DE102019117366A1 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach ein Wert erfasst wird, der indikativ für die Brennstoffkonzentration stromab von einem Anodenspülventil 238, 238' ist, wobei während der Erfassung des Wertes das Anodenspülventil 238, 238' geöffnet ist.According to the invention, the technology disclosed here relates to a method for operating a fuel cell system. The method comprises the step of detecting a value which is indicative of the fuel concentration downstream of an anode flushing valve 238, 238 ', the anode flushing valve 238, 238' being open during the detection of the value.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei die Brennstoffkonzentration im Anodensubsystem ermittelt wird. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug.The technology disclosed here relates to a method for operating a fuel cell system, the fuel concentration in the anode subsystem being determined. The technology disclosed here also relates to a fuel cell system and a motor vehicle.

Brennstoffzellensysteme als solche sind bekannt. Sie umfassen ein Anodensubsystem, aus dem über ein Anodenspülventil Anodenabgas abgelassen wird, um so Stickstoff und flüssiges Wasser aus dem Anodensubsystem zu entfernen. Für den effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems ist es vorteilhaft, die Brennstoffkonzentration im Anodensubsystem aktiv zu regeln bzw. zu steuern. Hierzu sind in vorbekannten Brennstoffzellensystemen Brennstoffsensoren im Anodensubsystem vorgesehen. Solche Brennstoffsensoren sind vergleichsweise anfällig für Feuchtigkeit.Fuel cell systems as such are known. They comprise an anode subsystem from which anode exhaust gas is discharged via an anode purge valve in order to remove nitrogen and liquid water from the anode subsystem. For the efficient operation of the fuel cell system, it is advantageous to actively regulate or control the fuel concentration in the anode subsystem. For this purpose, fuel sensors are provided in the anode subsystem in previously known fuel cell systems. Such fuel sensors are comparatively sensitive to moisture.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, dem Betrieb eines Brennstoffzellensystems robuster und weniger fehleranfällig zu machen und/oder die Herstellkosten zu minimieren. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed here to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed here to make the operation of a fuel cell system more robust and less prone to errors and / or to minimize the manufacturing costs. Further preferred objects can result from the advantageous effects of the technology disclosed here. The object (s) is / are achieved by the subject matter of the independent patent claims. The dependent claims represent preferred configurations.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach ein Wert erfasst wird, der indikativ für die Brennstoffkonzentration stromab von einem Anodenspülventil ist, wobei während der Erfassung des Wertes das Anodenspülventil geöffnet ist.The technology disclosed here relates to a method for operating a fuel cell system. The method comprises the step of detecting a value which is indicative of the fuel concentration downstream from an anode flushing valve, the anode flushing valve being open during the detection of the value.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion@, Flemion® und Aciplex@.The technology disclosed here relates to a fuel cell system with at least one fuel cell. The fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles (e.g. passenger cars, motorcycles, commercial vehicles), in particular for providing the energy for at least one drive machine for moving the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidizing agents into reaction products, producing electricity and heat in the process. The fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated by an ion-selective and ion-permeable separator, respectively. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidizing agent. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). A cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten, die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.In addition to the at least one fuel cell, a fuel cell system comprises peripheral system components that can be used when operating the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens ein Tankabsperrventil, mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmpfad, einen Anodenraum bzw. eine Anode im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen Wasserabscheider, mindestens ein Anodenspülventil, mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Ausleitung von Anodenabgas.The fuel cell system comprises an anode subsystem which is formed by the fuel-carrying components of the fuel cell system. An anode subsystem can have at least one pressure vessel, at least one tank shut-off valve, at least one pressure reducer, at least one anode inflow path leading to the anode inlet of the fuel cell stack, an anode compartment or an anode in the fuel cell stack, at least one recirculation flow path leading away from the anode outlet of the fuel cell stack, at least one water separator valve, at least one anode flushing valve, have at least one active or passive fuel recirculation conveyor and other elements. The main task of the anode subsystem is the supply and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the discharge of anode exhaust gas.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem is formed from the components that carry the oxidizing agent. The main task of the cathode subsystem is the supply and distribution of oxidizing agent to the electrochemically active surfaces of the cathode compartment and the removal of unused oxidizing agent.

Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens ein Anodenspülventil zum Spülen des Anodensubsystems. Ein Anodenspülventil wird auch als Purge-Ventil bezeichnet. Durch das wiederkehrende Öffnen und Schließen des Anodenspülventils werden aus dem Rezirkulationsströmungspfad Anodenabgase entnommen und in einen Abgaspfad (z.B. in eine Anodenspülleitung) eingeleitet. In der Regel ist das Anodenspülventil im, am oder stromab vom Wasserabscheider vorgesehen. Das Anodenspülventil ist regelmäßig ein elektromagnetisches Ventil.The fuel cell system includes at least one anode flush valve for flushing the anode subsystem. An anode flush valve is also known as a purge valve. The recurring opening and closing of the anode rinsing valve removes anode exhaust gases from the recirculation flow path and introduces them into an exhaust gas path (e.g. into an anode rinsing line). As a rule, the anode flush valve is provided in, on or downstream of the water separator. The anode flush valve is usually an electromagnetic valve.

Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Wasserabscheider, der stromab vom Brennstoffzellenstapel im Anodensubsystem angeordnet sein kann. Wasserabscheider als solche sind bekannt. Ein Wasserabscheider ist eine technische Vorrichtung, um aus Gasgemischen, Aerosolen oder Suspensionen Flüssigkeiten abzutrennen. Hierbei können unterschiedliche Bauformen und Funktionsprinzipien eingesetzt werden. Bevorzugt kommt ein Wasserabscheider mit Strömungsumleitung durch Abscheideflächen zum Einsatz. Das Anodenabgas der Anode wird hier bevorzugt rezirkuliert (Dead-End-System). Der Wasserabscheider ist insbesondere eingerichtet, eine Flüssigkeit (insbesondere Produktwasser) aus dem Anodensubsystem abzulassen. Der Wasserabscheider kann in einer Ausgestaltung ein Gas-Anodenspülventil zum Spülen von Gas und ein Flüssigkeits-Anodenspülventil zum Spülen von Flüssigkeiten aufweisen.The fuel cell system comprises at least one water separator, which can be arranged downstream of the fuel cell stack in the anode subsystem. Water separators as such are known. A water separator is a technical device used to separate liquids from gas mixtures, aerosols or suspensions. Different designs and functional principles can be used here. A water separator with flow diversion through separation surfaces is preferably used. The anode exhaust gas from the anode is preferably recirculated here (dead-end system). The water separator is set up in particular to drain a liquid (in particular product water) from the anode subsystem. In one embodiment, the water separator can have a gas anode flushing valve for flushing gas and a liquid anode flushing valve for flushing liquids.

Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem oder ein anderes Brennstoffzellensystem kann besonders bevorzugt einen Drucksensor im Rezirkulationspfad umfassen. Der Drucksensor ist im, am oder unmittelbar benachbart zum Wasserabscheider zur Erfassung des Drucks im bzw. am Wasserabscheider vorgesehen. Auch wenn der hier offenbarte Drucksensor bevorzugt bei dem hier offenbarten Brennstoffzellensystem und dem hier offenbarten Verfahren zum Einsatz kommt, ist der hier offenbarte Drucksensor funktional unabhängig von dem hier offenbarten Verfahren bzw. dem hier offenbarten Steuergerät, welches eingerichtet ist den hier offenbarten Wert zu erfassen.The fuel cell system disclosed here or another fuel cell system can particularly preferably include a pressure sensor in the recirculation path. The pressure sensor is provided in, on or directly adjacent to the water separator for detecting the pressure in or on the water separator. Even if the pressure sensor disclosed here is preferably used in the fuel cell system disclosed here and the method disclosed here, the pressure sensor disclosed here is functionally independent of the method disclosed here or the control device disclosed here, which is set up to detect the value disclosed here.

Das Brennstoffzellensystem kann mindestens einen Brennstoffsensor umfassen, der fluidverbunden ist mit dem Anodenspülventil. Beispielsweise kann der Brennstoffsensor im Abgassystem des Brennstoffzellensystems angeordnet sein, beispielsweise stromab von dem Anodenspülventil. Bevorzugt ist der Brennstoffsensor ein Wasserstoffsensor. Besonders bevorzugt ist im Anodensubsystem stromauf vom Anodenspülventil kein Brennstoffsensor vorgesehen.The fuel cell system can include at least one fuel sensor that is fluidly connected to the anode purge valve. For example, the fuel sensor can be arranged in the exhaust system of the fuel cell system, for example downstream of the anode flush valve. The fuel sensor is preferably a hydrogen sensor. Particularly preferably, no fuel sensor is provided in the anode subsystem upstream of the anode flush valve.

Das hier offenbarte System umfasst zweckmäßig ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. eingerichtet, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl. closed loop control) oder steuern (engl. open loop control). Das Steuergerät kann zumindest das Brennstoffzellensystem beeinflussen, insbesondere das Kathodensubsystem, Anodensubsystem und/oder das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Steuergeräten des Kraftfahrzeuges interagieren.The system disclosed here expediently further comprises at least one control device. The control unit is i.a. set up to carry out the method steps disclosed here. For this purpose, the control device can at least partially and preferably completely regulate (closed loop control) or control (open loop control) the actuators of the system based on the signals provided. The control device can at least influence the fuel cell system, in particular the cathode subsystem, anode subsystem and / or the cooling system of the fuel cell system. Alternatively or additionally, the control device can also be integrated in another control device, e.g. in a higher-level control unit. The control device can interact with other control devices of the motor vehicle.

