DE102021128630A1 - Verfahren zur Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders und Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders und Brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders (14) in einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die folgenden Schritte:• Einstellen eines Brennstoffdrucks im Anodenkreislauf auf einen vorgegebenen Brennstoffdruck mittels wiederholtem Öffnen und Schließen eines in eine Anodenzufuhrleitung (8) eingekoppelten Druckregelventils,• Erfassen zumindest eines Referenzwerts für eine Anzeit, in der das Druckregelventil geöffnet ist und zumindest eines Referenzwerts für eine Auszeit, in der das Druckregelventil geschlossen ist,• Öffnen des Wasserabscheiderventils (15) und Ablassen einer im Wasserabscheider (14) gesammelten Flüssigkeit,• Aufrechtererhalten des Brennstoffdrucks im Anodenkreislauf auf einen vorgebenenen Brennstoffdruck bei geöffnetem Wasserabscheiderventil (15), durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Druckregelventils und wiederholtes Erfassen der Werte für die Anzeit und der Werte für die Auszeit und• Schließen des Wasserabscheiderventils (15), wenn mindestens einer der weiteren Werte der Anzeit und/oder der Auszeit von dem zuvor erfassten Referenzwert der Anzeit und/oder der Auszeit um einen vorgegebenen Betrag abweicht.Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders in einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, dem anodeneingangsseitig Brennstoff mittels einer Anodenzufuhrleitung zugeführt wird und der anodenausgangsseitig einen in einer Anodenabgasleitung eingekoppelten Wasserabscheider mit einem Wasserabscheiderventil aufweist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektronen-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich Anode und Kathode ist. Heutige Brennstoffzellensysteme weisen auf der Anodenseite einen Wasserabscheider mit einem Füllstands- oder Wasserlevelsensor auf, welcher den Füllstand im Wasserabscheider ermittelt. Der Wasserlevelsensor ist dabei ein zusätzliches Bauteil, welches zudem fehleranfällig gegenüber der Längs- und Querdynamik des Fahrzeugs ist. Eine Verfälschung des Ergebnisses des Wasserlevelsensors erfolgt unter anderem bei Kurvenfahrten, am Hang oder auch bei starken Vibrationen beim Geländefahren oder bei Schlaglöchern. Dies führt unter anderem auch dazu, dass der Punkt, bei dem alle Flüssigkeiten aus dem Wasserabscheider ausgetragen wurde, nicht rechtzeitig erkannt wird. Dies führt zu zusätzlichen Brennstoff-Gasaustritten, was zu Grenzwertreaktionen des Brennstoffzellensystems führen kann und zudem den Brennstoffverbrauch erhöht.
  • Die DE 10 2009 039 445 A1 offenbart ein Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit aus einem Wasserabscheider in einem Anodenkreislauf unter Verzicht auf ein Füllstandsensor anhand eines Durchflussfaktors eines Ablassventils in Verbindung mit einer Druckdifferenz zwischen einem Druckniveau in einem Gasstrom und einem Abströmbereich.
  • Die DE 10 2009 048 247 A1 offenbart ein Verfahren für ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein Ablassventil eines Wasserabscheiders offengehalten wird, sofern ein Massenstrom eines Oxidationsmittels einen vorgegebenen Wert überschreitet und ein Druck in einem anodenseitigen Bereich des Ablassventils größer oder gleich einen Druck in einem kathodenseitigen Bereich des Ablassventils ist.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur verbesserten Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders und eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen.
