or predeterminable fuel concentration H g, min is opened or partially opened and when a predetermined or predeterminable fuel concentration is exceeded H g, max is closed
  • - Switching the purge valve at a changeover time from the first purge mode to a second purge mode and
  • - Regulation of the purge valve in the second purge mode, such that the pressure difference between the anode inlet and the anode outlet is higher than in the first purge mode.

Durch die Regelung des Purgeventils in dem ersten und in dem zweiten Purgemodus, kann die Geschwindigkeit des Austragens der Flüssigkeit bedarfsgerecht angepasst werden. Im zweiten Purgemodus wird die Flüssigkeit, insbesondere flüssiges Wasser, aufgrund der erhöhten Druckdifferenz des Brennstoffs zwischen dem Anodeneinlass und dem Anodenauslass schneller und damit effektiver ausgetragen.By regulating the purge valve in the first and in the second purge mode, the speed of the discharge of the liquid can be adjusted as required. In the second purge mode, the liquid, in particular liquid water, is discharged faster and therefore more effectively due to the increased pressure difference of the fuel between the anode inlet and the anode outlet.

Die Erfindung macht sich dabei in beiden Purgemodi Folgendes zu Nutze: Die Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf, d.h. anodenseitig, nimmt bei einem geschlossenen Purgeventil, zum Teil trotz gleichzeitiger Brennstoffzufuhr über die Brennstoffleitung, aufgrund der Diffusion und/oder aufgrund einer Konvektion von Intergasen (z.B. Argon, vorrangig aber Stickstoff aus der kathodenseitig zugeführten Luft) von der Kathodenseite auf die Anodenseite sukzessive ab. Bei Unterschreiten des unteren Grenzwerts wird das Purgeventil geöffnet oder teilgeöffnet, wodurch das Inertgas bzw. das Inertgas-Brennstoffgemisch ausgespült wird. Die Brennstoffkonzentration steigt dadurch im Folgenden wieder an. Beim Überschreiten des oberen Grenzwerts wird das Purgeventil wieder geschlossen, so dass ein Absenken der Brennstoffkonzentration aufgrund der vorstehend beschriebenen Diffusions- und/oder Konvektionseffekten wieder absinkt.The invention makes use of the following in both purge modes: The fuel concentration in the anode circuit, i.e. on the anode side, with a closed purge valve, partly in spite of simultaneous fuel supply via the fuel line, due to the diffusion and / or due to convection of intergases (e.g. argon, but primarily nitrogen from the air supplied on the cathode side) gradually decreases from the cathode side to the anode side. If the lower limit is undershot, the purge valve is opened or partially opened, as a result of which the inert gas or the inert gas / fuel mixture is flushed out. The fuel concentration then increases again in the following. When the upper limit value is exceeded, the purge valve is closed again, so that a decrease in the fuel concentration due to the diffusion and / or convection effects described above decreases again.

Die verstärkte Austragung der Flüssigkeit erfolgt dabei besonders bevorzugt, indem die Dichte der Gaszusammensetzung, insbesondere des Brennstoffs, im Brennstoffzellenstapel mittels des zweiten Purgemodus modifiziert wird. Dazu wird vorteilhafterweise die Brennstoffkonzentration im zweiten Purgemodus reduziert und das Purgeventil bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,neu,min geöffnet oder teilgeöffnet, und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,neu,max geschlossen. Hg,neu,min des zweiten Purgemodus ist dabei kleiner als Hg,min des ersten Purgemodus und Hg,neu,max des zweiten Purgemodus ist kleiner als Hg,max des ersten Purgemodus. Bei Überschreiten des oberen Grenzwerts Hg,neu,max wird das Purgeventil wieder geschlossen. Die Brennstoffkonzentration im zweiten Purgemodus ist folglich insgesamt niedriger und bewegt sich zwischen dem oberen Grenzwert von Hg,neu,max und dem unteren Grenzwert von Hg,neu,min .The increased discharge of the liquid is particularly preferably carried out by modifying the density of the gas composition, in particular the fuel, in the fuel cell stack by means of the second pure mode. For this purpose, the fuel concentration is advantageously reduced in the second purge mode and the purge valve when the fuel concentration falls below a predetermined or predeterminable level H g, new, min opened or partially opened, and when a predetermined or predeterminable fuel concentration is exceeded H g, new, max closed. H g, new, min the second mode is less than H g, min the first puremode and H g, new, max the second mode is less than H g, max the first puremode. If the upper limit is exceeded H g, new, max the purge valve is closed again. The fuel concentration in the second purge mode is consequently lower overall and lies between the upper limit of H g, new, max and the lower limit of H g, new, min .