Insbesondere kann das Steuergerät eingerichtet sein, einen Wert zu erfassen, der indikativ ist für die Brennstoffkonzentration stromab von dem Anodenspülventil, wobei während der Erfassung des für die Brennstoffkonzentration stromab vom Anodenspülventil indikativen Wertes das Anodenspülventil geöffnet ist. Der indikative Wert kann jeder geeignete Wert sein, um eine Brennstoffkonzentration zu erfassen. Beispielsweise kann der indikative Wert das erfasste Meßsignal eines Wasserstoffsensors sein. Zweckmäßig wird also die Wasserstoffkonzentration im Abgaspfad und nicht im Anodensubsystem gemessen, um so die Wasserstoff-Konzentration im Anodensubsystem zu approximieren.In particular, the control device can be set up to detect a value that is indicative of the fuel concentration downstream from the anode purge valve, the anode purge valve being open during the detection of the value indicative of the fuel concentration downstream from the anode purge valve. The indicative value can be any suitable value for detecting a fuel concentration. For example, the indicative value can be the recorded measurement signal of a hydrogen sensor. The hydrogen concentration is expediently measured in the exhaust gas path and not in the anode subsystem in order to approximate the hydrogen concentration in the anode subsystem.

Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße oder irgendein anderes Brennstoffzellensystem eine Mischkammer, in der das Abgas des Brennstoffzellensystems, insbesondere das Kathodenabgas und das Anodenabgas, durchmischt werden. Vorteilhaft erfolgt die Durchmischung derart, dass der noch im Abgaspfad vorhandene Brennstoff im Abgas gleichmäßig bzw. gleichmäßiger verteilt wird. Hierzu können zusätzliche Mischelemente in der Mischkammer vorgesehen sein. Bevorzugt kann ferner eine Einrichtung vorgesehen sein, die zusätzlich eine Verdünnung der Brennstoffkonzentration erzielt.The fuel cell system according to the invention or any other fuel cell system particularly preferably comprises a mixing chamber in which the exhaust gas from the fuel cell system, in particular the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas, are mixed. The mixing is advantageously carried out in such a way that the fuel still present in the exhaust gas path is distributed evenly or more evenly in the exhaust gas. Additional mixing elements can be provided in the mixing chamber for this purpose. Furthermore, a device can preferably be provided which additionally achieves a dilution of the fuel concentration.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der mindestens eine Brennstoffsensor in der Einbaulage im Brennstoffzellensystem bzw. Kraftfahrzeug in Richtung der Hochachse beabstandet von der Bodenfläche des zugehörigen Bereiches des Abgaspfads angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Brennstoffsensor in bzw. an der Mischkammer des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Vorteilhaft kann der Brennstoffsensor in der Einbaulage in Richtung der Hochachse beabstandet von der Bodenfläche der Mischkammer vorgesehen sein. Besonders bevorzugt umfasst die Mischkammer getrennte Einströmöffnungen für das Anodenabgas und das Kathodenabgas. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einströmöffnung vom Kathodenabgas weiter vom Brennstoffsensor beabstandet ist als die Einströmöffnung vom Anodenabgas. Dies hat den Vorteil, dass weniger Wasser aus dem feuchteren Kathodenabgas an den Brennstoffsensor gelangt. Besonders bevorzugt kann zwischen der Einströmöffnung vom Anodenabgas und dem Brennstoffsensor eine Maßnahme zum zumindest teilweisen Abtrennen des im Anodenabgas vorhandenen Wassers vorgesehen sein. Ein solcher Separator kann beispielsweise als Membran ausgebildet sein. In der hier offenbarten Ausgestaltung der Mischkammer wird angenommen, dass das Kathodenabgas mehr Feuchtigkeit enthält als das Anodenabgas. Dies muss aber nicht so sein. Falls das Kathodenabgas mehr Feuchtigkeit enthält, wäre die Einströmöffnung vom Anodenabgas weiter vom Sensor beabstandet.In a particularly preferred embodiment, the at least one fuel sensor is arranged in the installation position in the fuel cell system or motor vehicle at a distance in the direction of the vertical axis from the bottom surface of the associated region of the exhaust gas path. The fuel sensor is particularly preferably provided in or on the mixing chamber of the fuel cell system. In the installed position, the fuel sensor can advantageously be provided at a distance from the bottom surface of the mixing chamber in the direction of the vertical axis. The mixing chamber particularly preferably comprises separate inflow openings for the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas. It is particularly preferably provided that the inflow opening from the cathode exhaust gas is spaced further apart from the fuel sensor than the inflow opening from the anode exhaust gas. This has the advantage that less water from the more humid cathode exhaust gas reaches the fuel sensor. Particularly preferably, a measure for at least partial separation of the water present in the anode exhaust gas can be provided between the inflow opening from the anode exhaust gas and the fuel sensor. Such a separator can be designed as a membrane, for example. In the embodiment of the mixing chamber disclosed here, it is assumed that the cathode exhaust gas contains more moisture than the anode exhaust. But this does not have to be the case. If the cathode exhaust gas contains more moisture, the inflow opening of the anode exhaust gas would be further spaced from the sensor.