  • Das Verfahren zur Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders in einer Brennstoffzellenvorrichtung umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
    • - Einstellen eines Brennstoffdrucks im Anodenkreislauf auf einen vorgegebenen Brennstoffdruck mittels wiederholtem Öffnen und Schließen eines in eine Anodenzufuhrleitung eingekoppelten Druckregelventils,
    • - Erfassen zumindest eines Referenzwerts für eine Anzeit, in der das Druckregelventil geöffnet ist und zumindest eines Referenzwerts für eine Auszeit, in der das Druckregelventil geschlossen ist,
    • - Öffnen des Wasserabscheiderventils und Ablassen einer im Wasserabscheider gesammelten Flüssigkeit,
    • - Aufrechterhalten des Brennstoffdrucks im Anodenkreislauf auf einen vorgegebenen Brennstoffdruck bei geöffnetem Wasserabscheiderventil, durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Druckregelventils und wiederholtes Erfassen der Werte für die Anzeit und der Werte für die Auszeit und
    • - Schließen des Wasserabscheiderventils, wenn mindestens einer der weiteren Werte der Anzeit und/oder der Auszeit von der zuvor erfassten Referenzwert der Anzeit und/oder der Auszeit um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  • Das Verfahren nutzt dabei den Effekt aus, dass das durch den Druckregler auszugleichende Volumen im Falle eines offenen Wasserabscheiderventils, um den vorgegebenen Brennstoffdruck aufrechtzuerhalten, sich unterscheidet, je nachdem ob flüssiges Wasser oder Anodengas abgeschieden wird. Sobald der Wasserabscheider nach Betätigung des Wasserabscheiderventils leer ist, ändern sich aufgrund des unterschiedlich abfließenden Volumenstroms (nun gasförmig) die Anzeiten und die Auszeiten des Druckregelventils vom Brennstoffregler. Somit kann die Gasaustrittsphase, sprich der Punkt, an dem der Wasserabscheider keine Flüssigkeit mehr aufweist, also leer ist, sehr robust und schnell erfasst werden. Dies ermöglicht auf eine kostenintensive Sensorik wie beispielsweise auf einen Wasserlevelsensor oder zusätzliche Sensoren zu verzichten oder diese zu ergänzen, um das Ergebnis des Wasserlevelsensors mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu überprüfen. Aufgrund der genauen Erfassung desjenigen Zeitpunkts, an dem die Flüssigkeit vollständig aus dem Wasserabscheider abgelassen wurde, kommt es zu einer Einsparung des Brennstoffes und somit zu einer effizienteren Brennstoffzellenvorrichtung. Zudem kann eine hohe Brennstoffkonzentration im Abgas, welche zu Grenzwertreaktion führen kann, vermieden werden. Das Druckregelventil kann dabei auch als ein in die Anodenzufuhrleitung eingekoppelter Injektor gebildet sein, dessen Strömungsdurchmesser variierbar ist. Die Erfassung der Anzeiten- und Auszeiten erfolgt bevorzugt kontinuierlich. Allerdings ist es auch möglich die Anzeiten und Auszeiten erst bei oder im Anschluss an das Öffnen des Wasserabscheiderventils zu erfassen, so dass der erste oder die ersten Werte für die Anzeit und die Auszeit, die nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils erfasst wurden, als Referenzwerte für die Anzeit und die Auszeit dienen.
  • Um den vorgegebenen Brennstoffdruck, also den Leistungswunsch an die Brennstoffzellenvorrichtung, möglichst effektiv einstellen zu können, ist es vorgesehen, dass das Einstellen des Brennstoffdrucks auf den vorgegebenen Brennstoffdruck durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Druckregelventils derart erfolgt, dass ein Brennstoffdruckverlauf einen periodischen oder schwingenden Verlauf aufweist. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere bevorzugt, wenn der periodische oder schwingende Verlauf einem Sägezahnverlauf entspricht.
  • Der mindestens eine Referenzwert der Anzeit und der mindestens eine Referenzwert der Auszeit wird dabei bevorzugt nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils erfasst. In einer alternativen Ausführungsform ist es allerdings auch möglich den Referenzwert der Anzeit und den mindestens eine Referenzwert der Auszeit vor dem Öffnen des Wasserabscheiderventils zu erfassen.