Das Umschalten des Purgeventils in den zweiten Purgemodus ist insbesondere kurz vor dem Abschalten oder beim Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung von Vorteil, da durch ein vermehrtes Austragen der Flüssigkeit die Brennstoffzellenvorrichtung optimal für einen späteren Start vorkonditioniert werden kann. Insbesondere bei Froststarts kann dadurch eine Schädigung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels vermieden oder reduziert werden. Dazu ermittelt bevorzugt ein Controller den optimalen Umschaltzeitpunkt, indem ein wahrscheinlicher Abschaltzeitpunkt der Brennstoffzellenvorrichtung vorhergesagt wird. Die Vorhersage des wahrscheinlichen Abschaltzeitpunkts und damit des optimalen Umschaltzeitpunkts erfolgt dabei anhand von in einem Speicher hinterlegten oder hinterlegbaren Daten. Diese können Informationen - beispielsweise aus einem Navigationsgerät - eines Zielorts, oder eines Zwischenzielorts, einer Ankunftszeit, eines Streckenverlaufs, einer aktuellen Position, Wetterbedingungen, Verkehrsinformationen, Sehenswürdigkeiten sowie historische Daten beinhalten, wann und wo auf der Strecke Pausen eingelegt wurden, welche Ziele üblicherweise angefahren werden etc. Bei der Ermittlung bzw. Vorhersage des Umschaltzeitpunkts wird dabei vorzugsweise zusätzlich die Diffusionsgeschwindigkeit von Inertgasen und/oder eine Lastanforderung der Brennstoffzellenvorrichtung berücksichtigt. Switching the purge valve into the second purge mode is particularly advantageous shortly before switching off or when switching off the fuel cell device, since the fuel cell device can be optimally preconditioned for a later start by an increased discharge of the liquid. Damage to the fuel cell or the fuel cell stack can thereby be avoided or reduced, in particular in the case of frost starts. For this purpose, a controller preferably determines the optimal switchover time by predicting a probable switchoff time of the fuel cell device. The prediction of the probable switch-off time and thus the optimal switch-over time is carried out on the basis of data stored or storable in a memory. This can include information - for example from a navigation device - of a destination or an intermediate destination, an arrival time, a route, a current position, weather conditions, traffic information, sights and historical data, when and where breaks were made on the route, which destinations are usually approached etc. When determining or predicting the switchover time, the diffusion rate of inert gases and / or a load requirement of the fuel cell device is preferably also taken into account.

Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

  • - Bestimmen eines Füllstands eines stromab des Anodeneinlasses angeordneten Anodenabscheiders und
  • - Entleeren des Anodenabscheiders bei Überschreiten eines im Speicher hinterlegten oder hinterlegbaren Füllstandgrenzwerts.
Alternatively or additionally, the method comprises the following steps:
  • - Determining a fill level of an anode separator arranged downstream of the anode inlet and
  • - Emptying the anode separator when a fill level limit value stored or storable is exceeded.

Dies ermöglicht ein zusätzliches Austragen von Flüssigkeit aus dem Brennstoffzellensystems, wobei diese Schritte bevorzugt dem Schritt des Umschaltens aus dem ersten Purgemodus in den zweiten Purgemodus vorgelagert sind.This enables an additional discharge of liquid from the fuel cell system, these steps preferably being upstream of the step of switching from the first pure mode to the second pure mode.

Die Brennstoffkonzentration wird dabei vorzugsweise mittels einer Leistungsaufnahme eines Rezirkulationsgebläses oder mittels eines dem Anodenauslass zugeordneten oder in diesem angeordneten Brennstoff-Sensors bestimmt.The fuel concentration is preferably determined by means of a power consumption of a recirculation fan or by means of a fuel sensor assigned to the anode outlet or arranged therein.