Auch wenn die hier offenbarte Mischkammer bevorzugt bei dem hier offenbarten Brennstoffzellensystem und dem hier offenbarten Verfahren zum Einsatz kommt, ist die hier offenbarte Mischkammer funktional unabhängig von dem hier offenbarten Verfahren bzw. dem hier offenbarten Steuergerät, welches eingerichtet ist den hier offenbarten Werts zu erfassen.Even if the mixing chamber disclosed here is preferably used in the fuel cell system disclosed here and the method disclosed here, the mixing chamber disclosed here is functionally independent of the method disclosed here or the control device disclosed here, which is set up to record the value disclosed here.

Die offenbarte Technologie umfasst ferner ein Kraftfahrzeug, welches das hier offenbarte Brennstoffzellensystem und/oder die offenbarte Mischkammer umfasst.The technology disclosed also includes a motor vehicle which includes the fuel cell system disclosed here and / or the mixing chamber disclosed.

Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere des hier offenbarten Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach der Wert erfasst wird, der indikativ für die Brennstoffkonzentration stromab von einem Anodenspülventil ist, wobei während der Erfassung des Wertes das Anodenspülventil geöffnet ist.The technology disclosed here also includes a method for operating a fuel cell system, in particular the fuel cell system disclosed here. The method comprises the step of detecting the value which is indicative of the fuel concentration downstream from an anode flushing valve, the anode flushing valve being open during the detection of the value.

Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die im Anodensubsystem stromauf vom Anodenspülventil vorhandene Brennstoffkonzentration bestimmt wird unter Verwendung des während des geöffneten Anodenspülventils erfassten Wertes. Das hier offenbarte Verfahren umfasst zweckmäßig ferner den Schritt, wonach die Brennstoffkonzentration im Anodensubsystem bestimmt wird unter Berücksichtigung des Kathodenabgasstroms. Der Begriff Kathodenabgasstrom kann ein Kathodenabgasvolumenstrom oder ein Kathodenabgasmassenstrom sein. Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach zur Bestimmung des Anodenabgasstroms der Druck im Rezirkulationspfad mittels eines Drucksensors erfasst wird. Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach zur Bestimmung des Anodenabgasstroms (d.h. des Anodenabgasmassenstrom oder Anodenabgasvolumenstrom) der ermittelte Druck vom Drucksensor und die Regelung bzw. Steuerung des Anodenspülventils herangezogen wird. Basierend auf den Werten von dem Anodenabgasstrom und dem Kathodenabgasstrom kann näherungsweise die Brennstoffkonzentration im Anodenabgas und somit im Anodensubsystem bestimmt werden. Der so näherungsweise bestimmte Wert für die Brennstoffkonzentration im Anodensubsystem kann wiederum eine Eingangsgröße bzw. als Ist-Wert für die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems sein, beispielsweise zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Anode.The method may include the step of determining the fuel concentration present in the anode subsystem upstream of the anode purge valve using the value detected while the anode purge valve was open. The method disclosed here expediently further comprises the step according to which the fuel concentration in the anode subsystem is determined taking into account the cathode exhaust gas flow. The term cathode exhaust gas flow can be a cathode exhaust gas volume flow or a cathode exhaust gas mass flow. The method can furthermore include the step according to which the pressure in the recirculation path is detected by means of a pressure sensor in order to determine the anode exhaust gas flow. The method may include the step of using the pressure determined by the pressure sensor and the regulation or control of the anode flushing valve to determine the anode exhaust gas flow (i.e. the anode exhaust gas mass flow or anode exhaust gas volume flow). Based on the values of the anode exhaust gas flow and the cathode exhaust gas flow, the fuel concentration in the anode exhaust gas and thus in the anode subsystem can be determined approximately. The value thus approximately determined for the fuel concentration in the anode subsystem can in turn be an input variable or as an actual value for the operating strategy of the fuel cell system, for example for regulating the fuel concentration in the anode.

