DE102020115789A1 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoff-Dosierventil (10) und einer Jetpumpe (12) in einer zwischen einem Brennstofftank (5) und einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Anodenzufuhrleitung (4), umfassend die Schritte:a) Bestimmen, wieviel Flüssigwasser sich in Kanälen des Brennstoffzellenstapels (2) befindet,b) Festlegen der Öffnungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Dosierventils (10),c) Festlegen des Öffnungsgrades des Brennstoff-Dosierventils (10),d) Festlegen der Dauer der Öffnung des Brennstoff-Dosierventils (10),e) Festlegen der Wiederholungsrate der Schritte b) bis d).Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.The invention relates to a method for operating a fuel cell device (1) with a fuel metering valve (10) and a jet pump (12) in an anode feed line (4) arranged between a fuel tank (5) and a fuel cell stack (2) having at least one fuel cell, comprising the steps of: a) determining how much liquid water is in the channels of the fuel cell stack (2), b) determining the opening speed of the fuel metering valve (10), c) determining the degree of opening of the fuel metering valve (10), d) determining the Duration of the opening of the fuel metering valve (10), e) setting the repetition rate of steps b) to d). The invention further relates to a fuel cell device (1) and a fuel cell vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoff-Dosierventil und einer Jetpumpe in einer zwischen einem Brennstofftank und einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel angeordneten Anodenzufuhrleitung, umfassend die Schritte:

  1. a) Bestimmen, wieviel Flüssigwasser sich in Kanälen des Brennstoffzellenstapels befindet,
  2. b) Festlegen der Öffnungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Dosierventils,
  3. c) Festlegen des Öffnungsgrades des Brennstoff-Dosierventils,
  4. d) Festlegen der Dauer der Öffnung des Brennstoff-Dosierventils,
  5. e) Festlegen der Wiederholungsrate der Schritte b) bis d).
The invention relates to a method for operating a fuel cell device with a fuel metering valve and a jet pump in an anode feed line arranged between a fuel tank and a fuel cell stack having at least one fuel cell, comprising the steps of:
  1. a) Determine how much liquid water is in the channels of the fuel cell stack,
  2. b) Determining the opening speed of the fuel metering valve,
  3. c) Determining the degree of opening of the fuel metering valve,
  4. d) Determining the duration of the opening of the fuel metering valve,
  5. e) Determining the repetition rate of steps b) to d).

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug.The invention also relates to a fuel cell device and a fuel cell vehicle.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. In der Regel wird ein Brennstoffzellenstapel durch eine Vielzahl im Stapel (englisch: „stack“) angeordneter MEA zusammen mit Bipolarplatten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane-electrode unit as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. As a rule, a fuel cell stack is formed by a large number of MEAs arranged in a stack (English: "stack") together with bipolar plates, the electrical powers of which add up. When the fuel cell is in operation, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The H + protons are transported from the anode compartment into the cathode compartment via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction chambers from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.

Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Anodenkreislauf / Anodenloop geführt (rezirkuliert), wobei vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann. Im Anodenkreislauf kann dazu ein Ejektor (Jetpumpe) eingesetzt werden, der mittels der potentiellen Energie des Brennstoffes/Wasserstoffes aus einem Brennstofftank das Anodengas rezirkuliert.Since the anode reaction is usually operated with a stoichiometric dimensioning of the fuel, there is no complete reaction of the entire fuel supplied in the fuel cell stack. Nor does a complete reaction of the oxygen take place. For efficient use of the fuel, it is therefore often routed (recirculated) into an anode circuit / anode loop, with the fuel being enriched again to such an extent that the fuel is again overstoichiometric and the reaction can take place before the fuel is returned to the fuel cell stack. For this purpose, an ejector (jet pump) can be used in the anode circuit, which recirculates the anode gas from a fuel tank using the potential energy of the fuel / hydrogen.