Die Brennstoffzellenvorrichtung weist eine Brennstoffleitung zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir zu einem Anodeneinlass mindestens einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffrezirkulationsleitung auf, die von einem Anodenauslass zu der Brennstoffleitung stromauf des Anodeneinlasses geführt ist, und der ein Purgeventil zugeordnet ist, welches in einem ersten Purgemodus derart regelbar ist, dass es bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,min geöffnet oder teilgeöffnet und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,max geschlossen wird. Das Purgeventil ist dabei schaltbar zwischen dem ersten Purgemodus und einem zweitem Purgemodus, wobei zur Erhöhung eines Flüssigkeitsaustrags aus der mindestens einen Brennstoffzelle im zweiten Purgemodus die Druckdifferenz zwischen dem Anodeneinlass und dem Anodenauslass höher als im ersten Purgemodus ist.The fuel cell device has a fuel line for supplying fuel from a fuel reservoir to an anode inlet of at least one fuel cell and a fuel recirculation line which is led from an anode outlet to the fuel line upstream of the anode inlet and which is assigned a purge valve which can be regulated in a first purge mode is that it falls below a predetermined or predeterminable fuel concentration H g, min opened or partially opened and when a predetermined or predefinable fuel concentration is exceeded H g, max is closed. The purge valve can be switched between the first pure mode and a second pure mode, the pressure difference between the anode inlet and the anode outlet being higher than in the first pure mode in order to increase a liquid discharge from the at least one fuel cell in the second pure mode.

Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile realisieren sich dabei auch bei einer Brennstoffzellenvorrichtung.The advantages explained in connection with the method are also realized in a fuel cell device.

Weiterhin ist der Brennstoffrezirkulationsleitung vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse zugeordnet. Dieses kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, die Brennstoffkonzentration mittels der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses zu bestimmen.Furthermore, a recirculation blower is preferably assigned to the fuel recirculation line. This can advantageously be used to determine the fuel concentration by means of the power consumption of the recirculation fan.

Alternativ kann zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration dem Anodenauslass oder der Brennstoffrezirkulationsleitung ein Brennstoff-Sensor zugeordnet oder in dieser angeordnet sein.Alternatively, a fuel sensor can be assigned to or arranged in the anode outlet or the fuel recirculation line for determining the fuel concentration.

Weiterhin ist zum zusätzlichen Austrag von Flüssigkeit aus der Brennstoffzellenvorrichtung bevorzugt stromab des Anodenauslasses ein Anodenabscheider angeordnet.Furthermore, an anode separator is preferably arranged downstream of the anode outlet for the additional discharge of liquid from the fuel cell device.

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

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine zeitabhängige Darstellung der Brennstoffkonzentration im ersten Purgemodus und im zweiten Purgemodus und
  • 3 eine zeitabhängige Darstellung der Druckdifferenz zwischen Anodeneinlass und Anodenauslass sowie der Brennstoffkonzentration.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. Show:
  • 1 1 shows a schematic illustration of a fuel cell device,
  • 2nd a time-dependent representation of the fuel concentration in the first Purgemodus and in the second Purgemodus and
  • 3rd a time-dependent representation of the pressure difference between anode inlet and anode outlet and the fuel concentration.