Zweckmäßig kann das Verfahren den Schritt umfassen, wonach basierend auf den während des geöffneten Anodenspülventils erfassten Wertes der Brennstoffstrom angepasst wird, der der Anode des Anodensubsystems zugeführt wird. Der Brennstoffstrom kann beispielsweise der Brennstoffmassenstrom oder der Brennstoffvolumenstrom sein. Der der Anode über dem Anodenzuströmungspfad zugeführte Brennstoffmassenstrom kann beispielsweise über eine oder mehrere der folgenden Komponenten angepasst werden: aktiver Brennstoff-Rezirkulationsförderer, passiv oder aktiv ausgeführter Ejektor, und/oder Durchflussregelventil zur Regelung der von der Brennstoffquelle zugeführten Brennstoffmenge.The method can expediently include the step of adjusting the fuel flow that is supplied to the anode of the anode subsystem based on the value detected during the open anode flushing valve. The fuel flow can be, for example, the fuel mass flow or the fuel volume flow. The fuel mass flow supplied to the anode via the anode inflow path can be adapted, for example, via one or more of the following components: active fuel recirculation conveyor, passive or active ejector, and / or flow control valve for regulating the amount of fuel supplied by the fuel source.

Zur Regelung des Brennstoffmassenstroms können herkömmliche Betriebsverfahren Einsatz finden, die bisher als Eingangsgröße die im Anodensubsystem gemessene Brennstoffkonzentration und/oder anhand eines Rechenmodells approximierte Brennstoffkonzentration verwendet haben.To regulate the fuel mass flow, conventional operating methods can be used which previously used the fuel concentration measured in the anode subsystem and / or the fuel concentration approximated using a computer model as an input variable.

Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der indikative Wert in der bzw. einer Mischkammer erfasst wird, in der Kathodenabgas mit Anodenabgas vermischt wird.The method can include the step of detecting the indicative value in the or a mixing chamber in which the cathode exhaust gas is mixed with anode exhaust gas.

Das Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der bzw. ein Brennstoffsensor in der Mischkammer derart vorgesehen ist, dass die Einströmöffnung vom Kathodenabgas weiter vom Brennstoffsensor beabstandet ist als die Einströmöffnung vom Anodenabgas; und/oder wobei zwischen der Einströmöffnung vom Anodenabgas und dem Brennstoffsensor eine Maßnahme zum zumindest teilweisen Abtrennen des im Anodenabgas vorhandenen Wassers vorgesehen ist.The method may include the step of providing the fuel sensor or a fuel sensor in the mixing chamber in such a way that the inflow opening from the cathode exhaust gas is at a greater distance from the fuel sensor than the inflow opening from the anode exhaust gas; and / or wherein a measure for at least partial separation of the water present in the anode exhaust gas is provided between the inflow opening from the anode exhaust gas and the fuel sensor.

Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach bei der Bestimmung der Brennstoffkonzentration, die stromauf vom Anodenspülventil vorhanden ist, die Werte unberücksichtigt bleiben, die bei geschlossenem Anodenspülventil erfasst werden,The method disclosed here can include the step, according to which, when determining the fuel concentration that is present upstream of the anode flush valve, the values that are recorded when the anode flush valve are closed are not taken into account,

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffsensor der in einer Mischkammer im Abgaspfad des Brennstoffzellensystems verbaut ist. Durch die optimierte Einbaulage des Wasserstoffsensors ist dieser weniger anfällig für das feuchte Gas, das das Brennstoffzellensystem verlässt. Zusammen mit den vergleichsweise einfach zu bestimmenden Volumenstrom der Kathodenabluft kann der Wasserstoffsensors dazu verwendet werden, Rückschlüsse auf die Gaszusammensetzung innerhalb des Anodensubsystems zu ziehen, sobald das Anoden-Spülventil geöffnet wird.In other words, the technology disclosed here relates to a fuel cell system with a hydrogen sensor that is installed in a mixing chamber in the exhaust gas path of the fuel cell system. The optimized installation position of the hydrogen sensor makes it less susceptible to the moist gas leaving the fuel cell system. Together with the volume flow of the cathode exhaust air, which is comparatively easy to determine, the hydrogen sensor can be used to draw conclusions about the gas composition within the anode subsystem as soon as the anode flushing valve is opened.

Das Verfahren zu Optimierung der Anodengaskonzentration mittels eines Wasserstoffsensors kann folgende Aspekte umfassen:

  • • Ein im Abgasstrang verorteter Wasserstoffsensor weist eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Wasserdampf auf. Zweckmäßig kann die Einbaulage des Wasserstoffsensors dergestalt sein, dass das gemessene Signal für die Wasserstoff-Konzentration zunächst durch eine Offset-Anlernfunktion und weiteren relevanten Signalen (wie z.B. Ansteuersignal des Spülventils) aufbereitet und plausibilisiert werden.
  • • Durch ein Modell der Abgasanlage wird im Anschluss eine Gaskonzentration im Anoden-Wasserabscheider berechnet, welche bei den gegebenen Volumenströmen der Reaktanten und der Abluft mit der plausibilisierten Wasserstoff-Konzentration übereinstimmt.
  • • Zur Erhöhung der geschätzten Anoden-Gaskonzentration gegenüber der aus der Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems abgeleiteten Konzentration wird daraufhin die Ansteuerung der Anodenaktuatorik (z.B. Wasserstoffinjektor, Rezikulationsgebläse und Spülventil) angepasst.
  • • Bevorzugt werden mehreren Iterationsschritten durchgeführt und somit eine gewünschte stationäre Gaskonzentration innerhalb der Anode erreicht, ohne diese explizit im Anodensubsystem messen zu müssen.
The method for optimizing the anode gas concentration by means of a hydrogen sensor can include the following aspects:
  • • A hydrogen sensor located in the exhaust system has a certain sensitivity to water vapor. The installation position of the hydrogen sensor can expediently be such that the measured signal for the hydrogen concentration is first processed and checked for plausibility by an offset learning function and other relevant signals (such as the control signal of the flushing valve).
  • • A model of the exhaust system is then used to calculate a gas concentration in the anode water separator which, given the given volume flows of the reactants and exhaust air, corresponds to the plausible hydrogen concentration.
  • • To increase the estimated anode gas concentration compared to the concentration derived from the operating strategy of the fuel cell system, the control of the anode actuators (eg hydrogen injector, reciculation fan and flushing valve) is then adapted.
  • • Preferably, several iteration steps are carried out and thus a desired stationary gas concentration is achieved within the anode without having to measure it explicitly in the anode subsystem.

Mit der hier offenbarten Technologie kann eine einfach zu validierende näherungsweise Ermittlung der Anodengaszusammensetzung realisiert werden, ohne zusätzliche Sensoren in das hochintegrierte AnodenSubsystem verbauen zu müssen. Die verwendeten Sensoren im Kathoden- bzw. Anodensubsystem sowie der Wasserstoffsensor im Abgasstrang können zudem andere Aufgaben erfüllen.With the technology disclosed here, an approximate determination of the anode gas composition that is easy to validate can be implemented without having to install additional sensors in the highly integrated anode subsystem. The sensors used in the cathode or anode subsystem and the hydrogen sensor in the exhaust system can also perform other tasks.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der 1 erläutert. In der 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem gezeigt. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem saugt hier mittels eines Oxidationsmittelförderers 410 Oxidationsmittel (z.B. Luft) an, das in dem nachgelagerten Ladeluftkühler 420 gekühlt wird. Das Oxidationsmittel gelangt über die Kathodenzuleitung 415 in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300. Im Brennstoffzellenstapel 300 kommt es zur elektrochemischen Reaktion. Anschließend verlässt die Brennstoffzufuhr reguliert. Der Brennstoff gelangt über eine Anodenzuleitung 215 zur Anode A des Brennstoffzellenstapels 300, wo der Brennstoff an der elektrochemischen Reaktion teilnimmt. Das Anodenabgas verlässt den Brennstoffzellenstapel 300 und strömt in die Anodenabgasleitung 216. Die Anodenabgasleitung mündet in den Anodenabgaseinlass 231 vom Wasserabscheider 232. Im Wasserabscheider 232 wird die Flüssigkeit aus dem Anodenabgas abgeschieden. Die Flüssigkeit sammelt sich im Speicherbehälter vom Wasserabscheider 232 an. Durch das Anodenspülventil 238 kann das Abgas des Anodensubsystems entweichen.The technology disclosed here is now based on the 1 explained. In the 1 a fuel cell system is shown schematically. The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem draws in here by means of an oxidizing agent conveyor 410 Oxidizing agent (e.g. air) in the downstream charge air cooler 420 is cooled. The oxidizing agent reaches the cathode lead 415 into the cathode K of the fuel cell stack 300 . In the fuel cell stack 300 an electrochemical reaction occurs. Then the fuel supply leaves regulated. The fuel arrives via an anode feed line 215 to the anode A of the fuel cell stack 300 where the fuel takes part in the electrochemical reaction. The anode exhaust leaves the fuel cell stack 300 and flows into the anode exhaust line 216 . The anode exhaust line opens into the anode exhaust inlet 231 from the water separator 232 . In the water separator 232 the liquid is separated from the anode exhaust gas. The liquid collects in the storage tank from the water separator 232 at. Through the anode flush valve 238 the exhaust gas of the anode subsystem can escape.

In einer anderen Ausgestaltung kann das Anodenspülventil 238 ein Flüssigkeits-Anodenspülventil zum Spülen von Wasser und das Anodenspülventil 238' ein Gas-Anodenspülventil zum Spülen von Gasen sein.In another embodiment, the anode flush valve 238 a liquid anode flush valve for flushing water and the anode flush valve 238 ' be a gas anode purge valve for purging gases.

