DE102021118051A1

DE102021118051A1 - Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021118051A1
Application number: DE102021118051.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Kraft
Original assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2023-01-19
Also published as: WO2023285379A1

Abstract

Um ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens einen Brennstoffzellenstapel, mindestens ein Kanalsystem zum Zuführen eines fluiden Mediums zu dem Brennstoffzellenstapel und/oder zum Abführen eines fluiden Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel und mindestens ein erstes Ventil, ein zweites Ventil und einen Drucksensor, die in Fluidverbindung mit dem Kanalsystem stehen, umfasst, zu schaffen, welches es erlaubt, „Drain“-Vorgänge und „Purge“-Vorgänge zuverlässig und betriebssicher in einer Vielzahl von Betriebszuständen durchzuführen und welches einfach an wechselnde Betriebsbedingungen anpassbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst:- Öffnen des ersten Ventils;- Schließen des ersten Ventils;- Ermittlung eines Druckverlaufs zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils mittels des Drucksensors;- Ermittlung eines Referenzwerts für die Steuerung des zweiten Ventils aus dem Druckverlauf zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils;- Steuerung des Öffnens und/oder des Schließens des zweiten Ventils in Abhängigkeit von dem Referenzwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens einen Brennstoffzellenstapel, mindestens ein Kanalsystem zum Zuführen eines fluiden Mediums zu dem Brennstoffzellenstapel und/oder zum Abführen eines fluiden Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel und mindestens ein erstes Ventil, ein zweites Ventil und einen Drucksensor, die in Fluidverbindung mit dem Kanalsystem stehen, umfasst.
Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere als ein sogenanntes „Deadend“-System eingesetzt werden, bei welchem das Reaktionsgas (Anodengas) in das Anodengassystem des Brennstoffzellenstapels strömt, ohne am Auslass des Brennstoffzellenstapels als Abgas in die Umgebung abgeführt zu werden. Dabei kann der Brennstoffzellenstapel verschlossen sein, oder das abzuführende Anodengas kann in einem Rezirkulationssystem wieder dem Einlass des Brennstoffzellenstapels und dort dem aus einem Speichersystem zudosierten Anodengas zugeführt werden.
In beiden Fällen sammelt sich im Anodengassystem des Brennstoffzellenstapels mit wachsender Betriebsdauer Inertgas, hauptsächlich Stickstoff, der durch die Membran der Brennstoffzellen diffundiert, und Wasserdampf und flüssiges Wasser an.
Durch einen sogenannten „Purge“-Vorgang wird Gasgemisch aus dem Brennstoffzellenstapel durch das Öffnen von entsprechend angeordneten Ventilen in das Abgassystem des Brennstoffzellenstapels abgeleitet.
Diese Ventile sind üblicherweise in einem Teil des anodenseitigen Gassystems des Brennstoffzellenstapels angeordnet, welches der Auslassseite zugeordnet werden kann.
Beim Ausführen eines „Purge“-Vorgangs wird das im Brennstoffzellensystem vorhandene Gasgemisch abgeführt, wobei Frischgas aus dem Speicher zuströmt, wodurch die Konzentration der inerten Fremdbestandteile abgesenkt werden kann.
Um eine Ansammlung von flüssigem Wasser im Brennstoffzellensystem zu vermeiden, wird in einem Tropfenabscheider gesammeltes flüssiges Wasser in einem sogenannten „Drain“-Vorgang aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems der vorstehend erwähnten Art zu schaffen, welches es erlaubt, „Drain“-Vorgänge und „Purge“-Vorgänge mittels des ersten Ventils und des zweiten Ventils zuverlässig und betriebssicher in einer Vielzahl von Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems durchzuführen und welches in einfacher Weise an wechselnde Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren Folgendes umfasst:

- Öffnen des ersten Ventils;
- Schließen des ersten Ventils;
- Ermitteln eines Druckverlaufs zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils mittels des Drucksensors;
- Ermittlung eines Referenzwerts für die Steuerung des zweiten Ventils aus dem Druckverlauf zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils;
- Steuerung des Öffnens und/oder des Schließens des zweiten Ventils in Abhängigkeit von dem Referenzwert.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Konzept zugrunde, Information, die aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils gewonnen wird, für die optimale Steuerung des zweiten Ventils zu benutzen.
Der während der Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelte Referenzwert ist vorzugsweise ein Druckwert (p_r), mit welchem ein zwischen dem Öffnen und dem Schließen des zweiten Ventils ermittelter Druckverlauf verglichen wird.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das zweite Ventil geschlossen wird, wenn der nach dem Öffnen des zweiten Ventils ermittelte Druck den Referenzwert erreicht.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das zweite Ventil spätestens nach Erreichen einer vorgegebenen maximalen Öffnungszeit (T) geschlossen wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Ventil nach einer vorgegebenen Schließzeit (Δ) erneut geöffnet wird, wenn der während einer Öffnungsphase des zweiten Ventils ermittelte Druckverlauf eine von dem Referenzwert abhängige Bedingung nicht erfüllt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zweite Ventil erneut geöffnet wird, wenn der während einer vorangegangenen Öffnungsphase des zweiten Ventils ermittelte Druckverlauf einen als Referenzwert dienenden Druckwert (p_r) nicht erreicht.
Auf diese Weise kann insbesondere bei einem mittels des zweiten Ventils durchgeführten „Drain“-Vorgang erreicht werden, dass das für den „Drain“-Vorgang benutzte Ventil erneut geöffnet wird, wenn bei der vorausgegangenen Öffnungsphase das im Bereich dieses Ventils angesammelte Wasser noch nicht vollständig aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragen worden ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mittels des zweiten Ventils ein Wasseraustraganschluss des Kanalsystems verschließbar ist, durch welchen unter normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems zumindest zeitweise Wasser aus dem Kanalsystem austragbar ist. In diesem Fall ist mittels des zweiten Ventils insbesondere ein „Drain“-Vorgang durchführbar.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels des ersten Ventils ein Gasaustraganschluss des Kanalsystems verschließbar ist, durch welchen unter normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems kein Wasser aus dem Kanalsystem austragbar ist. Das erste Ventil kann dann insbesondere für die Durchführung eines „Purge“-Vorgangs verwendet werden.
Um eine optimale Steuerung des Brennstoffzellensystems auch im Fall einer Störung oder eines anderen irregulären Betriebszustands des Brennstoffzellensystems durchführen zu können, ist es günstig, wenn aus dem Druckverlauf zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils ermittelt wird, ob ein irregulärer Betriebszustand des Brennstoffzellensystems vorliegt.
Ein solcher irregulärer Betriebszustand kann beispielsweise vorliegen, wenn der Bereich des ersten Ventils mit angesammeltem Wasser geflutet ist, so dass aus diesem Bereich kein Gasaustrag erfolgen kann, oder wenn das erste Ventil durch Eisbildung oder durch Verschmutzung verstopft ist. In einem solchen Fall kann mittels des ersten Ventils kein „Purge“-Vorgang durchgeführt werden.
In einem solchen Fall kann vorgesehen sein, dass das zweite Ventil statt des ersten Ventils geöffnet wird, wenn ermittelt worden ist, dass ein irregulärer Betriebszustand des Brennstoffzellensystems vorliegt. In diesem Fall kann dann insbesondere ein „Purge“-Vorgang, der sonst mittels des ersten Ventils durchgeführt wird, ersatzweise mittels des zweiten Ventils durchgeführt werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Vorliegen eines irregulären Betriebszustands des Brennstoffzellensystems ermittelt wird, wenn ein nach dem Öffnen des ersten Ventils ermittelter maximaler Druckabfall kleiner ist als oder gleich groß ist wie ein vorgegebener Druckabfall-Schwellenwert. Ein solcher verkleinerter Druckabfall kann ein Hinweis dafür sein, dass das erste Ventil mit Wasser überflutet ist oder durch Eisbildung oder durch Verunreinigungen verstopft ist.
Der aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelte Referenzwert kann ein Druckwert sein, welcher niedriger liegt als der minimale Druckwert während der Öffnungsphase des ersten Ventils. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der Gas-Durchströmungswiderstand des zweiten Ventils geringer ist als der Gas-Durchströmungswiderstand des ersten Ventils.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der aus dem Druckverlauf während der Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelte Referenzwert ein Druckwert ist, welcher höher liegt als der minimale Druckwert während der Öffnungsphase des ersten Ventils. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der Gas-Durchströmungswiderstand des ersten Ventils geringer ist als der Gas-Durchströmungswiderstand des zweiten Ventils.
Eine Anpassung an einen veränderten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems ist insbesondere dann möglich, wenn aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelt wird, ob eine Anpassung des (aus dem Druckverlauf während einer früheren Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelten) Referenzwerts erforderlich ist.
Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der maximale Druckabfall während der Öffnungsphase des ersten Ventils größer ist oder kleiner ist als bei der früheren Öffnungsphase, bei welcher der Referenzwert ermittelt worden ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest zeitweise durch Öffnen des ersten Ventils Wasser aus dem Kanalsystem austragbar ist. In diesem Fall kann ein „Drain“-Vorgang ersatzweise mittels des ersten Ventils durchgeführt werden, wenn das normalerweise hierfür verwendete zweite Ventil aufgrund von Eisbildung oder durch Verschmutzung verstopft ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, welches Folgendes umfasst:

mindestens einen Brennstoffzellenstapel,
mindestens ein Kanalsystem zum Zuführen eines fluiden Mediums zu dem Brennstoffzellenstapel und/oder zum Abführen eines fluiden Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel und
mindestens ein erstes Ventil, ein zweites Ventil und einen Drucksensor, die in Fluidverbindung mit dem Kanalsystem stehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei welchem eine Ansteuerung des ersten Ventils und des zweiten Ventils in zuverlässiger Weise durchführbar ist und in einfacher Weise an geänderte Betriebszustände des Brennstoffzellensystems anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 15 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Brennstoffzellensystem eine Steuerungsvorrichtung umfasst, mittels welcher das Brennstoffzellensystem so steuerbar ist, dass

- das erste Ventil geöffnet wird;
- das erste Ventil geschlossen wird;
- ein Druckverlauf zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils mittels des Drucksensors ermittelt wird;
- ein Referenzwert für die Steuerung des zweiten Ventils aus dem Druckverlauf zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils ermittelt wird; und
- das Öffnen und/oder das Schließen des zweiten Ventils in Abhängigkeit von dem Referenzwert gesteuert wird.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eignet sich insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems.
Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems offenbart worden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellen.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems kann die Notwendigkeit zur Abfuhr von Wasser aus dem anodenseitigen Gassystem, nämlich durch einen „Drain“-Vorgang, bei dem eines der Ventile für eine zu bestimmende Zeit und/oder mit einer zu bestimmenden Häufigkeit geöffnet wird, erkannt und zielgerecht herbeigeführt werden.
Außerdem ist es möglich, die Notwendigkeit zur Abfuhr von Wasser aus dem Gassystem von der Notwendigkeit zur Abfuhr eines Gasgemisches aus dem Gassystem, nämlich durch einen „Purge“-Vorgang, bei dem eines der Ventile für eine zu bestimmende Zeit und/oder mit einer zu bestimmenden Häufigkeit geöffnet wird, zu unterscheiden.
Vorzugsweise wird eines der Ventile für die Durchführung eines „Drain“-Vorgangs und das jeweils andere Ventil für die Durchführung eines „Purge“-Vorgangs benutzt, wobei vorzugsweise mindestens eines der Ventile beide Funktionen übernehmen kann, wenn das jeweils andere Ventil blockiert oder verstopft ist.
Das Brennstoffzellensystem kann außer dem ersten Ventil, dem zweiten Ventil und einem Drucksensor optional auch eine Rezirkulationseinheit zur Rückführung von aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragenem Gas und/oder eine Druckregeleinheit umfassen.
Das erste Ventil, das zweite Ventil, der Drucksensor und optional die Rezirkulationseinheit und/oder die Druckregeleinheit können jeweils einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zugeordnet sein oder, wenn das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellenstapel umfasst, in einem mehreren Brennstoffzellenstapeln zugeordneten Gassystem angeordnet sein.
Ein „Drain“-Vorgang kann jeweils für einen einzelnen Brennstoffzellenstapel oder für mehrere Brennstoffzellenstapel gleichzeitig durchgeführt werden.
Ein „Purge“-Vorgang kann jeweils für einen einzelnen Brennstoffzellenstapel oder für mehrere Brennstoffzellenstapel gleichzeitig durchgeführt werden.
Das erste Ventil wird vorrangig für einen „Purge“-Vorgang, das heißt für die Abfuhr eines Gasgemisches aus dem Brennstoffzellensystem, benutzt, solange ein Eingang des ersten Ventils nicht ganz mit Wasser geflutet ist.
Das zweite Ventil wird vorrangig für die Durchführung eines „Drain“-Vorgangs, das heißt für das Austragen von Wasser aus dem Brennstoffzellensystem, benutzt, wenn sich in einem diesem zweiten Ventil zugeordneten Wassersammelbereich Wasser angesammelt hat.
Zur Regelung und/oder Steuerung der „Purge“-Vorgänge wird vorzugsweise ein mathematisches Modell zugrundegelegt, das den Anfall von Wasser und Fremdgas im Brennstoffzellensystem beschreibt, wobei auf dieser Information basierend „Purge“-Vorgänge und „Drain“-Vorgänge von einer Steuerungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems ausgelöst werden.
Grundsätzlich können das erste Ventil und das zweite Ventil auf der Basis der Beobachtung und/oder Auswertung eines Spannungssignales von einzelnen Brennstoffzellen oder von mehreren Brennstoffzellen oder des gesamten Brennstoffzellenstapels betätigt werden. Eine solche Steuerung ist relativ träge, da ein signifikantes Absinken der Zellspannung einer Brennstoffzelle in Folge der Ansammlung flüssigen Wassers im anodenseitigen Gassystem erst in einem Betriebszustand erfolgt, in dem bereits eine Schädigung der Brennstoffzellen und eine beschleunigte Alterung derselben verursacht worden sind.
Alternativ hierzu kann der Bedarf für eine Abfuhr von flüssigem Wasser durch einen „Drain“-Vorgang auch mittels eines Füllstandanzeigers erkannt werden oder mittels eines Sensors, der das in einer Wasseraustragsleitung strömende Fluid zumindest im Hinblick auf eine Unterscheidung von flüssigem Wasser oder einer wasserreichen Phase einerseits und Gas andererseits charakterisiert. Ein solcher Sensor müsste jedoch zu diesem Zweck zusätzlich vorgesehen und in das Brennstoffzellensystem integriert werden, was zusätzliche Kosten und Komplexität verursachen würde.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert hingegen auf einer Druckmessung im Kanalsystem des Brennstoffzellensystems, welche ohnehin durchgeführt werden muss.
Zur erhöhten Sicherheit kann jedoch ein Füllstandsanzeiger oder ein anderer Sensor zur Ermittlung des Füllstands im Wasserabscheider zusätzlich vorgesehen sein, dessen Signal mit dem Ergebnis der Druckmessung abgeglichen werden kann. Im Falle von Abweichungen kann dann die Funktion des Füllstandssensors und/oder die Funktion des Drucksensors überprüft werden.
Da flüssiges Wasser oder eine wasserreiche Phase eine höhere Viskosität haben als eine Gasphase, strömt bei einer Abfuhr von flüssigem Wasser oder von einer wasserreichen Phase deutlich weniger Medium pro Zeiteinheit durch das betreffende Ventil als bei der Abfuhr eines Gases.
Deshalb wird nach dem Öffnen eines Ventils bei Abfuhr eines Gases ein größerer Druckabfall im Brennstoffzellensystem detektiert als bei der Abfuhr flüssigen Wassers oder einer wasserreichen Phase. Der Druckabfall wird im letzteren Fall erst dann größer, wenn der Anteil der flüssigen Phase geringer wird und dadurch die Viskosität des Fluids, welche durch das Ventil strömt, sinkt.
Sowohl bei der Abfuhr eines Gases als auch bei der Abfuhr flüssigen Wassers oder einer wasserreichen Phase wird der Druckabfall nach einer Reaktionszeit durch ein Druckregelungssystem des Brennstoffzellensystems ausgeglichen. Dieses Druckregelungssystem kann einen Druckregler und/oder einen Durchflussregler umfassen.
Aus der Analyse des Verlaufs des Drucksignals des Drucksensors während der Öffnungsphase eines Ventils können daher Rückschlüsse darauf gezogen werden, ob flüssiges Wasser oder ein gasförmiges Fluid durch das Ventil ausgetragen wird.
Der Verlauf des Drucksignals des Drucksensors kann sowohl mit einem vorgegebenen Referenzwert abgeglichen werden als auch mit dem Verlauf des Drucksignals bei früheren Betätigungen desselben Ventils verglichen werden. Wenn der Referenzwert für das Druckniveau erreicht wird, so kann hierdurch sichergestellt werden, dass Gas durch das Ventil strömt, und durch einen geeigneten Kontrollalgorithmus kann dann gewährleistet werden, dass ausreichend Fremdgas abgeführt wird, um die Wasserstoffkonzentration im Anodengas auf einem gewünschten Niveau zu halten.
Mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Steuerungs- und/oder Regelungssystem für ein Brennstoffzellensystem können die „Purge“-Vorgänge und/oder die „Drain“-Vorgänge so kontrolliert werden, dass das anfallende flüssige Wasser einerseits sowie Inertgas und Wasserdampf andererseits zuverlässig aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragen werden.
Durch ausreichend häufige „Purge“-Vorgänge wird die Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite erhöht, was eine bessere Leistung der Brennstoffzellen zur Folge hat. Andererseits wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine zu häufige Gasabfuhr, welche zu Wasserstoffverlusten und damit zu einer Wirkungsgradabsenkung führen würde, vermieden.
Auch eine zu häufige Durchführung von „Drain“-Vorgängen wird vermieden, da durch das erfindungsgemäße Verfahren festgestellt werden kann, ob bei einem „Drain“-Vorgang tatsächlich flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird oder bereits ein gasförmiges Fluid.
Da Referenzwerte für die Steuerung der Ventile des Brennstoffzellensystems während des laufenden Betriebs des Brennstoffzellensystems ermittelt und gegebenenfalls angepasst werden können, ist es nicht erforderlich, für alle denkbaren Betriebszustände des Brennstoffzellensystems bereits vorab geeignete Referenzwerte vorzugeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems werden mindestens zwei Ventile eingesetzt, und der Druckverlauf beim Öffnen von einem der beiden Ventile wird mit dem Druckverlauf beim Öffnen des anderen Ventils verglichen.