Aus der 1 ist zu ersehen, dass bei dem zur Erläuterung der Erfindung gezeigten Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 anodenseitig eine Brennstoffrezirkulationsleitung 2 vorliegt, die von einem Anodenauslass 3 eines Brennstoffzellenstapels 4 zu der Brennstoffleitung 5 stromauf des Anodeneinlasses 6 geführt ist. Der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 ist ein Anodenabscheider 7 sowie ein Rezirkulationsgebläse 8 zugeordnet. Vorzugsweise mündet die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 in eine regelbare Saugstrahlpumpe 9 der Brennstoffleitung 5, so dass unterschiedliche Anteile des einem Brennstoffreservoir 10 entnommenen frischen Brennstoffes und des rezirkulierten Brennstoffes dem Anodeneinlass 6 des Brennstoffzellenstapels 4 erneut zugeführt werden können. Alternativ kann auf die Saugstrahlpumpe 9 auch verzichtet werden und die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 direkt in die Brennstoffleitung 5 münden. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 ist stromab oder alternativ stromauf des Rezirkulationsgebläses 8 ein Purgeventil 11 angeordnet. Das Purgeventil 11 ist dabei in einem ersten Purgemodus derart regelbar, dass es bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebaren Brennstoffkonzentration Hg,min geöffnet oder teilgeöffnet und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,max geschlossen wird. Darüber hinaus ist das Purgeventil 11 schaltbar zwischen dem ersten Purgemodus und einem zweitem Purgemodus, wobei zur Erhöhung eines Flüssigkeitsaustrags aus dem Brennstoffzellenstapel 4 im zweiten Purgemodus die Druckdifferenz des Brennstoffs zwischen dem Anodeneinlass 6 und dem Anodenauslass 3 höher als im ersten Purgemodus ist. Stromauf des Rezirkulationsgebläses 8 ist zudem der Anodenabscheider 7 in die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 integriert.From the 1 It can be seen that in the part of a fuel cell device shown to explain the invention 1 a fuel recirculation line on the anode side 2nd from an anode outlet 3rd a fuel cell stack 4th to the fuel line 5 upstream of the anode inlet 6 is led. The fuel recirculation line 2nd is an anode separator 7 as well as a recirculation fan 8th assigned. The fuel recirculation line preferably opens 2nd in an adjustable suction jet pump 9 the fuel line 5 , so that different proportions of a fuel reservoir 10th withdrawn fresh fuel and recirculated fuel from the anode inlet 6 of the fuel cell stack 4th can be fed again. Alternatively, the suction jet pump 9 also be dispensed with and the fuel recirculation line 2nd directly into the fuel line 5 flow out. In the fuel recirculation line 2nd is downstream or alternatively upstream of the recirculation fan 8th a purge valve 11 arranged. The purge valve 11 can be regulated in a first purge mode in such a way that it falls below a predetermined or predeterminable fuel concentration H g, min opened or partially opened and when a predetermined or predefinable fuel concentration is exceeded H g, max is closed. In addition, the purge valve 11 switchable between the first puremode and a second puremode, whereby to increase the discharge of liquid from the fuel cell stack 4th in the second purge mode, the pressure difference of the fuel between the anode inlet 6 and the anode outlet 3rd is higher than in the first purge mode. Upstream of the recirculation fan 8th is also the anode separator 7 into the fuel recirculation line 2nd integrated.

Das Verfahren zum Austragen läuft dabei wie folgt ab: Zunächst wird das Purgeventil 11 in einem ersten Purgemodus geregelt, bei dem das Purgeventil 11 bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,min geöffnet oder teilgeöffnet und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,max geschlossen wird. Wie 2 zeigt, bewegt sich bzw. alterniert die Brennstoffkonzentration zeitlich betrachtet zwischen dem oberen Grenzwert Hg,max und dem unteren Grenzwert Hg,min . Ein nicht näher dargestellter Controller ermittelt anhand von in einem Speicher hinterlegten oder hinterlegbaren Daten, beispielsweise anhand von Daten eines Navigationsgerätes, wann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 voraussichtlich abgeschaltet wird. Dabei können die Daten Informationen zu einem Zielort, oder einem Zwischenzielort, einer Ankunftszeit, einem Streckenverlauf, einer aktuellen Position, Wetterbedingungen, Verkehrsinformationen, Sehenswürdigkeiten, sowie historische Daten beinhalten, wann und wo auf der Strecke Pausen eingelegt wurden, welche Ziele üblicherweise angefahren werden etc.. Anhand dieser Daten sagt der Controller den voraussichtlichen Abschaltzeitpunkt voraus und ermittelt unter Berücksichtigung von der Diffusionsgeschwindigkeit von Inertgasen und/oder einer Lastanforderung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 den optimalen Umschaltzeitpunkt T zum Schalten des Purgeventils 11 aus dem ersten Purgemodus in den zweiten Purgemodus, wobei im zweiten Purgemodus im Vergleich zum ersten Purgemodus ein vermehrter Austrag von Flüssigkeit aus der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erreicht wird.The procedure for discharge is as follows: First, the purge valve 11 regulated in a first purge mode, in which the purge valve 11 if the fuel concentration falls below a predetermined or predeterminable level H g, min opened or partially opened and when a predetermined or predefinable fuel concentration is exceeded H g, max is closed. As 2nd shows, the fuel concentration moves or alternates over time between the upper limit H g, max and the lower limit H g, min . A controller, not shown, determines when the fuel cell device is based on data stored or storable in a memory, for example on the basis of data from a navigation device 1 is expected to be switched off. The data can include information about a destination or an intermediate destination, an arrival time, a route, a current position, weather conditions, traffic information, sights, as well as historical data, when and where breaks were made on the route, which destinations are usually used, etc. Based on this data, the controller predicts the anticipated switch-off time and determines the diffusion rate of inert gases and / or a load requirement of the fuel cell device 1 the optimal switching time T for switching the purge valve 11 from the first purification mode to the second purification mode, with an increased discharge of liquid from the fuel cell device in the second purification mode compared to the first purification mode 1 is achieved.