  • Um die Genauigkeit der Referenzwerte zu erhöhen und damit um die Fehleranfälligkeit des Verfahrens zu verringern ist es bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Referenzwerten der Anzeit und/oder eine Mehrzahl von Referenzwerten der Auszeit erfasst werden, wenn ein Mittelwert oder Median zumindest von einem Teil der Referenzwerte der Anzeit und/oder der Auszeit gebildet wird, wenn ein Mittelwert oder Median der erfassten Werte der Anzeiten und/oder Auszeiten gebildet wird, und wenn der Wasserabscheider genau dann geschlossen wird, wenn der Mittelwert oder Median der Werte von dem Mittelwert oder Median der Referenzwerte um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, aus mindestens einer der Referenzwerte der Anzeit und einer der Referenzwerte der Auszeit eine Referenzperiodendauer zu bestimmen, und dass das Wasserabscheiderventil geschlossen wird, wenn die aus den Werten der Anzeit und der Auszeit bestimmte Periodendauer von mindestens der zuvor bestimmten Referenzperiodendauer um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, dem anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung Brennstoff zugeführt wird, mit einem in die Anodenzufuhrleitung eingekoppelten Druckregelventil zur Einstellung des Brennstoffdrucks, mit einem anodenausgangsseitig in einer Anodenabgasleitung eingekoppelten ein Wasserabscheiderventil aufweisenden Wasserabscheider und mit einem Steuergerät zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Steuergerät eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen.
  • Die Vorteile das Verfahren betreffend gelten dabei in analoger Weise für die Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Wasserabscheider zusätzlich einen Füllstandsensor aufweist. Dadurch können die Ergebnisse des Füllstandsensors mit den Ergebnissen aus dem erfindungsgemäßen Verfahren verglichen werden, um möglichst genau denjenigen Punkt zu erkennen an dem der Flüssigkeitsaustritt in den Gasaustritt übergeht. Zudem kann mittels des Füllstandsensors das Öffnen des Wasserabscheiderventils bei einem vorgegebenen Füllstand im Wasserabscheider getriggert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn der Wasserabscheider sensorfrei gebildet ist. In diesem Fall kann mithilfe eines Wassermodells, der Füllstandsensor komplett ersetzt werden und so auf eine kostenintensive und bauteilintensive Sensorik im Wasserabscheider verzichtet werden.
  • 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.
  • 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, und
    • 2 zeitlicher Verlauf der Anzeiten und Auszeiten
  • In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die eine Brennstoffzelle beziehungsweise eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist.
  • Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Membranelektrodenanordnung, die aus einer Anode und einer Kathode sowie einer die Anode von der Kathode trennenden protonenleitfähigen Membran aufgebaut ist. 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.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden ist zusätzlich ein Katalysator beigemischt, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • 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 gleichfalls von der Bipolarplatte bereitgestellten Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 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).
  • Dem Brennstoffzellenstapel 2 wird über eine Kathodenfrischgasleitung 3 durch einen Verdichter 4 komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist die Brennstoffzelle mit einer Kathodenabgasleitung 6 verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel 2 durch eine Anodenzufuhrleitung 8 aus einem Wasserstofftank 5 Wasserstoff zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden mittels eines Medienports in Polarplatten bzw. Bipolarplatten an deren aktive Fläche geleitet bzw. von dieser ausgeleitet, wobei in der Polarplatte bzw. Bipolarplatte von Stegengetrennt verlaufende Strömungskanäle ausgebildet sind für die weitere Verteilung der Gase an die Membranelektrodenanordnung, sowie für deren Ausleitung aus dem Brennstoffzellenstapel 2 und die Durchleitung eines Kühlmediums.