Vorzugsweise ist dabei das erste Ventil in einem Bereich des Brennstoffzellensystems angeordnet, in dem sich bei ordnungsgemäßem Betrieb des Brennstoffzellensystems kein flüssiges Wasser ansammelt, und das zweite Ventil in einem Bereich des Brennstoffzellensystems angeordnet, in dem sich bei ordnungsgemäßem Betrieb des Brennstoffzellensystems flüssiges Wasser ansammelt.
Das Signal des Drucksensors, der im Gassystem, vorzugsweise im anodenseitigen Gassystem, angeordnet ist, wird ausgewertet, um den Druckverlauf nach Betätigung des ersten Ventils und den Druckverlauf nach Betätigung des zweiten Ventils miteinander zu vergleichen.
Vorzugsweise werden das erste Ventil und das zweite Ventil nicht gleichzeitig geöffnet.
Wenn die Ventile weitgehend identisch aufgebaut und in einem weitgehend geometriesymmetrischen System angeordnet sind, so dass die Gaswege durch die Ventile weitgehend identisch sind, so haben eine Betätigung des ersten Ventils und eine Betätigung des zweiten Ventils den annähernd gleichen Druckabfall im Gassystem zur Folge, da durch beide Ventile dieselben Volumenströme auftreten. Als üblicher Kennwert für die Durchströmbarkeit der Ventile kann dabei deren Kv-Wert (sogenannter Durchflussfaktor oder Durchflusskoeffizient) herangezogen werden.
Die Übereinstimmung der Druckabfälle gilt dabei unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, solange die Anordnung der Ventile miteinander vergleichbar ist.
Die Druckverläufe, die durch in geringem Zeitabstand voneinander erfolgende Öffnungsphasen der beiden Ventile erzeugt werden, können daher sinnvoll miteinander verglichen werden. Dabei sollte der zeitliche Abstand der Öffnungsphasen so gewählt sein, dass das Gasgemisch sich in der Zwischenzeit nur unwesentlich ändert und möglichst auch der Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems ähnlich bleibt.
Wenn der Druckverlauf während der Öffnungsphasen der beiden Ventile sich deutlich unterscheidet, kann dann daraus geschlossen werden, dass die Zusammensetzung des jeweils durch das Ventil strömenden Fluids deutlich verschieden ist; insbesondere kann aus einem geringeren Druckabfall darauf geschlossen werden, dass ein Fluid mit einer höheren Viskosität durch das betreffende Ventil strömt.
Dies gilt unabhängig davon, ob der Brennstoffzellenstapel gerade sehr kalt ist oder sich an seinem Temperaturmaximum befindet, ob der Verbrauch des Reaktionsgases sehr hoch oder sehr niedrig ist, ob der Druck im Brennstoffzellenstapel hoch oder niedrig ist oder ob der Umgebungsdruck (das heißt das Druckniveau, in das der Abgasstrom bei einem „Purge“-Vorgang abgeleitet wird) hoch oder niedrig (zum Beispiel in einer sehr großen Betriebshöhe des Brennstoffzellensystems) ist.
Wenn hingegen die Ventile in sehr unterschiedlichen Bereichen des Brennstoffzellensystems angeordnet sind und die Gaszusammensetzung und somit auch die Zusammensetzung der durch die Ventile strömenden Fluide deutlich unterschiedlich ist, so kann aus den unterschiedlichen Druckverläufen während der Öffnungsphase der Ventile Information über die lokale Gaszusammensetzung erhalten werden.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Einlass des einen Ventils im Einlassbereich von Gas in den Brennstoffzellenstapel und der Einlass des anderen Ventils im Auslassbereich von Gas aus dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist und die Gaszusammensetzung Transienten unterliegt. Dies kommt insbesondere bei einem Startvorgang des Brennstoffzellensystems vor, wenn nach langem Stillstand in das nunmehr mit einem Luftgemisch gefüllte anodenseitige Gassystem des Brennstoffzellenstapels Wasserstoff eindosiert wird. Durch das im Einlassbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnete Ventil wird dann ein wasserstoffreiches Fluid abgeführt, während durch das im Auslassbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnete Ventil ein wasserstoffarmes Fluid abgeführt wird.
Zeitliche Abstände zwischen den Öffnungsphasen der Ventile, die länger sind als die Transienten zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems, könnten die direkte Vergleichbarkeit der Druckverläufe beeinträchtigen; dieser Effekt kann aber durch eine auf dem Vergleich der Sensorsignale in der Steuerungsvorrichtung basierende Kalibrierung ausgeglichen werden.
Das erste Ventil und das zweite Ventil können sich aber auch hinsichtlich ihrer Einbausituation und/oder Durchströmungscharakteristik unterscheiden. So können die Ventile beispielsweise unterschiedliche Nennweiten aufweisen. Die Strömungsverhältnisse, beispielsweise im Zustrombereich und in der unmittelbaren Zuleitung, im Ableitungsbereich und in der unmittelbaren Ableitung, können unterschiedlich sein. Auch eine unterschiedliche Anordnung der Ventile relativ zu anderen Elementen des Brennstoffzellenstapels und relativ zu dem Drucksensor kann unterschiedliche Charakteristika der Druckverläufe während einer Öffnungsphase des betreffenden Ventils zur Folge haben.
So wird eine Betätigung eines Ventils, das unmittelbar hinter der Dosiereinrichtung des Brennstoffzellensystems und stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, während einer Öffnungsphase einen stärkeren Druckabfall bewirken als die Betätigung eines identischen Ventils mit geometrisch ähnlicher Einbausituation, das aber stromabwärts von dem Brennstoffzellenstapel, also im Auslassbereich desselben, angeordnet ist.
Diese Unterschiede oder Einflüsse von relevanten Parametern können durch eine Kalibrierung der Ventilanordnung mittels der Steuerungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems vorab abgeglichen werden, so dass aus dem einem „Purge“-Vorgang zugeordneten Drucksignal in sinnvoller Weise ein Referenzwert für das einem „Drain“-Vorgang zugeordnete Drucksignal ermittelbar ist.
Solange keine anderen Vorteile überwiegen, die sich aus der Anordnung der Ventile in verschiedenen Bereichen des Brennstoffzellensystems ergeben, kann eine weitgehend geometriesymmetrische Anordnung der Ventile im Auslassbereich eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen sein.
Durch die Verwendung eines ersten Ventils, eines zweiten Ventils und eines Drucksensors ergeben sich Möglichkeiten zur Charakterisierung des Brennstoffzellensystems, welche in Bezug auf die Anpassung an geänderte Betriebszustände des Brennstoffzellensystems (kalt/warm, verschiedene Gasgemische in verschiedenen Betriebsphasen, anderweitig verschiedene Betriebszustände), die sonst nur mit großen Unsicherheiten abgefangen werden könnten, von Vorteil sind. Ferner können Wasserstoffverluste durch die Anpassung der „Purge“- und „Drain“-Vorgänge an unterschiedliche Betriebsbedingungen minimiert werden.
Ferner ergibt sich durch die Verwendung von mindestens zwei Ventilen und durch die Charakterisierung des Druckverlaufs mittels des Drucksensors der Vorteil, dass erkannt werden kann, wenn das erste Ventil oder das zweite Ventil ganz oder in erheblichem Umfang blockiert ist. Dies könnte beispielsweise bei einem Froststart der Fall sein, wenn sich gefrorenes Wasser im Fluiddurchgang eines Ventils befindet. Eine solche Blockade eines Ventils kann anhand des Druckverlaufs während einer Öffnungsphase des Ventils erkannt werden, und wenn ein solcher irregulärer Betriebszustand eines Ventils erkannt worden ist, kann auf das jeweils andere Ventil gewechselt werden.
So kann beispielsweise bei einem irregulären Betriebszustand des ersten Ventils ein „Purge“-Vorgang mittels des zweiten Ventils durchgeführt werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass bei einem irregulären Betriebszustand des zweiten Ventils ein „Drain“-Vorgang mittels des ersten Ventils durchgeführt wird.
Ferner ermöglicht die Verwendung von mindestens zwei Ventilen in Kombination mit einer vergleichenden Auswertung der Drucksignale während der Öffnungsphasen der Ventile eine zuverlässigere Detektion von Fehlfunktionen.
Außerdem wird durch die Bereitstellung von Redundanz beim Ausfall eines der mindestens zwei Ventile die Möglichkeit geschaffen, mittels des verbleibenden Ventils zumindest Basisfunktionen auszuführen, die einen weiteren Betrieb des Brennstoffzellensystems, wenn auch möglicherweise mit Einschränkungen, erlauben. Es ist daher von Vorteil, wenn das erste Ventil und das zweite Ventil so angeordnet sind, dass eine zuverlässige Abfuhr von sich ansammelndem Wasser auch dann gewährleistet ist, wenn nur eines der Ventile funktionsfähig ist.
Nach Detektion einer Fehlfunktion eines der Ventile, welche von einer entsprechend ausgeführten Systemssteuerungs-Software in der Steuerungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems erkannt wird, kann die Steuerung der Ventile auf einen entsprechenden Notfallmodus umgestellt werden.
Das erste Ventil ist vorzugsweise für die Durchführung von „Purge“-Vorgängen vorgesehen. Dieses erste Ventil ist vorzugsweise so angeordnet, dass sein Einlass in Fluidverbindung mit einem mit Gas gefüllten Bereich des Brennstoffzellensystems steht.