Der Umschaltzeitpunkt T ist spätestens mit dem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorgegeben, d.h. spätestens mit Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 werden die folgenden Verfahrensschritte eingeleitet bzw. durchgeführt.The time of switching T is at the latest when the fuel cell device is switched off 1 predetermined, ie at the latest when the fuel cell device is switched off 1 the following procedural steps are initiated or carried out.

Mit dem Umschaltzeitpunkt T wird zunächst bevorzugt ein Füllstand des Anodenabscheiders 7 bestimmt und dieser bei Überschreiten eines in einem Speicher hinterlegten oder hinterlegbaren Füllstandgrenzwerts entleert.With the changeover time T a fill level of the anode separator is preferred 7 determined and this is emptied when a fill level limit value stored or storable is exceeded.

Das Purgeventil 11 wird im Anschluss oder gleichzeitig in den zweiten Purgemodus geschaltet, wobei es im zweiten Purgemodus derart geregelt ist, dass die Druckdifferenz des Brennstoffs zwischen dem Anodeneinlass 6 und dem Anodenauslass 3 höher ist, als im ersten Purgemodus. Dies wird erreicht, indem die Brennstoffkonzentration durch natürliche Diffusion und Konvektion von Inertgasen reduziert wird. Im zweiten Purgemodus wird das Purgeventil 11 bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,neu,min geöffnet oder teilgeöffnet, und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,neu,max geschlossen. Dabei ist Hg,neu,min kleiner als Hg,min und Hg,neu,max ist kleiner als Hg,max .The purge valve 11 is subsequently or simultaneously switched to the second purge mode, it being regulated in the second purge mode in such a way that the pressure difference of the fuel between the anode inlet 6 and the anode outlet 3rd is higher than in the first purge mode. This is achieved by reducing the fuel concentration through natural diffusion and convection of inert gases. In the second purge mode, the purge valve 11 if the fuel concentration falls below a predetermined or predeterminable level H g, new, min opened or partially opened, and when a predetermined or predeterminable fuel concentration is exceeded H g, new, max closed. It is H g, new, min less than H g, min and H g, new, max is smaller than H g, max .

2 zeigt, dass die Brennstoffkonzentration C(H2) mit dem Umschaltzeitpunkt T reduziert wird und im Folgenden, also im zweiten Purgemodus zwischen dem unteren Grenzwert Hg,neu,min und dem oberen Grenzwert Hg,neu,max gehalten ist. Dies führt, wie 3 zeigt zu einer erhöhten Druckdifferenz des Brennstoffs zwischen dem Anodeneinlass 6 und dem Anodenauslass 3, womit ein erhöhter Austrag von Flüssigkeit aus der Brennstoffzelle und/oder dem Brennstoffzellenstapel 4 einhergeht. 2nd shows that the fuel concentration C (H 2 ) with the switching time T is reduced and in the following, that is, in the second purge mode between the lower limit H g, new, min and the upper limit H g, new, max is held. This leads to how 3rd indicates an increased fuel pressure differential between the anode inlet 6 and the anode outlet 3rd , with which an increased discharge of liquid from the fuel cell and / or the fuel cell stack 4th goes along.