  • Ein Ventil und/oder auch ein in der 1 illustrierter Injektor 13, der als Druckregelventil fungiert, können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb eines Anodenkreislaufes zu realisieren, der durch die Anodenrezirkulationsleitung 7 zustande kommt. Dazu kann das Druckregelventil also der Injektor 13 wiederholt geöffnet und geschlossen werden und erzeugt so einen periodischen oder schwingenden Brennstoffdruckverlauf. Mit einer solchen Anodenrezirkulationsleitung 7 kann der in dem Brennstoffzellenstapel 2 nicht verbrauchter Brennstoff den Anodenräumen stromauf der Brennstoffzelle erneut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung 7 wieder in die Anodenzufuhrleitung 8 mündet. Verbrauchter Brennstoff wird über die Anodenabgasleitung 9 aus der Brennstoffzelle entfernt. Um die Rezirkulation zu bewirken kann alternativ oder ergänzend auch ein in der Figur ebenfalls gezeigte Rezirkulationsgebläse genutzt werden. In der Anodenrezirkulationsleitung 7 ist zudem ein Wasserabscheider 14 mit einem Wasserabscheiderventil 15 vorhanden. Der Wasserabscheider 14 kann optional zusätzlich ein Füllstandssensor aufweisen oder auch sensorfrei gebildet sein. Ein Steuergerät ist dabei eingerichtet - je nach Leistungswunsch an die Brennstoffzellen, einen vorgegebenen Brennstoffdruck einzustellen, wobei sich aufgrund der durch das Steuergerät erfolgten Hysteresedruckregelung mit einem Hysterese-Maximum und einem Hystereseminimum ein Sägezahnverlauf der des Brennstoffverlaufs ergibt. Der Injektor 13 weist dabei nicht nur eine geöffnete oder geschlossenen Position auf, sondern kann auch jede zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position liegenden Zwischenstellung einnehmen. Für die Einstellung des Brennstoffdrucks sind anodeneingangsseitig stromab des Injektors 13 und anodenausgangsseitig stromauf des Wasserabscheiders 14 je ein Drucksensor vorhanden.
  • Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch den Verdichter 4 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 4 nachgelagerten Befeuchter, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders 14 in einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst dabei insbesondere die folgenden Schritte: Zunächst wird ein Brennstoffdruck im Anodenkreislauf auf einen vorgegebenen Brennstoffdruck mittels wiederholtem Öffnen und Schließen des in die Anodenzufuhrleitung 8 eingekoppelten Druckregelventils, vorliegend dem Injektor 13 eingestellt. Wie bereits zuvor beschrieben, erfolgt das Einstellen des Brennstoffdrucks derart, dass der Brennstoffdruckverlauf einen periodischen oder schwingenden Lauf aufweist, insbesondere einem Sägezahnverlauf entspricht.
  • Dabei wird zumindest ein Referenzwert für eine Anzeit 16, in der das Druckregelventil/der Injektor 13 geöffnet ist und zumindest ein Referenzwert für eine Auszeit 17, in der das Druckregelventil/Injektor 13 geschlossen ist, erfasst. Das Wasserabscheiderventil 15 wird geöffnet, beispielsweise wenn ein optional im Wasserabscheider 14 vorhandener Füllstandssensor einen Grenzfüllstand detektiert, oder wenn ein Steuergerät auf Basis eines Wassermodells ein Öffnen des Wasserabscheiderventils 15 veranlasst. Die im Wasserabscheider 14 gesammelte Flüssigkeit wird abgelassen, sprich gepurged. Durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Druckregelventils/Injektors 13 wird der Brennstoffdruck im Anodenkreislauf bei geöffnetem Wasserabscheiderventil 15 auf einen vorgegebenen Brennstoffdruck aufrechterhalten. Dabei werden wiederholt oder kontinuierlich Werte für die Anzeit 16 und der Werte für die Auszeit 17 erfasst. Das Wasserabscheiderventil 15 wird genau dann geschlossen, wenn mindestens einer der Werte der Anzeit 16und/oder der Auszeit 17 von dem zuvor erfassten Referenzwert der Anzeit 16 und/oder der Auszeit 17 um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  • Dabei nutzt das Verfahren den Effekt aus, dass das auszugleichende Volumen bei geöffnetem Wasserabscheiderventil sich unterscheidet, je nachdem, ob flüssiges Wasser oder Anodengas abgeschieden wird. Dies ist beispielshaft aus der 2 ersichtlich. Diese zeigt den Verlauf der Anzeiten 16 und der Auszeiten 17 vor und nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils 15. Die durchgezogene Linie 18 zeigt dabei das Öffnen und Schließen des Wasserascheiderventils 15. Der aus Kreisen gebildete Verlauf 19 zeigt die Brennstoffkonzentration im Abgas und der aus Kreuzen gebildet Verlauf 20 die Brennstoffkonzentration an der Anode. Ab dem Zeitpunkt 21, ab dem der Wasserdurchtritt sich auf einen Gas-/Brennstoffdurchtritt umstellt, also ab dem Zeitpunkt 21, ab dem der Wasserabscheider 14 leer ist, verkürzen sich vorliegend die Auszeiten 17 des Druckregelventils/Injektors 13 und es verlängern sich die Anzeiten16 bei der Änderung von Brennstoff durch Wasserdurchtritt auf den Gasdurchtritt im Druckregelventil, wobei je nach vorgegebenem Brennstoffdruck, sich auch die Anzeiten 16 des Druckregelventils/Injektors 13 verlängern und die Auszeiten 17 verkürzen können. Das erfindungsgemäße Schließen des Wasserabscheiderventils 15 bei Detektion des Zeitpunkts 21 verringert somit den Brennstoffverbrauch und die Brennstoffkonzentration im Anodenabgas.