Das zweite Ventil ist vorzugsweise für die Durchführung von „Drain“-Vorgängen vorgesehen. Dieses zweite Ventil ist vorzugsweise so angeordnet, dass sein Einlass in Fluidverbindung mit einem Wassersammelbereich des Brennstoffzellensystems steht, in welchem sich während des Betriebs des Brennstoffzellensystems flüssiges Wasser ansammelt.
Die Funktionen des ersten Ventils und des zweiten Ventils können aber auch, insbesondere bei im Wesentlichen geometriesymmetrischer Anordnung der Ventile, miteinander vertauscht werden. Eine solche Vertauschung der Funktionen der Ventile kann durch die Steuerungssoftware des Brennstoffzellensystems bewirkt werden.
Vorzugsweise werden das erste Ventil und das zweite Ventil nicht gleichzeitig betätigt, damit der mittels des Drucksensors ermittelte Druckverlauf eindeutig einer Öffnungsphase eines der beiden Ventile zugeordnet werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems wird der Verlauf eines Drucksignals, das mittels eines Drucksensors während der Öffnungsphasen der Ventile ermittelt wird, ausgewertet und zur Bestimmung des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems benutzt. Auf der Analyse der Drucksignale während der Öffnungsphasen der Ventile beruht ein Steuerungs- oder Regelungskonzept für die Abfuhr von Wasser durch „Drain“-Vorgänge und für die Abfuhr von Inertgas durch „Purge“-Vorgänge aus dem Gassystem des Brennstoffzellenstapels, insbesondere aus dem anodenseitigen Gassystem.
Durch die Analyse der Druckverläufe während der Öffnungsphasen der Ventile kann die Steuerungs- oder Regelstrategie verbessert werden, die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems erhöht und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems verlängert werden.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines Brennstoffzellensystems, welches einen Brennstoffzellenstapel und ein Kanalsystem zum Zuführen eines fluiden Mediums zu dem Brennstoffzellenstapel und/oder zum Abführen eines fluiden Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel, einen ersten Wassersammelbereich, in dem sich Wasser in einem ersten Bereich von Betriebslagen des Brennstoffzellensystems sammelt, einen ersten Wasseraustraganschluss, durch welchen Wasser aus dem ersten Wassersammelbereich austragbar ist, einen zweiten Wassersammelbereich, in dem sich Wasser in einem zweiten Bereich von Betriebslagen des Brennstoffzellensystems sammelt, und einen zweiten Wasseraustraganschluss, durch welchen Wasser aus dem zweiten Wassersammelbereich austragbar ist, umfasst;
2 einen senkrecht zu einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels aus 1 genommenen Querschnitt durch einen Mediumkanal des Kanalsystems des Brennstoffzellensystems, wobei der Mediumkanal einen strömungsberuhigten Bereich aufweist, welcher als ein Wasserausgleichskanal dient, der den ersten Wassersammelbereich und den zweiten Wassersammelbereich miteinander verbindet;
3 eine der 1 entsprechende schematische ausschnittsweise Darstellung des Brennstoffzellensystems aus den 1 und 2 in einer alternativen Betriebslage des Brennstoffzellensystems, in welcher der erste Wassersammelbereich tiefer liegt als der zweite Wassersammelbereich;
4 ein Schaubild, welches den von einem Drucksensor des Brennstoffzellensystems in dem Kanalsystem ermittelten Druckverlauf in Abhängigkeit von der Zeit t zeigt, wobei zugleich Öffnungsphasen eines ersten Ventils, durch welches Wasser aus dem ersten Wassersammelbereich austragbar ist, und eines zweiten Ventils, durch welches Wasser aus dem zweiten Wassersammelbereich austragbar ist, dargestellt sind und wobei ein Referenzwert p_r für den Druck p eingezeichnet ist, welcher aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelt wird, und das zweite Ventil vor Erreichen einer vorgegebenen Öffnungszeit T geschlossen wird, wenn der nach dem Öffnen des zweiten Ventils ermittelte Druck den Referenzwert erreicht;
5 ein der 4 entsprechendes Schaubild, welches den mittels des Drucksensors ermittelten Druckverlauf in Abhängigkeit von der Zeit t zeigt, wobei gleichzeitig die Öffnungsphasen des ersten Ventils und des zweiten Ventils dargestellt sind und wobei der Druck-Referenzwert nach einer Änderung der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels angepasst wird;
6 ein den 4 und 5 entsprechendes Schaubild, welches den mittels des Drucksensors ermittelten Druckverlauf in Abhängigkeit von der Zeit t zeigt, wobei gleichzeitig die Öffnungsphasen des ersten Ventils und des zweiten Ventils dargestellt sind und durch eine Veränderung der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems eine Veränderung des Druckniveaus bei geschlossenen Ventilen bewirkt wird, wobei der Druck-Referenzwert nach einer Änderung dieses Druckniveaus bei geschlossenen Ventilen angepasst wird;
7 eine den 4 bis 6 entsprechende Darstellung des mittels des Drucksensors ermittelten Druckverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelt wird, dass ein irregulärer Betriebszustand des ersten Ventils vorliegt, worauf dann das zweite Ventil anstelle des ersten Ventils geöffnet wird, so dass das zweite Ventil die Funktion des ersten Ventils übernimmt;
8 eine den 4 bis 7 entsprechende Darstellung des mittels des Drucksensors ermittelten Druckverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei der aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelte Referenzwert p_r für den Druck höher liegt als bei dem in 4 dargestellten Steuerungsverfahren;
9 eine den 4 bis 8 entsprechende Darstellung des mittels des Drucksensors ermittelten Druckverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit t, wobei der aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils ermittelte Referenzwert p_r für den Druck tiefer liegt als der Referenzwert, welcher bei dem Steuerungsverfahren nach 4 ermittelt wird, und tiefer liegt als der minimale Druck während der Öffnungsphase des ersten Ventils;
10 einen der 2 entsprechenden schematischen Querschnitt durch einen Mediumkanal des Kanalsystems einer zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems, bei welcher der Mediumkanal zwei strömungsberuhigte Bereiche aufweist, die jeweils als ein Wasserausgleichskanal dienen, der den ersten Wassersammelbereich und den zweiten Wassersammelbereich miteinander verbindet; und
11 einen den 2 und 10 entsprechenden schematischen Querschnitt durch einen Mediumkanal des Kanalsystems einer dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems und einen Wasserausgleichskanal, welcher den ersten Wassersammelbereich und den zweiten Wassersammelbereich miteinander verbindet und als eine separat von dem Mediumkanal ausgebildete Wasserausgleichsleitung ausgebildet ist.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein in den 1 bis 3 dargestelltes, als Ganzes mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 102, welcher eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 104 umfasst, die längs einer Stapelrichtung 106 aufeinanderfolgen.
In der in 1 dargestellten Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100, welche einer Standardlage des Brennstoffzellensystems 100 entspricht, ist die Stapelrichtung 106 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein Kanalsystem 108 zum Zuführen eines fluiden Mediums zu dem Brennstoffzellenstapel 102 und/oder zum Abführen eines fluiden Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel 102.
Bei dem fluiden Medium kann es sich um ein Anodengas oder ein Kathodengas des Brennstoffzellensystems 100 handeln.
In 1 ist ein Mediumkanal 110 des Kanalsystems 108 dargestellt, durch welchen beispielsweise ein Anodengas des Brennstoffzellensystems 100 geführt wird.
Der Mediumkanal 110 erstreckt sich im Wesentlichen längs der Stapelrichtung 106.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 sammelt sich in dem Mediumkanal 110 Wasser an.
Zum Sammeln dieses in dem Mediumkanal 110 anfallenden Wassers umfasst das Brennstoffzellensystem 100 mindestens einen ersten Wassersammelbereich 112, in dem sich Wasser in einem ersten Bereich von Betriebslagen des Brennstoffzellensystems 100 sammelt (siehe 3, in welcher das Brennstoffzellensystem 100 gegenüber der in 1 dargestellten Standard-Betriebslage geneigt ist), und einen zweiten Wassersammelbereich 114, in dem sich Wasser in einem zweiten Bereich von Betriebslagen des Brennstoffzellensystems 100 sammelt (siehe die in 1 dargestellte Standard-Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100).
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner einen ersten Wasseraustraganschluss 116, durch welchen Wasser aus dem ersten Wassersammelbereich 112 austragbar ist, und einen zweiten Wasseraustraganschluss 118, durch welchen Wasser aus dem zweiten Wassersammelbereich 114 austragbar ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der erste Wasseraustraganschluss 116 näher an einer Anodenrandplatte 120 als an einer Kathodenrandplatte 122 des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet ist und dass der zweite Wasseraustraganschluss 118 näher an der Kathodenrandplatte 122 als an der Anodenrandplatte 120 des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet ist.