Die Bestimmung der Brennstoffkonzentration erfolgt dabei bevorzugt anhand der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses 8, kann aber ergänzend oder alternativ auch mittels eines oder mehrerer nicht näher dargestellten Sensoren oder mittels einer modellbasierten Bestimmung der Brennstoffkonzentration der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 erfolgen.The fuel concentration is preferably determined on the basis of the power consumption of the recirculation fan 8th , but can additionally or alternatively also by means of one or more sensors, not shown, or by means of a model-based determination of the fuel concentration of the fuel recirculation line 2nd respectively.

BezugszeichenlisteReference list

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22nd
BrennstoffrezirkulationsleitungFuel recirculation line
33rd
AnodenauslassAnode outlet
44th
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
55
BrennstoffleitungFuel line
66
AnodeneinlassAnode inlet
77
AnodenabscheiderAnode separator
88th
RezirkulationsgebläseRecirculation blower
99
SaugstrahlpumpeSuction jet pump
1010th
BrennstoffreservoirFuel reservoir
1111
PurgeventilPurge valve
1212th
T / UmschaltzeitpunktT / changeover time

Claims (10)

Verfahren zum Austragen von Flüssigkeit aus einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die aufweist eine Brennstoffleitung (5) zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir (10) zu einem Anodeneinlass (6) mindestens einer Brennstoffzelle, und eine Brennstoffrezirkulationsleitung (2), die von einem Anodenauslass (3) zu der Brennstoffleitung (5) stromauf des Anodeneinlasses (6) geführt ist und der ein Purgeventil (11) zugeordnet ist, umfassend die Schritte: - Regeln des Purgeventils (11) in einem ersten Purgemodus, bei dem das Purgeventil (11) bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,min geöffnet oder teilgeöffnet und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,max geschlossen wird, - Schalten des Purgeventils (11) in einem Umschaltzeitpunkt (T) aus dem ersten Purgemodus in einen zweiten Purgemodus und - Regeln des Purgeventils (11) in dem zweiten Purgemodus, derart, dass die Druckdifferenz zwischen dem Anodeneinlass (6) und dem Anodenauslass (3) höher ist, als im ersten Purgemodus.Method for discharging liquid from a fuel cell device (1), which has a fuel line (5) for supplying fuel from a fuel reservoir (10) to an anode inlet (6) of at least one fuel cell, and a fuel recirculation line (2) from an anode outlet (3) to the fuel line (5) upstream of the anode inlet (6) and to which a purge valve (11) is assigned, comprising the steps: - regulating the purge valve (11) in a first purge mode, in which the purge valve (11) if a predetermined or predeterminable fuel concentration H g, min is opened or partially opened and if a predefined or predeterminable fuel concentration H g, max is closed, - the purge valve (11) is switched from the first purge mode to a second purge mode at a changeover time (T) and - regulating the purge valve (11) in the second purge mode, such that the pressure difference between n the anode inlet (6) and the anode outlet (3) is higher than in the first purge mode. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Purgemodus das Purgeventil (11) bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,neu,min geöffnet oder teilgeöffnet wird, und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,neu,max geschlossen wird, wobei Hg,neu,min kleiner als Hg,min ist und Hg,neu,max kleiner als Hg,max ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that, in the second purge mode, the purge valve (11) is opened or partially opened when a predetermined or predeterminable fuel concentration H g, new, min is undershot, and is closed when a predetermined or predeterminable fuel concentration H g, new, max is exceeded, with H g, new, min is less than H g, min and H g, new, max is less than H g, max . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltzeitpunkt (T) durch in einem Speicher hinterlegte oder hinterlegbare Daten vorgegeben ist, und dass die Daten den Zeitpunkt des Erreichens eines Zielortes oder eines Zwischenziels oder einer Ankunftszeit beinhaltet.Procedure according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the changeover time (T) is predetermined by data stored or storable in data and that the data includes the time of reaching a destination or an intermediate destination or an arrival time. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend die folgenden Schritte: - Bestimmen eines Füllstands eines stromab des Anodeneinlasses (6) angeordneten Anodenabscheiders (7) und - Entleeren des Anodenabscheiders (7) bei Überschreiten eines im Speicher hinterlegten oder hinterlegbaren Füllstandgrenzwerts.Procedure according to one of the Claims 1 to 3rd , comprising the following steps: - determining a fill level of an anode separator (7) arranged downstream of the anode inlet (6) and - emptying the anode separator (7) when a fill level limit value stored or storable is exceeded. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkonzentration mittels einer Leistungsaufnahme eines Rezirkulationsgebläses (8) oder mittels eines dem Anodenauslass (3) zugeordneten oder in diesem angeordneten Brennstoff-Sensors bestimmt wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the fuel concentration is determined by means of a power consumption of a recirculation blower (8) or by means of a fuel sensor assigned to the anode outlet (3) or arranged therein. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorgabe des Umschaltzeitpunkts (T) die Diffusionsgeschwindigkeit von Inertgasen und/oder eine Lastenanforderung der Brennstoffzellenvorrichtung (1) berücksichtigt wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the diffusion rate of inert gases and / or a load requirement of the fuel cell device (1) is taken into account when specifying the changeover time (T). Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Brennstoffleitung (5) zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir (10) zu einem Anodeneinlass (6) mindestens einer Brennstoffzelle und mit einer Brennstoffrezirkulationsleitung (2), die von einem Anodenauslass (3) zu der Brennstoffleitung (5) stromauf des Anodeneinlasses (6) geführt ist und der ein Purgeventil (11) zugeordnet ist, welches in einem ersten Purgemodus derart regelbar ist, dass es bei Unterschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,min geöffnet oder teilgeöffnet und bei Überschreiten einer vorgegebenen oder vorgebbaren Brennstoffkonzentration Hg,max geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Purgeventil (11) schaltbar ist zwischen dem ersten Purgemodus und einem zweitem Purgemodus, und dass zur Erhöhung eines Flüssigkeitsaustrags aus der mindestens einen Brennstoffzelle im zweiten Purgemodus die Druckdifferenz zwischen dem Anodeneinlass (6) und dem Anodenauslass (3) höher als im ersten Purgemodus ist.Fuel cell device (1) with a fuel line (5) for supplying fuel from a fuel reservoir (10) to an anode inlet (6) of at least one fuel cell and with a fuel recirculation line (2) leading from an anode outlet (3) to the fuel line (5) is guided upstream of the anode inlet (6) and to which a purge valve (11) is assigned, which can be regulated in a first purge mode in such a way that it opens or partially opens when a predetermined or predeterminable fuel concentration H g, min is undershot and when a predetermined or predeterminable level is exceeded Fuel concentration H g, max is closed, characterized in that the purge valve (11) can be switched between the first pure mode and a second pure mode, and in order to increase the discharge of liquid from the at least one fuel cell in the second pure mode, the pressure difference between the anode inlet (6) and the anode outlet (3) higher than in the first purge mode. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffrezirkulationsleitung (2) ein Rezirkulationsgebläse (8) zugeordnet ist und dass die Brennstoffkonzentration mittels der Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses (8) bestimmbar ist.Fuel cell device (1) after Claim 7 , characterized in that a recirculation blower (8) is associated with the fuel recirculation line (2) and that the fuel concentration can be determined by means of the power consumption of the recirculation blower (8). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anodenauslass (3) oder der Brennstoffrezirkulationsleitung (2) ein Brennstoff-Sensor zugeordnet oder in dieser angeordnet ist zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration.Fuel cell device (1) after Claim 7 or 8th , characterized in that the anode outlet (3) or the fuel recirculation line (2) is assigned or arranged in a fuel sensor for determining the fuel concentration. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Anodenauslasses (3) ein Anodenabscheider (7) angeordnet ist.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 7 to 9 , characterized in that an anode separator (7) is arranged downstream of the anode outlet (3).
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