  • Der Referenzwert der Anzeit 16 und der Referenzwert der Auszeit 17 kann dabei sowohl nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils 15 als auch vor dem Öffnen des Wasserabscheiderventils 15 erfasst werden. Insbesondere erfolgt die Erfassung der Referenzwerte und der Werte für die Anzeit 16 und die Auszeit 17 kontinuierlich. Somit kann es in einer Ausführungsform auch möglich sein, die wiederholte oder kontinuierliche Erfassung der Anzeit 16 und der Auszeit 17 erst im Anschluss oder mit dem Öffnen des Wasserabscheiderventils 15 zu beginnen. Der erste oder einer der ersten Werte für die Anzeit 16 oder Auszeit 17 nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils 15 dienen dann als Referenzwerte für die Anzeit 16 und die Auszeit 17.
  • Um den Zeitpunkt 21 des Übergangs vom Wasserablass zum Gasablass noch genauer bestimmen zu können ist es von Vorteil, wenn eine Mehrzahl von Referenzwerten der Anzeit 16 und/oder eine Mehrzahl von Referenzwerten der Auszeit 17 erfasst werden. Von einem Teil der Referenzwerte der Anzeit 16 und/oder der Auszeit 17 wird ein Mittelwert oder Median gebildet. Umgekehrt wird ein Mittelwert oder Median der erfassten Werte der Anzeiten 16 oder Auszeiten 17 gebildet, also der Werte die nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils 15 erfasst wurden. Wenn der Mittelwert oder Median der Werte von dem Mittelwert oder Median der Referenzwerte um einen vorgegebenen Betrag abweicht, wird das Wasserabscheiderventil 15 geschlossen. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere von Vorteil wenn 3 bis 5 aufeinanderfolgende Referenzwerte zu einem Mittelwert oder Median gebildet werden und wenn 3 bis 5 aufeinanderfolgende erfasste Werte der Anzeiten 16 oder Auszeiten 17 zu einem Mittelwert oder Median gebildet werden und der Mittelwert oder Median der Referenzwerte mit dem Mittelwert oder Median der Werte verglichen werden.
  • Alternativ zum direkten Vergleich der Anzeiten 16 und/oder der Auszeiten 17 kann aus der mindestens einen Anzeit 16 und mindestens einer darauf folgenden Auszeit 17 eine Referenzperiodendauer bestimmt werden. Weiterhin kann nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils 15 kontinuierlich oder zumindest wiederholt aus den erfassten Werten der Anzeit 16 und der Auszeit 17 eine Periodendauer bestimmt werden. Das Wasserabscheiderventil 15 wird dann geschlossen, wenn die Periodendauer von mindestens der zuvor bestimmten Referenzperiodendauer um den vorgegebenen Betrag abweicht.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Kathodenfrischgasleitung
    4
    Verdichter
    5
    Wasserstofftank
    6
    Kathodenabgasleitung
    7
    Anodenrezirkulationsleitung
    8
    Anodenzufuhrleitung
    9
    Anodenabgasleitung
    10
    Frischgaszufuhrleitung
    11
    Kathodenabgasleitung
    12
    Kathodenrezirkulationsleitung
    13
    Injektor
    14
    Wasserabscheider
    15
    Wasserabscheiderventil
    16
    Anzeit
    17
    Auszeit
    18
    Betätigung Wasserabscheiderventil
    19
    Brennstoff Konzentration Abgas
    20
    Brennstoffkonzentration Anode
    21
    Zeitpunkt Übergang Wasserdurchtritt auf Gasdurchtritt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009039445 A1 [0003]