Grundsätzlich könnten aber die Anordnung des ersten Wasseraustraganschlusses 116 und die Anordnung des zweiten Wasseraustraganschlusses 118 auch miteinander vertauscht sein, so dass dann der erste Wasseraustraganschluss 116 näher an der Kathodenrandplatte 122 des Brennstoffzellenstapels 102 als an der Anodenrandplatte 120 des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet wäre und der zweite Wasseraustraganschluss 118 näher an der Anodenrandplatte 120 des Brennstoffzellenstapels 102 als an der Kathodenrandplatte 122 des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet wäre.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein erstes Ventil 124, mittels welchem der erste Wasseraustraganschluss 116 geöffnet oder geschlossen werden kann, und ein zweites Ventil 126, mittels welchem der zweite Wasseraustraganschluss 118 geöffnet oder geschlossen werden kann.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Steuerungsvorrichtung 128, welche über eine oder mehrere Steuerleitungen 130 mit dem ersten Ventil 124 und mit dem zweiten Ventil 126 verbunden ist, um das erste Ventil 124 und das zweite Ventil 126 ansteuern zu können.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Drucksensor 132, mittels welchem ein Verlauf eines Drucks p in dem Kanalsystem 108 ermittelbar ist. Auch der Drucksensor 132 ist über eine Steuerleitung 134 mit der Steuervorrichtung 128 verbunden.
Der erste Wassersammelbereich 112 und der zweite Wassersammelbereich 114 des Brennstoffzellensystems 100 sind durch mindestens einen Wasserausgleichskanal 136 miteinander verbunden, durch welchen Wasser - je nach der aktuellen Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100 - von dem jeweils höher liegenden Wassersammelbereich in den jeweils tiefer liegenden Wassersammelbereich strömen kann.
In der Standard-Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100, welche in 1 dargestellt ist, liegt der erste Wassersammelbereich 112 höher als der zweite Wassersammelbereich 114, so dass in dieser Betriebslage Wasser aus dem ersten Wassersammelbereich 112 durch den Wasserausgleichskanal 136 in den zweiten Wassersammelbereich 114 strömen würde.
In der in 3 dargestellten alternativen Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100 liegt der zweite Wassersammelbereich 114 höher als der erste Wassersammelbereich 112, so dass in dieser Betriebslage Wasser aus dem zweiten Wassersammelbereich 114 durch den Wasserausgleichskanal 136 in den ersten Wassersammelbereich 112 strömen würde.
Wie aus dem Querschnitt durch den Mediumkanal 110 des Kanalsystems 108 des Brennstoffzellensystems 100 in 2 zu ersehen ist, kann der Wasserausgleichskanal 136 einen strömungsberuhigten Bereich 138 des Mediumkanals 110 umfassen.
Ein solcher strömungsberuhigte Bereich 138 kann beispielsweise als eine Ausbuchtung 140 ausgebildet sein, welche an einem in der Schwerkraftrichtung unten liegenden Bodenbereich 142 einer Begrenzung 144 des Mediumkanals 110 angeordnet ist.
Durch die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 100 mit den beiden Wassersammelbereichen 112 und 114 ist gewährleistet, dass in jeder Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100 jeweils mindestens einer der Wasseraustraganschlüsse 116 und 118 an einem Wassersammelbereich 112 oder 114 mündet, welcher nicht mit Wasser gefüllt ist, so dass durch den betreffenden Wasseraustraganschluss 116 oder 118 ein gasförmiges Medium aus dem Kanalsystem abgeführt werden kann. Diese Funktion wird benötigt, um einen sogenannten „Purge“-Vorgang oder Spülvorgang an dem Brennstoffzellensystem 100 durchzuführen.
Wenn sich in dem Kanalsystem 108 flüssiges Wasser befindet, so sammelt sich dieses Wasser stets in dem ersten Wassersammelbereich 112 oder in dem zweiten Wassersammelbereich 114, so dass es stets möglich ist, das Wasser durch Öffnen des ersten Ventils 124 an dem ersten Wasseraustraganschluss 116 oder durch Öffnen des zweiten Ventils 126 an dem zweiten Wasseraustraganschluss 118 aus dem Kanalsystem 108 auszutragen (sogenannter „Drain“-Vorgang oder Wasseraustragvorgang).
Um zu ermitteln, welches der Ventile 124, 126 zur Durchführung eines „Drain“-Vorgangs von der Steuerungsvorrichtung 128 geöffnet werden muss, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem 100 eine (nicht dargestellte) Einrichtung zur Ermittlung einer Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100 umfasst. Eine solche Einrichtung zur Ermittlung einer Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100 kann beispielsweise einen Neigungssensor umfassen.
In Abhängigkeit von der durch die Einrichtung zur Ermittlung einer Betriebslage des Brennstoffzellensystems 100 ermittelten Betriebslage öffnet dann die Steuerungsvorrichtung 128 zur Durchführung eines „Drain“-Vorgangs entweder das erste Ventil 124, durch welches der erste Wasseraustraganschluss 116 verschließbar ist, oder das zweite Ventil 126, durch welches der zweite Wasseraustraganschluss 118 verschließbar ist.
Zur Durchführung eines „Purge“-Vorgangs öffnet die Steuerungsvorrichtung 128 dann jeweils das andere der beiden Ventile 124, 126.
Ein Verfahren zum Steuern des Betriebs des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems 100 mittels der Steuerungsvorrichtung 128 ist schematisch in 4 dargestellt.
4 gibt einen mittels des Drucksensors 132 ermittelten Verlauf 146 des Drucks p im Kanalsystem 108 in Abhängigkeit von der Zeit t wieder.
Ferner ist in 4 der jeweilige Zustand des ersten Ventils 124 und des zweiten Ventils 126 in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben. Jedes der Ventile 124 und 126 kann mittels der Steuerungsvorrichtung 128 von einem geschlossenen Zustand („c“ in 4) in einen offenen Zustand („o“ in 4) geschaltet werden und bleibt für einen vorgegebenen Zeitraum T in dem offenen Zustand, in welchem ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch das betreffende Ventil 124 beziehungsweise 126 hindurchtreten kann, bis es von der Steuerungsvorrichtung 128 wieder geschlossen wird.
Wenn im Druckverlauf 146 ein bestimmtes Ereignis eintritt, beispielsweise das Erreichen eines Druck-Referenzwerts 148, schließt die Steuerungsvorrichtung 128 das sich zum betreffenden Zeitpunkt in der Öffnungsphase befindliche Ventil 124 beziehungsweise 126 vor Ablauf der vorgegebenen Öffnungsdauer T.
Die vorgegebene Öffnungsdauer T kann für beide Ventile 124 und 126 dieselbe sein oder für die beiden Ventile 124 und 126 unterschiedlich sein.
Die Öffnungsphasen des ersten Ventils 124 sind in 4 durch eine erste Schraffur gekennzeichnet, welche von links unten nach rechts oben verlaufende Linien aufweist.
Die Öffnungsphasen des zweiten Ventils 126 sind in 4 durch eine zweite Schraffur markiert, welche von links oben nach rechts unten verlaufende Linien aufweist.
Wie aus 4 zu ersehen ist, liegt der in dem Kanalsystem 108 herrschende Druck vor dem Öffnen des ersten Ventils 124 bei einem Mittelwert p₀, mit kleinen zufälligen Schwankungen.
Durch das Öffnen des ersten Ventils 124 in einer ersten Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 gelangt gasförmiges Medium aus dem ersten Wassersammelbereich 112, der zu diesem Zeitraum kein Wasser enthält, aus dem Kanalsystem 108 heraus, wodurch der mittels des Drucksensors 132 ermittelte Druck p deutlich abfällt, bis das erste Ventil 124 nach der vorgegebenen Öffnungszeit T wieder schließt. Daraufhin steigt der Druck p im Kanalsystems 108 wieder bis auf den Ausgangsdruck p₀ an.
Aus dem Druckverlauf 146 zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils 124, mit welchem ein „Purge“-Vorgang durchgeführt worden ist, wird ein Druck-Referenzwert p_r ermittelt, welcher von der Steuerungsvorrichtung 128 für die Steuerung des Schließens des zweiten Ventils 126 im Zuge eines „Drain“-Vorgangs herangezogen wird.
Der „Drain“-Vorgang, durch welchen in dem zweiten Wassersammelbereich 114 angesammeltes Wasser aus dem Kanalsystem 108 ausgetragen wird, beginnt mit einer Folge von Öffnungsphasen 152 des zweiten Ventils 126, während welcher der Druck-Referenzwert p_r nicht erreicht wird.
Jede dieser Öffnungsphasen 152 endet daher nach der vorgegebenen Öffnungszeit T.
Diese Öffnungsphasen folgen in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand Δ aufeinander.
Der Abfall des Drucks p im Kanalsystem 108 ist während der Öffnungsphasen 152 des zweiten Ventils 126 deutlich geringer als der Druckabfall während der Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124, weil das während der Öffnungsphasen 152 des zweiten Ventils 126 ausgetragene Wasser eine deutlich höhere Viskosität aufweist als das während der Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 ausgetragene gasförmige Medium.
Mit zunehmender Entleerung des zweiten Wassersammelbereichs 114 durch die aufeinanderfolgenden „Drain“-Phasen wird jedoch zusammen mit dem Wasser immer mehr gasförmiges Medium aus dem zweiten Wassersammelbereich 114 ausgetragen, so dass der Druckabfall während einer Öffnungsphase 152 immer weiter zunimmt.
Nach mehreren Öffnungsphasen 152, bei denen der Druck-Referenzwert p_r nicht erreicht wird, folgt dann eine Öffnungsphase 154 des zweiten Ventils 126, in deren Verlauf der Druck p den Druck-Referenzwert p_r erreicht, was ein Schließen des zweiten Ventils 126 durch die Steuerungsvorrichtung 128 auslöst, so dass die Öffnungsphase 154 vorzeitig, das heißt vor Ablauf der vorgegebenen Öffnungsdauer T, beendet wird.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das zweite Ventil 126 für die gesamte vorgegebene Öffnungsdauer T geöffnet bleibt und das Erreichen des Druck-Referenzwerts p_r lediglich bewirkt, dass keine weitere Öffnungsphase durchgeführt wird.