Das in dem Brennstoffzellenstapel generierte Wasser muss aus diesem ausgetragen werden, da das Wasser die Kanäle in den Bipolarplatten blockieren kann und so den Zustrom der Reaktanten behindert oder sogar verhindert. Der Wasseraustrag zur Vermeidung der Blockaden erfolgt anodenseitig über einen ausreichenden Volumenstrom des Brennstoffs. Bei einem konstanten Volumenstrom muss ein relativ hoher Druckverlust über die Kanäle in Kauf genommen werden. Wird bei einem getakteten Druckregelventil in der Anodenzufuhrleitung ein pulsierender Volumenstrom erzeugt, muss die Pulsation die Druckverluste durch das Flüssigwasser in den Kanälen überwinden können. Zu beachten ist auch, dass bei einer passiven Rezirkulation sehr hohe Druckverluste überwunden werden müssen.The water generated in the fuel cell stack has to be discharged from it, since the water can block the channels in the bipolar plates and thus hinder or even prevent the flow of reactants. To avoid blockages, the water is discharged on the anode side via a sufficient volume flow of the fuel. With a constant volume flow, a relatively high pressure loss through the channels must be accepted. If a pulsing volume flow is generated in the anode supply line with a clocked pressure control valve, the pulsation must be able to overcome the pressure losses caused by the liquid water in the channels. It should also be noted that with passive recirculation very high pressure losses have to be overcome.

In der Druckschrift DE 10 2013 210 991 A1 wird ein pulsierendes Betriebsverfahren beschrieben, bei dem eine Steuerung die Größe und die Dauer eines pulsierenden Betriebsdrucks für einen der Anode zugeführten Brennstoff während einer Öffnungsdauer eines Wasserstoff-Ablassventils steuert, um die Wasserableitung beizubehalten. Die EP 2 717 371 A1 schildert eine Vorrichtung und ein Verfahren, in denen anodenseitige Druckpulse für den Wasseraustrag genutzt werden. In der US 2002/0150801 A1 wird geschildert, wie der Druck des aus der Brennstoffzelle geführten überschüssigen Wasserstoffs ausgewertet wird, um das Öffnen und Schließen der Wasserstoffquelle zu bestimmen.In the pamphlet DE 10 2013 210 991 A1 describes a pulsating operating method in which a controller controls the magnitude and duration of a pulsating operating pressure for a fuel supplied to the anode during an opening duration of a hydrogen discharge valve in order to maintain the drainage of water. the EP 2 717 371 A1 describes a device and a method in which the anode-side pressure pulses are used for the discharge of water. In the US 2002/0150801 A1 describes how the pressure of the excess hydrogen discharged from the fuel cell is evaluated in order to determine the opening and closing of the hydrogen source.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem die Effizienz einer Brennstoffzellenvorrichtung gesteigert werden kann. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Brennstoffzellenfahrzeug bereit zu stellen.It is the object of the present invention to provide a method with which the efficiency of a fuel cell device can be increased. A further object is to provide an improved fuel cell device and an improved fuel cell vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1, by a fuel cell device with the features of claim 7 and by a fuel cell vehicle with the features of claim 9. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bedarfsgerechte Druckpulse durch das Brennstoff-Dosierventil erzeugt werden, die keinem festen zeitlichen Zyklus unterliegen, so dass in Abhängigkeit der Menge des auszutragenden Flüssigwassers gezielt ein Impuls auf dieses Flüssigwasser ausgeübt wird, der unter Berücksichtigung der abbremsenden Kräfte zur Austragung des Flüssigwassers aus den Kanälen ausreicht.The method according to the invention is characterized in that the fuel metering valve generates appropriate pressure pulses that are not subject to a fixed time cycle, so that, depending on the amount of liquid water to be dispensed, a specific pulse is exerted on this liquid water, which takes into account the braking forces sufficient to discharge the liquid water from the canals.

Dabei kann vor dem Schritt b) festgelegt werden, in welcher Dauer das Flüssigwasser ausgetragen werden soll.Before step b), it can be determined in what time the liquid water is to be discharged.