Der Wasserabscheider 232 weist ferner einen Rezirkulationsauslass auf, durch den die zu rezirkulierenden Anodenabgasbestandteile mittels eines Rezirkulationsförderers 236 zum Ejektor 234 gefördert werden. Der Ejektor 234 bringt das rezirkulierende Anodenabgas wieder in die Anodenzuleitung 215 ein. Zum Bestimmen des Wertes, der indikativ für die Brennstoffkonzentration ist, wird nun in Phasen, in denen das Anodenspülventil geöffnet ist, die Wasserstoffkonzentration in der Mischkammer 470 (oder allgemein ausgedrückt im Abgas) stromab vom Anodenspülventil mittels des Brennstoffsensors 472 erfasst. Ferner wird der Druck im oder benachbart zum Wasserabscheider 232 durch einen Drucksensor (nicht gezeigt) erfasst. Ferner wird zweckmäßig der Kathodenabgasstrom ermittelt. Mit diesen Werten kann unter Berücksichtigung des Schaltverhaltens und der Geometrie des Anodenspülventils der Anodenabgasstrom bestimmt werden. Anhand der erfassten Größen lässt sich beispielsweise mit der Mischungsregel näherungsweise die Brennstoffkonzentration im Anodensubsystem, insbesondere im Rezirkulationsströmungspfad, bestimmen. Der näherungsweise ermittelte Konzentrationswert kann dann für die Regelung der Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels herangezogen werden. Alternativ könnte die näherungsweise Bestimmung des Konzentrationswertes entfallen und stattdessen direkt die zuvor erfassten Werte für die Regelung der Betriebsparameter (z.B. anhand eines Kennfeldes) herangezogen werden, ohne dass es eine näherungsweise Berechnung der Konzentration im Anodensubsystems durch ein Rechenmittel bedarf.The water separator 232 furthermore has a recirculation outlet through which the anode exhaust gas components to be recirculated by means of a recirculation conveyor 236 to the ejector 234 be promoted. The ejector 234 brings the recirculating anode exhaust gas back into the anode feed line 215 a. To determine the value that is indicative of the fuel concentration, the hydrogen concentration in the mixing chamber is now used in phases in which the anode flush valve is open 470 (or in general terms in the exhaust gas) downstream of the anode flush valve by means of the fuel sensor 472 detected. Furthermore, the pressure is in or adjacent to the water separator 232 detected by a pressure sensor (not shown). Furthermore, the cathode exhaust gas flow is expediently determined. With these values, the anode exhaust gas flow can be determined, taking into account the switching behavior and the geometry of the anode flushing valve. The fuel concentration in the anode subsystem, in particular in the recirculation flow path, can be approximately determined on the basis of the recorded variables, for example with the mixing rule. The approximately determined concentration value can then be used to regulate the operating parameters of the fuel cell stack. Alternatively, the approximate determination of the concentration value could be omitted and instead the previously recorded values could be used directly for the regulation of the operating parameters (e.g. using a characteristic map) without the need for an approximate calculation of the concentration in the anode subsystem by a computing means.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The preceding description of the present invention is for illustrative purposes only and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

Claims (16)