Der Druck-Referenzwert p_r wird aus dem Druckverlauf während der Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 so bestimmt, dass aus dem Erreichen dieses Druck-Referenzwerts p_r mit hoher Wahrscheinlichkeit geschlossen werden kann, dass sich im Wesentlichen kein auszutragendes Wasser mehr im zweiten Wassersammelbereich 114 befindet.
Der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird dann von der Steuerungsvorrichtung 128 mit einer weiteren Öffnungsphase 150' des ersten Ventils 124 fortgesetzt, durch welche ein „Purge“-Vorgang durchgeführt wird. Solange sich die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 100 nicht maßgeblich ändern, wird der in der vorausgegangenen Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 ermittelte Druck-Referenzwert p_r nicht neu aus dem Druckverlauf während der Öffnungsphase 150' des ersten Ventils 124 ermittelt, sondern unverändert beibehalten.
Auf die Öffnungsphase 150' des ersten Ventils 124 folgt dann wieder ein (nicht dargestellter) „Drain“-Vorgang, welcher mehrere vollständige Öffnungsphasen 152 des zweiten Ventils 126 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 des zweiten Ventils 126 umfasst.
5 zeigt die Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 in einem Fall, in welchem eine wesentliche Änderung der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 100 zwischen zwei „Purge“-Vorgängen, nämlich zu einem Zeitpunkt t_ch, eintritt.
Zunächst läuft das Steuerungsverfahren so ab, wie in 4 dargestellt und unter Bezugnahme auf 4 bereits vorstehend erläutert.
Während einer ersten Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 wird ein Druck-Referenzwert p_r ermittelt und anschließend für die Steuerung des zweiten Ventils 126 durch die Steuerungsvorrichtung 128 verwendet.
Ein „Drain“-Vorgang wird von der Steuerungsvorrichtung 128 durchgeführt, der in diesem Fall nur eine vollständige Öffnungsphase 152 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 umfasst, wobei die vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 beim Erreichen des Druck-Referenzwerts p_r beendet wird.
Anschließend wird von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Purge“-Vorgang durch Öffnen des ersten Ventils 124 während einer Öffnungsphase 150' durchgeführt, wobei während des „Purge“-Vorgangs der Druck p im Kanalsystems 108 unter den Druck-Referenzwert p_r abfällt, was anzeigt, dass keine Rekalibrierung des Druck-Referenzwerts p_r erforderlich ist.
Zu einem Zeitpung t_ch ändern sich die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 100 so, dass bei einer darauffolgenden Öffnungsphase 150" des ersten Ventils 124 der Druck p in dem Kanalsystem 108 nicht mehr bis auf den Druck-Referenzwert p_r abfällt.
Dies zeigt der Steuerungsvorrichtung 128 an, dass der Druckreferenzwert neu aus dem Druckverlauf während der Öffnungsphase 150" ermittelt werden muss.
Wie aus 5 zu ersehen ist, wird der neue Druck-Referenzwert p_r' so ermittelt, dass er höher liegt als der vorausgegangene Druck-Referenzwert p_r, jedoch immer noch niedriger als der Ausgangsdruck p₀.
In einer darauffolgenden Öffnungsphase 150 während eines weiteren „Purge“-Vorgangs erreicht der Druck p im Kanalsystem 108 den angepassten Druck-Referenzwert p_r', was der Steuerungsvorrichtung 128 anzeigt, dass keine weitere Änderung des Druck-Referenzwerts p_r' erforderlich ist.
Dasselbe gilt für die nächste Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 bei einem weiteren „Purge“-Vorgang.
Daraufhin führt die Steuerungsvorrichtung 128 mittels des zweiten Ventils 126 einen „Drain“-Vorgang durch, welcher mehrere vollständige Öffnungsphasen 152 des zweiten Ventils 126 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 umfasst, welche durch Erreichen des angepassten Druck-Referenzwerts p_r' beendet wird.
6 zeigt die Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 in einem Fall, in welchem durch eine Veränderung der Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems eine Veränderung des Druckniveaus p₀ bei geschlossenen Ventilen bewirkt wird, wobei der Druck-Referenzwert p_r nach Detektion einer Änderung des Druckniveaus p₀ bei geschlossenen Ventilen angepasst wird.
Zunächst läuft das Steuerungsverfahren gemäß 6 so ab, wie bereits in 4 dargestellt und unter Bezugnahme auf 4 vorstehend erläutert.
Während einer ersten Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 wird ein Druck-Referenzwert p_r ermittelt und anschließend für die Steuerung des zweiten Ventils 126 durch die Steuerungsvorrichtung 128 verwendet.
Ein „Drain“-Vorgang wird von der Steuerungsvorrichtung 128 durchgeführt, wobei in diesem Fall der „Drain“-Vorgang eine vollständige Öffnungsphase 152 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 umfasst. Dabei wird die vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 beim Erreichen des Druck-Referenzwerts p_r beendet.
Anschließend wird von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Purge“-Vorgang durch Öffnen des ersten Ventils 124 durchgeführt, wobei während des „Purge“-Vorgangs der Druck p im Kanalsystem 108 unter den Druck-Referenzwert p_r abfällt, was anzeigt, dass keine Rekalibrierung des Druck-Referenzwerts p_r erforderlich ist.
Nach diesem „Purge“-Vorgang ändern sich die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 100 derart, dass bei einer darauffolgenden Öffnungsphase 150" des ersten Ventils 124 der Anfangsdruck p₀' tiefer liegt als der ursprüngliche Ausgangsdruck p₀ bei geschlossenen Ventilen 124 und 126 und auch tiefer liegt als der bisherige Druck-Referenzwert p_r.
Dies zeigt der Steuerungsvorrichtung 128 an, dass der Druck-Referenzwert neu aus dem Druckverlauf während der Öffnungsphase 150" ermittelt werden muss.
Wie aus 6 zu ersehen ist, wird der neue Druck-Referenzwert p_r' so ermittelt, dass er tiefer liegt als der neue Druck-Ausgangswert p₀' und tiefer liegt als der vorausgegangene Druck-Referenzwert p_r.
Anschließend wird von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Drain“-Vorgang durchgeführt, wobei der „Drain“-Vorgang beispielsweise eine vollständige Öffnungsphase 152 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 umfasst. Dabei wird die vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 beim Erreichen des neuen Druck-Referenzwerts p_r' beendet.
Nach diesem „Drain“-Vorgang ändern sich die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 100 erneut, und zwar so, dass bei einer darauffolgenden Öffnungsphase 150''' des ersten Ventils 124 der Druck p in dem Kanalsystem 108 nicht abfällt, sondern während der Öffnungsphase 150''' weiter ansteigt.
Dies zeigt der Steuerungsvorrichtung 128 an, dass das Brennstoffzellensystem 100 sich aktuell in einer Änderungsphase befindet, in welcher sich die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 100 so verändern, dass der Ausgangs-Druckwert p₀ sich gegenüber der vorausgegangenen Gleichgewichts-Betriebsphase verändert, und zwar insbesondere ansteigt.
Nach dem Zeitpunkt t_ch' ist ein neuer stabiler Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 100 erreicht, in welchem der Druck-Ausgangswert p₀" bei geschlossenen Ventilen 124 und 126 wieder im Wesentlichen konstant ist.
Der neue Druck-Ausgangswert p₀" kann beispielsweise zwischen dem ersten Druck-Ausgangswert p₀ und dem zweiten Druck-Ausgangswert p₀' liegen.
Wird nun von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Purge“-Vorgang durch Öffnen des ersten Ventils 124 durchgeführt, so sinkt der Druck p in dem Kanalsystem 108 von dem neuen Druck-Ausgangswert p₀" aus ab, was der Steuerungsvorrichtung 128 anzeigt, dass der Druck-Referenzwert neu aus dem Druckverlauf während dieser Öffnungsphase 150" ermittelt werden muss.
Wie aus 6 zu ersehen ist, wird der neue Druck-Referenzwert p_r''aus dem Druckverlauf während der Öffnungsphase 150" so ermittelt, dass er höher liegt als der vorausgegangene Druck-Referenzwert p_r' und höher liegt als der vorausgegangene Druck-Ausgangswert p₀'.
Dieser neu angepasste Druck-Referenzwert p_r" wird anschließend für die Steuerung des zweiten Ventils 126 in einem „Drain“-Vorgang durch die Steuerungsvorrichtung 128 verwendet.
7 zeigt die Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 in einem Fall, in welchem aus dem Druckverlauf während einer Öffnungsphase des ersten Ventils 124 ermittelt wird, dass ein irregulärer Betriebszustand des ersten Ventils 124 vorliegt, worauf dann das zweite Ventil 126 anstelle des ersten Ventils 124 geöffnet wird, um unter Verwendung des zweiten Ventils 126 einen „Purge“-Vorgang durchzuführen.
Zunächst befindet sich das Brennstoffzellensystem 100 in einem regulären Betriebszustand, in welchem der erste Wassersammelbereich 112 mit gasförmigem Medium gefüllt ist, so dass ein „Purge“-Vorgang durch Öffnen des ersten Ventils 124 durchgeführt werden kann.