Bevorzugt ist es, wenn in Schritt a) durch Sensoren die Druckänderungen in den einen Brennstoff und/oder ein Oxidationsmittel führenden Kanälen erfasst wird zur Bestimmung der Masse des in den Kanälen befindlichen Flüssigwassers.It is preferred if in step a) the pressure changes in the channels carrying a fuel and / or an oxidizing agent are detected by sensors in order to determine the mass of the liquid water located in the channels.

Alternativ oder auch ergänzend zur Verringerung der Messungenauigkeit besteht die Möglichkeit, dass in Schritt a) die Zellspannung in dem Brennstoffzellenstapel erfasst wird zur Bestimmung der Masse des in den Kanälen befindlichen Flüssigwassers, insbesondere dass eine Impedanzmessung zur Bestimmung Flüssigkeitsgehalts ausgeführt wird.As an alternative or in addition to reducing the measurement inaccuracy, there is the possibility that the cell voltage in the fuel cell stack is recorded in step a) to determine the mass of the liquid water in the channels, in particular that an impedance measurement is carried out to determine the liquid content.

Weiterhin bevorzugt ist es, wenn modellbasiert in Kenntnis der Masse des Flüssigwassers die erforderliche Druckerhöhung und die dafür erforderliche Erhöhung des Brennstoffmassenstroms bestimmt wird, und dass daraus die Betätigung des Brennstoff-Dosierventils entsprechend der Schritte b) bis e) abgeleitet wird. Beispielhaft kann eine Wassermenge von 25 ml, entsprechend einer Masse von 25 g, genannt werden, die entsprechend Schritt a) bestimmt wird. Diese Wassermenge verursacht in den Kanälen einen Druckabfall von 50 mbar. Um dieses Wasser auszutreiben ist ein Zusatzmassenstrom von 0,45g/s erforderlich, der durch das geeignete Öffnen des Brennstoff-Dosierventils bereit gestellt wird.It is also preferred if, based on a model, knowing the mass of the liquid water, the required pressure increase and the increase in the fuel mass flow required for this are determined, and the actuation of the fuel metering valve in accordance with steps b) to e) is derived from this. As an example, an amount of water of 25 ml, corresponding to a mass of 25 g, can be mentioned, which is determined in accordance with step a). This amount of water causes a pressure drop of 50 mbar in the channels. To expel this water, an additional mass flow of 0.45g / s is required, which is made available by opening the fuel metering valve appropriately.

Es ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass mehrere der vorstehend genannten Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsgehalts gleichzeitig genutzt werden. Somit ist es möglich, die Druckverlustsmessung über den Brennstoffzellenstapel, die Zellspannungsmessung und die Impedanzmessung kombiniert durchzuführen, was zu einer Verbesserung des Messergebnisses beiträgt.There is the advantageous possibility that several of the above-mentioned methods for determining the liquid content are used at the same time. It is thus possible to carry out the pressure loss measurement across the fuel cell stack, the cell voltage measurement and the impedance measurement in combination, which contributes to an improvement in the measurement result.

Die eingangs genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere mit einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoff-Dosierventil und einer Jetpumpe in einer zwischen einem Brennstofftank und einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel angeordneten Anodenzufuhrleitung, und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens, insbesondere wenn eine Anodenrezirkulationsleitung frei von einem Rezirkulationsgebläse zu der Jetpumpe geführt ist. Es liegt damit eine Verminderung der Komponenten für die Brennstoffzellenvorrichtung vor, was auch die Effizienz steigert.The advantages and effects mentioned at the outset also apply mutatis mutandis to a fuel cell vehicle with a fuel cell device, in particular with a fuel cell device with a fuel metering valve and a jet pump in an anode supply line arranged between a fuel tank and a fuel cell stack having at least one fuel cell, and with a control unit that is set up is used to carry out the above-mentioned method, in particular when an anode recirculation line is routed to the jet pump free of a recirculation fan. There is thus a reduction in the number of components for the fuel cell device, which also increases the efficiency.