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, umfassend den Schritt, wonach ein Wert erfasst wird, der indikativ ist für die Brennstoffkonzentration stromab von einem Anodenspülventil (238, 238'), wobei während der Erfassung des Wertes das Anodenspülventil (238, 238') geöffnet ist.A method of operating a fuel cell system, comprising the step of obtaining a value which is indicative of the fuel concentration downstream of an anode flushing valve (238, 238 '), the anode flushing valve (238, 238') being open while the value is being recorded. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Anodensubsystem stromauf vom Anodenspülventil (238, 238) vorhandene Brennstoffkonzentration bestimmt wird unter Verwendung des während des geöffneten Anodenspülventils (238, 238) erfassten Wertes.Procedure according to Claim 1 wherein the fuel concentration present in the anode subsystem upstream of the anode purge valve (238, 238) is determined using the value detected while the anode purge valve (238, 238) is open. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei basierend auf erfassten Wertes der Brennstoffstrom angepasst wird, der der Anode (A) des Anodensubsystems zugeführt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , the fuel flow that is fed to the anode (A) of the anode subsystem being adjusted based on the detected value. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Brennstoffkonzentration im Anodensubsystem bestimmt wird unter Berücksichtigung des Kathodenabgasstroms.Procedure according to Claim 2 or 3 , wherein the fuel concentration in the anode subsystem is determined taking into account the cathode exhaust gas flow. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach der Wert in einer Mischkammer (470) erfasst wird, in der Kathodenabgas mit Anodenabgas vermischt wird.Method according to one of the preceding claims, further comprising the step of after which the value is recorded in a mixing chamber (470) in which cathode exhaust gas is mixed with anode exhaust gas. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Brennstoffsensor (472) in der Mischkammer (470) derart vorgesehen ist, dass die Einströmöffnung vom Kathodenabgas weiter vom Brennstoffsensor (472) beabstandet ist als die Einströmöffnung vom Anodenabgas; und/oder wobei zwischen der Einströmöffnung vom Anodenabgas und dem Brennstoffsensor (472) eine Maßnahme zum zumindest teilweisen Abtrennen des im Anodenabgas vorhandenen Wassers vorgesehen ist.Procedure according to Claim 5 wherein a fuel sensor (472) is provided in the mixing chamber (470) in such a way that the inflow opening from the cathode exhaust gas is spaced further from the fuel sensor (472) than the inflow opening from the anode exhaust gas; and / or a measure for at least partial separation of the water present in the anode exhaust gas being provided between the inflow opening from the anode exhaust gas and the fuel sensor (472). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach bei der Bestimmung der Brennstoffkonzentration, die stromauf vom Anodenspülventil (238, 238) vorhanden ist, die Werte unberücksichtigt bleiben, die bei geschlossenem Anodenspülventil (238, 238') erfasst werden.Method according to one of the preceding claims, further comprising the step, after which, when determining the fuel concentration which is present upstream of the anode flush valve (238, 238), the values which are recorded when the anode flush valve (238, 238 ') are closed are not taken into account. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Anodensubsystem stromauf vom Anodenspülventil (238, 238') kein Brennstoffsensor vorgesehen ist.Method according to one of the preceding claims, wherein no fuel sensor is provided in the anode subsystem upstream of the anode flush valve (238, 238 '). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach zur Bestimmung des Anodenabgasstroms der Druck im Rezirkulationspfad mittels eines Drucksensors erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, further comprising the step, after which the pressure in the recirculation path is detected by means of a pressure sensor to determine the anode exhaust gas flow. Brennstoffzellensystem, umfassend: - ein Anodenspülventil (238, 238') zum Spülen des Anodensubsystems; - mindestens einen Brennstoffsensor (472), der stromab vom Anodenspülventil (238, 238') vorgesehen ist; und - ein Steuergerät, das eingerichtet ist, einen Wert zu erfassen, der indikativ für die Brennstoffkonzentration stromab von dem Anodenspülventil (238, 238') ist, - wobei während der Erfassung des Wertes mittels des Brennstoffsensors das Anodenspülventil (238, 238') geöffnet ist, - und/oder wobei das Steuergerät bevorzugt eingerichtet ist, eines der vorgenannten Verfahren durchzuführen.Fuel cell system comprising: - an anode flush valve (238, 238 ') for flushing the anode subsystem; - At least one fuel sensor (472) which is provided downstream of the anode flush valve (238, 238 '); and - a control device which is set up to detect a value which is indicative of the fuel concentration downstream of the anode flushing valve (238, 238 '), - the anode flushing valve (238, 238 ') being open during the detection of the value by means of the fuel sensor, and / or wherein the control device is preferably set up to carry out one of the aforementioned methods. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Brennstoffsensor (472) in der Einbaulage in Richtung der Hochachse beabstandet von der Bodenfläche des Abgaspfads angeordnet ist.Fuel cell system according to Claim 10 wherein the fuel sensor (472) is arranged in the installation position in the direction of the vertical axis at a distance from the bottom surface of the exhaust gas path. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Brennstoffsensor (472) in einer Mischkammer (470) vorgesehen ist, in der das Kathodenabgas mit Anodenabgas vermischt wird.Fuel cell system according to Claim 10 or 11 wherein the fuel sensor (472) is provided in a mixing chamber (470) in which the cathode off-gas is mixed with anode off-gas. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei der Brennstoffsensor (472) in der Mischkammer (470) derart vorgesehen ist, dass die Einströmöffnung vom Kathodenabgas weiter vom Brennstoffsensor (472) beabstandet ist als die Einströmöffnung vom Anodenabgas.Fuel cell system according to Claim 12 , wherein the fuel sensor (472) is provided in the mixing chamber (470) in such a way that the inflow opening from the cathode exhaust gas is spaced further from the fuel sensor (472) than the inflow opening from the anode exhaust gas. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 13, wobei zwischen der Einströmöffnung vom Anodenabgas und dem Brennstoffsensor (472) eine Maßnahme zum zumindest teilweisen Abtrennen des im Anodenabgas vorhandenen Wassers vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of the previous ones Claims 10 to 13th , a measure for at least partial separation of the water present in the anode exhaust gas being provided between the inflow opening from the anode exhaust gas and the fuel sensor (472). Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 14, ferner umfassend mindestens einen Drucksensor, wobei der Drucksensor im oder an einem Wasserabscheider (232) des Anodensubsystems vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of the previous ones Claims 10 to 14th , further comprising at least one pressure sensor, wherein the pressure sensor is provided in or on a water separator (232) of the anode subsystem. Kraftfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15.Motor vehicle, comprising a fuel cell system according to one of Claims 10 to 15th .
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