Während einer ersten Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 wird ein Druck-Referenzwert p_r ermittelt.
Bei einer darauffolgenden zweiten Öffnungsphase 150' des ersten Ventils 124 fällt der Druck p im Kanalsystem 108 unter den Druck-Referenzwert p_r ab, was der Steuerungsvorrichtung 128 anzeigt, dass keine Rekalibrierung des Druck-Referenzwerts p_r erforderlich ist.
Bei einer weiteren Öffnungsphase 150" des ersten Ventils 124 sinkt der Druck p im Kanalsystem 108 nicht oder zumindest nicht wesentlich ab, was der Steuerungsvorrichtung 128 anzeigt, dass mittels des ersten Ventils 124 kein „Purge“-Vorgang durchführbar ist, weil das erste Ventil 124 verstopft ist oder vereist ist oder der erste Wassersammelbereich 112 mit Wasser gefüllt ist, so dass kein gasförmiges Medium mittels des ersten Ventils 124 aus dem Kanalsystem 108 abführbar ist.
Die Steuerungsvorrichtung 128 passt daraufhin den Druck-Referenzwert p_r auf einen höheren Wert p_r' an.
Daraufhin führt die Steuerungsvorrichtung 128 zunächst einen „Drain“-Vorgang durch Öffnen des zweiten Ventils 126 durch.
Dieser „Drain“-Vorgang umfasst in diesem beispielhaft durchgeführten Fall drei vollständige Öffnungsphasen 152 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154. Dabei wird die vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 des zweiten Ventils 126 beim Erreichen des Druck-Referenzwerts p_r beendet.
Nach diesem ersten „Drain“-Vorgang wird von der Steuerungsvorrichtung 128 ein zweiter „Drain“-Vorgang unter Verwendung des zweiten Ventils 126 durchgeführt, welcher nur eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 umfasst, da sich nur eine geringe Wassermenge in dem zweiten Wassersammelbereich 114 befindet, so dass der Druck-Referenzwert p_r bereits nach kurzer Zeit erreicht und dadurch die Öffnungsphase 154 vorzeitig beendet wird.
Daraufhin initiiert die Steuerungsvorrichtung 128 nochmals einen „Purge“-Vorgang durch Öffnen des ersten Ventils 124. Während der Öffnungsphase 150" des ersten Ventils 124 sinkt aber erneut der Druck p im Kanalsystem 108 nicht oder im Wesentlichen nicht ab, was der Steuerungsvorrichtung 128 anzeigt, dass immer noch kein „Purge“-Vorgang mittels des ersten Ventils 124 durchführbar ist, beispielsweise weil das erste Ventil 124 immer noch verstopft ist, immer noch vereist ist oder der erste Wassersammelbereich 112 immer noch mit Wasser angefüllt ist.
Daraufhin führt die Steuerungsvorrichtung 128 einen „Purge“-Vorgang, welcher mittels des ersten Ventils 124 nicht durchführbar ist, unter Verwendung des zweiten Ventils 126 durch.
Hierbei wird das zweite Ventil 126 geöffnet, wobei die Öffnungsphase 156 des zweiten Ventils 126 in diesem Fall nicht abgebrochen wird, wenn der Druck-Referenzwert p_r erreicht wird, sondern die Öffnungsphase 156 des zweiten Ventils 126 fortgesetzt wird, bis die vollständige vorgegebene Öffnungsdauer T abgelaufen ist.
Hierbei wird eine vergleichsweise große Menge von gasförmigem Fluid durch das als „Purge“-Ventil arbeitende zweite Ventil 126 aus dem Kanalsystem 108 abgeführt.
Zu einem späteren Zeitpunkt wird erneut von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Purge“-Vorgang durch Öffnen des zweiten Ventils 126 anstelle des ersten Ventils 124 durchgeführt. Dabei bleibt das zweite Ventil 126 erneut über den Zeitpunkt, zu welchem der Druck p in dem Kanalsystem 108 bis auf den Druck-Referenzwert p_r abgefallen ist, hinaus geöffnet, bis die vorgegebene Öffnungsdauer T vollständig abgelaufen ist.
Zu einem späteren (nicht mehr dargestellten) Zeitpunkt kann die Steuerungsvorrichtung 128 nochmals versuchen, einen „Purge“-Vorgang mittels des ersten Ventils 124 durchzuführen, um zu ermitteln, ob sich das erste Ventil 124 wieder in einem regulären Betriebszustand befindet.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Steuerungsvorrichtung 128 zu einem (nicht dargestellten) späteren Zeitpunkt einen „Drain“-Vorgang mittels des ersten Ventils 124 durchführen, um Wasser aus dem ersten Wassersammelbereich 112 auszutragen, wobei die Steuerungsvorrichtung 128 hierfür das erste Ventil 124 während des „Drain“-Vorgangs so ansteuert, wie sie normalerweise das zweite Ventil 126 zur Durchführung eines „Drain“-Vorgangs ansteuern würde.
Bei den Verfahren zur Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100, welche in den 4 bis 7 dargestellt worden sind, ist davon ausgegangen worden, dass das Kanalsystem 108 mit den beiden Ventilen 124 und 126 im Wesentlichen strömungssymmetrisch aufgebaut ist, was bedeutet, dass die Gaswege durch das erste Ventil 124 und durch das zweite Ventil 126 unter sonst gleichen Bedingungen im Wesentlichen denselben Druckverlust bei gleich langen Öffnungsphasen erzeugen. Dies bedeutet nicht zwingend, dass die beiden Ventile 124 und 126 streng geometriesymmetrisch sind.
Bei einer Variante des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems 100 kann vorgesehen sein, dass das erste Ventil 124 und das zweite Ventil 126 des Brennstoffzellensystems 100 nicht strömungssymmetrisch aufgebaut sind, was bedeutet, dass die Gaswege durch das erste Ventil 124 und das zweite Ventil 126 so ausgebildet sind, dass gleich lange Öffnungsphasen des ersten Ventils 124 und des zweiten Ventils 126 bei Durchströmung mit einem Gas unterschiedliche Druckverluste zur Folge haben.
In 8 ist der Fall dargestellt, dass die Öffnung des zweiten Ventils 126 bei Durchströmung mit Gas einen kleineren Druckverlust zur Folge hat als eine Öffnung des ersten Ventils 124.
Dies kann beispielsweise dadurch verursacht sein, dass das zweite Ventil 126 einen kleineren durchströmbaren Querschnitt aufweist, um bei der Durchführung eines „Drain“-Vorgangs die auftretenden Durchflussströme und Druckschwankungen zu reduzieren.
Wie bei dem in 4 dargestellten Steuerungsverfahren liegt auch bei dem Steuerungsverfahren gemäß 8 der in dem Kanalsystem 108 herrschende Druck vor dem Öffnen des ersten Ventils 124 bei einem Mittelwert p₀, mit kleinen betriebsbedingten Schwankungen.
Durch das Öffnen des ersten Ventils 124 in einer ersten Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 gelangt gasförmiges Medium aus dem ersten Wassersammelbereich 112, der zu diesem Zeitraum kein Wasser enthält, aus dem Kanalsystem 108 heraus, wodurch der mittels des Drucksensors 132 ermittelte Druck p deutlich abfällt, bis das erste Ventil 124 nach der vorgegebenen Öffnungszeit T wieder schließt. Daraufhin steigt der Druck p im Kanalsystem 108 wieder bis auf den Ausgangsdruck p₀ an.
Aus dem Druckverlauf 146 zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils 124, mit welchem ein „Purge“-Vorgang durchgeführt worden ist, wird ein Druck-Referenzwert p_r ermittelt, welcher von der Steuerungsvorrichtung 128 für die Steuerung des Schließens des zweiten Ventils 126 im Zuge eines „Drain“-Vorgangs herangezogen wird.
Aufgrund der Unsymmetrie der Gaswege durch das erste Ventil 124 und durch das zweite Ventil 126 liegt bei diesem Steuerungsverfahren der von der Steuerungsvorrichtung 128 ermittelte Druck-Referenzwert p_r jedoch näher an dem Ausgangsdruck p₀ als bei dem in 4 dargestellten Steuerungsverfahren, welches vorzugsweise bei Ventilen 124 und 126 mit einem strömungssymmetrischen Aufbau angewendet wird.
Anschließend wird von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Drain“-Vorgang durchgeführt, der in dem in 8 beispielhaft dargestellten Fall drei vollständige Öffnungsphasen 152 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 umfasst, wobei die vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 beim Erreichen des Druck-Referenzwerts p_r beendet wird.
Anschließend wird von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Purge“-Vorgang durch Öffnen des ersten Ventils 124 durchgeführt, wobei während des „Purge“-Vorgangs der Druck p im Kanalsystem 108 unter den Druck-Referenzwert p_r abfällt, was anzeigt, dass keine Rekalibrierung des Druck-Referenzwerts p_r erforderlich ist.
Ein in 9 dargestelltes Steuerungsverfahren zur Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 unterscheidet sich von dem in 8 dargestellten Steuerungsverfahren dadurch, dass der aus dem Druckverlauf während der Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 bestimmte Druck-Referenzwert p_r weiter von dem Druck-Ausgangswert p₀ entfernt liegt als der maximale Druckverlust während der Öffnungsphase 150.