    • DE 102009048247 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erfassung eines Füllstands eines Wasserabscheiders (14) in einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dem anodeneingangsseitig Brennstoff mittels einer Anodenzufuhrleitung (8) zugeführt wird und der anodenausgangsseitig einen in eine Anodenabgasleitung (9) eingekoppelten Wasserabscheider (14) mit einem Wasserabscheiderventil (15) aufweist, umfassend die folgenden Schritte: • Einstellen eines Brennstoffdrucks im Anodenkreislauf auf einen vorgegebenen Brennstoffdruck mittels wiederholtem Öffnen und Schließen eines in eine Anodenzufuhrleitung (8) eingekoppelten Druckregelventils, • Erfassen zumindest eines Referenzwerts für eine Anzeit, in der das Druckregelventil geöffnet ist und zumindest eines Referenzwerts für eine Auszeit, in der das Druckregelventil geschlossen ist, • Öffnen des Wasserabscheiderventils (15) und Ablassen einer im Wasserabscheider (14) gesammelten Flüssigkeit, • Aufrechtererhalten des Brennstoffdrucks im Anodenkreislauf auf einen vorgebenenen Brennstoffdruck bei geöffnetem Wasserabscheiderventil (15), durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Druckregelventils und wiederholtes Erfassen der Werte für die Anzeit und der Werte für die Auszeit und • Schließen des Wasserabscheiderventils (15), wenn mindestens einer der weiteren Werte der Anzeit und/oder der Auszeit von dem zuvor erfassten Referenzwert der Anzeit und/oder der Auszeit um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen des Brennstoffdrucks auf den vorgegebenen Brennstoffdruck durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Druckregelventils derart erfolgt, dass ein Brennstoffdruckverlauf einen periodischen oder schwingenden Verlauf aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der periodische oder schwingende Verlauf einem Sägezahnverlauf entspricht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert der Anzeit und der Referenzwert der Auszeit nach dem Öffnen des Wasserabscheiderventils (15) erfasst wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert der Anzeit und der Referenzwert der Auszeit vor dem Öffnen des Wasserabscheiderventils (15) erfasst wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Referenzwerten der Anzeit und/oder eine Mehrzahl von Referenzwerten der Auszeit erfasst werden, dass ein Mittelwert oder Median zumindest von einem Teil der Referenzwerte der Anzeit und/oder der Auszeit gebildet wird, dass ein Mittelwert oder Median der erfassten Werte der Anzeiten und/oder Auszeiten gebildet wird, und dass der Wasserabscheider geschlossen wird, wenn der Mittelwert oder Median der Werte von dem Mittelwert oder Median der Referenzwerte um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens einer der Referenzwerte der Anzeit und einer der Referenzwerte der Auszeit eine Referenzperiodendauer bestimmt wird, und dass das Wasserabscheiderventil (15) geschlossen wird, wenn die aus den Werten der Anzeit und der Auszeit bestimmte Periodendauer von mindestens der zuvor bestimmten Referenzperiodendauer um einen vorgegebenen Betrag abweicht.
  8. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (2), dem anodenseitig über eine Anodenzufuhrleitung (8) Brennstoff zugeführt wird, mit einem in die Anodenzufuhrleitung (8) eingekoppelten Druckregelventil zur Einstellung des Brennstoffdrucks, mit einem anodenausgangsseitig in eine Anodenabgasleitung (9) eingekoppelten einen Wasserabscheiderventil (15) aufweisenden Wasserabscheider (14) und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist, dass Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  9. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (14) einen Füllstandssensor aufweist.
  10. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (14) sensorfrei gebildet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009039445A1 (de) 2009-08-31 2011-03-03 Daimler Ag Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas
DE102009048247A1 (de) 2009-10-05 2011-04-07 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009039445A1 (de) 2009-08-31 2011-03-03 Daimler Ag Verfahren zum Ablassen von Flüssigkeit und/oder Gas
DE102009048247A1 (de) 2009-10-05 2011-04-07 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

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