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

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 die zeitabhängige Darstellung der Wasserstoffkonzentration in Verbindung mit der zeitabhängigen Darstellung der Ventilöffnung,
  • 3 eine zeitabhängige Darstellung der Druckänderung zur Veranschaulichung der Wirkung des Vorliegens von Flüssigwasser,
  • 4 eine zeitabhängige Darstellung der Druckänderung bei Vorliegen Flüssigwasser (durchgezogene Linie) gegenüber dem Sollwert (strichlierte Linie) und,
  • 5 eine zeitabhängige Darstellung der Öffnung des Wasserstoff-Dosierventils.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 the time-dependent representation of the hydrogen concentration in connection with the time-dependent representation of the valve opening,
  • 3 a time-dependent representation of the pressure change to illustrate the effect of the presence of liquid water,
  • 4th a time-dependent representation of the pressure change in the presence of liquid water (solid line) compared to the target value (dashed line) and,
  • 5 a time-dependent representation of the opening of the hydrogen metering valve.

Die in 1 gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.In the 1 fuel cell device shown 1 includes a fuel cell stack 2 comprising a plurality of fuel cells connected in series. Each of the fuel cells comprises an anode and a cathode as well as a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

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

In 1 ist schematisch lediglich der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil der Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 4 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstofftank 5 verbunden. In der Anodenzufuhrleitung 4 sind ein Brennstoff-Dosierventil 10, ein Wärmeübertrager 11, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur Erwärmung des Brennstoffes, und eine Jetpumpe 12 vorgesehen. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 6 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden, wobei die Jetpumpe 12 für die Rezirkulation genutzt wird. Zu beachten ist, dass bei der Brennstoffzellenvorrichtung 1 auf die Präsenz einer Rezirkulationspumpe in der Anodenrezirkulationsleitung 6 verzichtet werden kann.In 1 is schematically only the part of the fuel cell device required to explain the invention 1 shown. The anode compartments are via an anode supply line 4th with a fuel tank providing the fuel 5 connected. In the anode supply line 4th are a fuel metering valve 10 , a heat exchanger 11th , preferably in the form of a recuperator to heat the fuel, and a jet pump 12th intended. Via an anode recirculation line 6th fuel that has not reacted at the anodes can be fed back into the anode spaces, with the jet pump 12th is used for recirculation. It should be noted that in the fuel cell device 1 the presence of a recirculation pump in the anode recirculation line 6th can be dispensed with.

Kathodenseitig ist ein Verdichter 7 vorhanden, mit dem die Luft stark verdichtet wird, um eine ausreichende Menge an Sauerstoff für die Vielzahl der Brennstoffzellen bereitstellen zu können, wobei die Konditionierung des Kathodengases in einem Wärmetauscher und einem Befeuchter 3 erfolgt, dem Feuchte aus dem Produktwasser des Kathodenabgases oder ergänzend aus einem anodenseitigen Wasserabscheider 8 zur Verfügung gestellt werden kann, in dem anfallendes Wasser gesammelt und über ein Ablassventil 9 abgeschieden werden kann.A compressor is on the cathode side 7th present, with which the air is strongly compressed in order to be able to provide a sufficient amount of oxygen for the plurality of fuel cells, the conditioning of the cathode gas in a heat exchanger and a humidifier 3 takes place, the moisture from the product water of the cathode exhaust gas or additionally from a water separator on the anode side 8th can be made available in the accumulating water and collected via a drain valve 9 can be deposited.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt weiterhin über ein Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit dem Brennstoff-Dosierventil 10 und der Jetpumpe 12 in der zwischen dem Brennstofftank 5 und dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordneten Anodenzufuhrleitung 4, umfassend die Schritte:

  1. a) Bestimmen, wieviel Flüssigwasser sich in Kanälen des Brennstoffzellenstapels 2 befindet,
  2. b) Festlegen der Öffnungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Dosierventils 10,
  3. c) Festlegen des Öffnungsgrades des Brennstoff-Dosierventils 10,
  4. d) Festlegen der Dauer der Öffnung des Brennstoff-Dosierventils 10,
  5. e) Festlegen der Wiederholungsrate der Schritte b) bis d).
The fuel cell device 1 furthermore has a control device which is set up to carry out a method for operating the fuel cell device 1 with the fuel metering valve 10 and the jet pump 12th in the between the fuel tank 5 and the fuel cell stack 2 arranged anode supply line 4th , comprising the steps:
  1. a) Determine how much liquid water is in the channels of the fuel cell stack 2 is located
  2. b) Determining the opening speed of the fuel metering valve 10 ,
  3. c) Determining the degree of opening of the fuel metering valve 10 ,
  4. d) Determining the duration of the opening of the fuel metering valve 10 ,
  5. e) Determining the repetition rate of steps b) to d).

Die Bestimmung, wieviel Flüssigwasser sich in den Kanälen befindet, kann erfolgen, indem in Schritt a) durch Sensoren die Druckänderungen in den einen Brennstoff und/oder ein Oxidationsmittel führenden Kanälen erfasst werden und/oder indem in Schritt a) die Zellspannung in dem Brennstoffzellenstapel 2 erfasst wird. Es ist auch eine Impedanzmessung zur Bestimmung des Flüssigwassergehalts in den Kanälen möglich. In Kenntnis der Menge des Flüssigwassers kann modellbasiert die erforderliche Druckerhöhung und die dafür erforderliche Erhöhung des Brennstoffmassenstroms bestimmt wird, um daraus die Betätigung des Brennstoff-Dosierventils 10 entsprechend der Schritte b) bis e) zu bestimmen.The determination of how much liquid water is in the channels can be done in that the pressure changes in the channels carrying a fuel and / or an oxidizing agent are detected by sensors in step a) and / or by the cell voltage in the fuel cell stack in step a) 2 is captured. It is also possible to measure the impedance to determine the liquid water content in the channels. Knowing the amount of liquid water, the required pressure increase and the increase in fuel mass flow required for this can be determined based on a model, in order to actuate the fuel metering valve therefrom 10 to be determined according to steps b) to e).

Als ein Beispiel wird auf 3 verwiesen, die bei einem konstanten Lastpunkt die durch das Vorliegen von Flüssigwasser (schraffierter Bereich) verursachte Druckänderungen zeigt, wobei aus der Druckänderung, also dem Offset zwischen dem erwarteten Sollwert und dem Messwert hinsichtlich des Druckes (4) die Menge des den Druckverlust verursachenden Flüssigwassers bestimmt werden. Anhand dieser Menge bzw. Masse kann die Höhe des erforderlichen Impulses zur Austreibung des Flüssigwasser bestimmt werden, welcher Druckpuls dafür erforderlich ist und welcher Zusatzmassenstrom des Brennstoffs zur Erzeugung dieses Druckpulses benötigt wird. Daraus kann dann die Ventilansteuerung entsprechend 5 abgeleitet werden mit dem Gradienten für das Öffnen des Brennstoff-Dosierventils sowie der Dauer und der Höhe des Druckpulses. Dieser Vorgang mit der Wirkung auf die Brennstoff/Wasserstoffkonzentration ist in 2 dargestellt, die auch eine Wiederholungsrate erkennen lässt.As an example, see 3 which shows the pressure changes caused by the presence of liquid water (hatched area) at a constant load point, whereby the pressure change, i.e. the offset between the expected setpoint and the measured value with regard to the pressure ( 4th ) the amount of liquid water causing the pressure loss can be determined. On the basis of this amount or mass, the level of the required pulse for expelling the liquid water can be determined, which pressure pulse is required for this and which additional mass flow of the fuel is required to generate this pressure pulse. The valve control can then be used accordingly 5 are derived with the gradient for the opening of the fuel metering valve and the duration and height of the pressure pulse. This process with the effect on the fuel / hydrogen concentration is in 2 shown, which also reveals a repetition rate.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
BefeuchterHumidifier
44th
AnodenzufuhrleitungAnode feed line
55
BrennstofftankFuel tank
66th
AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
77th
Verdichtercompressor
88th
WasserabscheiderWater separator
99
AblassventilDrain valve
1010
Brennstoffdosier-VentilFuel metering valve
1111th
WärmeübertragerHeat exchanger
1212th
JetpumpeJet pump
V0V0
VeröffentlichungsgradDegree of publication