Dies ist sinnvoll, wenn der Gasweg durch das zweite Ventil 126 so ausgestaltet ist, dass eine Öffnung des zweiten Ventils 126 bei Durchströmung mit Gas und sonst gleichen Bedingungen einen größeren Druckabfall im Kanalsystem 108 zur Folge hat als eine Öffnung des ersten Ventils 124.
Dies kann beispielsweise dadurch verursacht sein, dass das zweite Ventil 126 eine größere Nennweite als das erste Ventil 124 aufweist, bei ansonsten vergleichbaren Leitungselementen.
Der aus dem Druckverlauf während der ersten Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 ermittelte Druck-Referenzwert p_r wird anschließend für die Steuerung des zweiten Ventils 126 durch die Steuerungsvorrichtung 128 verwendet.
Anschließend wird ein „Drain“-Vorgang von der Steuerungsvorrichtung 128 durchgeführt, der in dem in 9 beispielhaft dargestellten Fall drei vollständige Öffnungsphasen 152 und eine vorzeitig beendete Öffnungsphase 154 umfasst, wobei die Öffnungsphase 154 beim Erreichen des Druck-Referenzwerts p_r vorzeitig beendet wird.
Anschließend wird von der Steuerungsvorrichtung 128 ein „Purge“-Vorgang durch Öffnen des ersten Ventils 124 durchgeführt, wobei während des „Purge“-Vorgangs der Druck p im Kanalsystem 108 zwar nicht unter den Druck-Referenzwert p_r abfällt, aber doch im Wesentlichen den minimalen Druck während der ersten Öffnungsphase 150 des ersten Ventils 124 erreicht, was der Steuerungsvorrichtung 128 anzeigt, dass keine Rekalibrierung des Druck-Referenzwerts p_r erforderlich ist.
Bei dem Steuerungsverfahren aus 8 ist die Abweichung des Druck-Referenzwerts p_r von dem Druck-Ausgangswert p₀ somit um einen Übersetzungsfaktor, dessen Wert kleiner als 1 ist, kleiner als der Abstand des Druck-Referenzwerts p_r von dem Druck-Ausgangswert p₀ bei dem in 4 dargestellten Fall eines strömungssymmetrischen Aufbaus des Kanalsystems 108 und der beiden Ventile 124 und 126.
Bei dem in 9 dargestellten Steuerungsverfahren ist der Abstand des Druck-Referenzwerts p_r von dem Druckausgangswert p₀ hingegen um einen Übersetzungsfaktor, welcher größer ist als 1, größer als die Abweichung des Druck-Referenzwerts p_r von dem Druck-Ausgangswert p₀ in dem in 4 dargestellten Fall eines strömungssymmetrischen Aufbaus des Kanalsystems 108 und der beiden Ventile 124 und 126.
Der jeweilige Übersetzungsfaktor, der bei unsymmetrischem Aufbau des Kanalsystems 108 und/oder der beiden Ventile 124 und 126 von der Steuerungsvorrichtung 128 zu verwenden ist, kann durch eine Vorabkalibrierung ermittelt und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 überprüft und erforderlichenfalls angepasst werden.
Im Übrigen stimmen die in 8 und 9 dargestellten Steuerungsverfahren, die für einen unsymmetrischen Aufbau des Kanalsystems 108 und/oder der Ventile 124 und 126 vorgesehen sind, mit dem in 4 dargestellten Steuerungsverfahren überein, welches für einen strömungssymmetrischen Aufbau des Kanalsystems 108 und der beiden Ventile 124 und 126 vorgesehen ist.
Eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, von welchem in 10 lediglich ein Querschnitt durch den Mediumkanal 110 des Kanalsystems 108 dargestellt ist, welcher dem Querschnitt aus 2 für die erste Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 entspricht, unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 dadurch, dass nicht nur ein Wasserausgleichskanal 136, welcher den ersten Wassersammelbereich 112 und den zweiten Wassersammelbereich 114 miteinander verbindet und einen strömungsberuhigten Bereich 138 umfasst, vorgesehen ist, sondern zwei oder mehr Wasserausgleichskanäle 136, welche jeweils einen strömungsberuhigten Bereich 138 umfassen, der beispielsweise jeweils als eine Ausbuchtung 140 im Bodenbereich 142 einer Begrenzung 144 des Mediumkanals 110 ausgebildet ist.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Auch mit der in 10 dargestellten zweiten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 kann jedes der Steuerungsverfahren für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt werden, welches unter Bezugnahme auf die 4 bis 9 vorstehend erläutert worden ist.
Eine dritte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems, von der in 11 nur ein Querschnitt durch den Mediumkanal 110 des Kanalsystems 108 dargestellt ist, welcher dem Querschnitt aus 2 durch den Mediumkanal 110 der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 entspricht, unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100 dadurch, dass der Wasserausgleichskanal 136, durch welchen der erste Wassersammelbereich 112 und der zweite Wassersammelbereich 114 miteinander verbunden sind, alternativ zu oder zusätzlich zu einem strömungsberuhigten Bereich 138 des Mediumkanals 110 eine separat von dem Mediumkanal 110 ausgebildete Wasserausgleichsleitung 158 umfasst.
Die Wasserausgleichsleitung 158 erstreckt sich vorzugsweise von dem ersten Wassersammelbereich 112 bis zu dem zweiten Wassersammelbereich 114.
Im Übrigen stimmt die in 11 dargestellte dritte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Auch mit dieser dritten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 100 sind alle vorstehend erläuterten und in den 4 bis 9 dargestellten Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems 100 durchführbar.

Claims

Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) mindestens einen Brennstoffzellenstapel (102), mindestens ein Kanalsystem (108) zum Zuführen eines fluiden Mediums zu dem Brennstoffzellenstapel (102) und/oder zum Abführen eines fluiden Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel (102) und mindestens ein erstes Ventil (124), ein zweites Ventil (126) und einen Drucksensor (132), die in Fluidverbindung mit dem Kanalsystem (108) stehen, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst: - Öffnen des ersten Ventils (124); - Schließen des ersten Ventils (124); - Ermittlung eines Druckverlaufs (146) zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils (124) mittels des Drucksensors (132); - Ermittlung eines Referenzwerts für die Steuerung des zweiten Ventils (126) aus dem Druckverlauf (146) zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils (124); - Steuerung des Öffnens und/oder des Schließens des zweiten Ventils (126) in Abhängigkeit von dem Referenzwert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert ein Druckwert (p_r) ist, mit welchem ein zwischen dem Öffnen und dem Schließen des zweiten Ventils (126) ermittelter Druckverlauf (146) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (126) geschlossen wird, wenn der nach dem Öffnen des zweiten Ventils (126) ermittelte Druck den Referenzwert erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (126) spätestens nach Erreichen einer vorgegebenen maximalen Öffnungszeit (T) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (126) nach einer vorgegebenen Schließzeit (Δ) erneut geöffnet wird, wenn der während einer Öffnungsphase (152) des zweiten Ventils (126) ermittelte Druckverlauf (146) eine von dem Referenzwert abhängige Bedingung nicht erfüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Ventils (126) ein Wasseraustraganschluss (118) des Kanalsystems (108) verschließbar ist, durch welchen unter normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems (100) zumindest zeitweise Wasser aus dem Kanalsystem (108) austragbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Ventils (124) ein Gasaustraganschluss des Kanalsystems (108) verschließbar ist, durch welchen unter normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems (100) kein Wasser aus dem Kanalsystem (108) austragbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Druckverlauf (146) zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils (124) ermittelt wird, ob ein irregulärer Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (100) vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (126) statt des ersten Ventils (124) geöffnet wird, wenn ermittelt worden ist, dass ein irregulärer Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (100) vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen eines irregulären Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (100) ermittelt wird, wenn ein nach dem Öffnen des ersten Ventils (124) ermittelter maximaler Druckabfall kleiner ist als oder gleich groß ist wie ein vorgegebener Druckabfall-Schwellenwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert ein Druckwert ist, welcher niedriger liegt als der minimale Druckwert während der Öffnungsphase (150) des ersten Ventils (124).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert ein Druckwert ist, welcher höher liegt als der minimale Druckwert während der Öffnungsphase (150) des ersten Ventils (124).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Druckverlauf (146) während einer Öffnungsphase (150') des ersten Ventils (124) ermittelt wird, ob eine Anpassung des Referenzwerts erforderlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise durch Öffnen des ersten Ventils (124) Wasser aus dem Kanalsystem (108) austragbar ist.
Brennstoffzellensystem, umfassend Folgendes: mindestens einen Brennstoffzellenstapel (102), mindestens ein Kanalsystem (108) zum Zuführen eines fluiden Mediums zu dem Brennstoffzellenstapel (102) und/oder zum Abführen eines fluiden Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel und mindestens ein erstes Ventil (124), ein zweites Ventil (126) und einen Drucksensor (132), die in Fluidverbindung mit dem Kanalsystem (108) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine Steuerungsvorrichtung (128) umfasst, mittels welcher das Brennstoffzellensystem (100) so steuerbar ist, dass - das erste Ventil (124) geöffnet wird; - das erste Ventil (124) geschlossen wird; - ein Druckverlauf (146) zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils (124) mittels des Drucksensors (132) ermittelt wird; - ein Referenzwert für die Steuerung des zweiten Ventils (126) aus dem Druckverlauf (146) zwischen dem Öffnen und dem Schließen des ersten Ventils (124) ermittelt wird; und - das Öffnen und/oder das Schließen des zweiten Ventils (126) in Abhängigkeit von dem Referenzwert gesteuert wird.