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102013210991 A1 [0006]DE 102013210991 A1 [0006]
  • EP 2717371 A1 [0006]EP 2717371 A1 [0006]
  • US 2002/0150801 A1 [0006]US 2002/0150801 A1 [0006]

Claims (9)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoff-Dosierventil (10) und einer Jetpumpe (12) in einer zwischen einem Brennstofftank (5) und einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Anodenzufuhrleitung (4), umfassend die Schritte: a) Bestimmen, wieviel Flüssigwasser sich in Kanälen des Brennstoffzellenstapels (2) befindet, b) Festlegen der Öffnungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Dosierventils (10), c) Festlegen des Öffnungsgrades des Brennstoff-Dosierventils (10), d) Festlegen der Dauer der Öffnung des Brennstoff-Dosierventils (10), e) Festlegen der Wiederholungsrate der Schritte b) bis d).A method for operating a fuel cell device (1) with a fuel metering valve (10) and a jet pump (12) in an anode supply line (4) arranged between a fuel tank (5) and a fuel cell stack (2) having at least one fuel cell, comprising the steps of: a) Determine how much liquid water is in the channels of the fuel cell stack (2), b) determining the opening speed of the fuel metering valve (10), c) Determining the degree of opening of the fuel metering valve (10), d) determining the duration of the opening of the fuel metering valve (10), e) Determining the repetition rate of steps b) to d). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt b) festgelegt wird, in welcher Dauer das Flüssigwasser ausgetragen werden soll.Procedure according to Claim 1 , characterized in that it is determined before step b) the duration in which the liquid water is to be discharged. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) durch Sensoren die Druckänderungen in den einen Brennstoff und/oder ein Oxidationsmittel führenden Kanälen erfasst wird zur Bestimmung der Masse des in den Kanälen befindlichen Flüssigwassers.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that in step a) the pressure changes in the channels carrying a fuel and / or an oxidizing agent are detected by sensors in order to determine the mass of the liquid water located in the channels. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Zellspannung in dem Brennstoffzellenstapel (2) erfasst wird zur Bestimmung der Masse des in den Kanälen befindlichen Flüssigwassers.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that in step a) the cell voltage in the fuel cell stack (2) is detected in order to determine the mass of the liquid water located in the channels. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Impedanzmessung zur Bestimmung des Flüssigkeitsgehalts ausgeführt wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that an impedance measurement is carried out to determine the liquid content. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass modellbasiert in Kenntnis der Masse des Flüssigwassers die erforderliche Druckerhöhung und die dafür erforderliche Erhöhung des Brennstoffmassenstroms bestimmt wird, und dass daraus die Betätigung des Brennstoff-Dosierventils (10) entsprechend der Schritte b) bis e) abgeleitet wird.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that, based on the model, knowing the mass of the liquid water, the required pressure increase and the increase in fuel mass flow required for this are determined, and that the actuation of the fuel metering valve (10) according to steps b) to e) is derived therefrom. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoff-Dosierventil (10) und einer Jetpumpe (12) in einer zwischen einem Brennstofftank (5) und einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2) angeordneten Anodenzufuhrleitung (4), und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Fuel cell device (1) with a fuel metering valve (10) and a jet pump (12) in an anode supply line (4) arranged between a fuel tank (5) and a fuel cell stack (2) having at least one fuel cell, and with a control device that is set up to carry out the method according to one of the Claims 1 until 6th . Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anodenrezirkulationsleitung (6) frei von einem Rezirkulationsgebläse zu der Jetpumpe (12) geführt ist-Fuel cell device (1) according to Claim 7 , characterized in that an anode recirculation line (6) is led to the jet pump (12) free of a recirculation fan Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8.Fuel cell vehicle with a fuel cell device (1) according to Claim 7 or 8th .
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