DE102022201227A1 - Fuel cell system and operating method for a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and operating method for a fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
DE102022201227A1
DE102022201227A1 DE102022201227.5A DE102022201227A DE102022201227A1 DE 102022201227 A1 DE102022201227 A1 DE 102022201227A1 DE 102022201227 A DE102022201227 A DE 102022201227A DE 102022201227 A1 DE102022201227 A1 DE 102022201227A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
sensor
cell system
state
cell stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022201227.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Jochen Glasbrenner
Otto Mueller
Andreas Raichle
Martin Katz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102022201227.5A priority Critical patent/DE102022201227A1/en
Publication of DE102022201227A1 publication Critical patent/DE102022201227A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100). Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:- einen Brennstoffzellenstapel (101),- mindestens einen in dem Brennstoffzellenstapel (101) angeordneten Zustandssensor (103),- eine Recheneinheit (105), wobei der mindestens eine Zustandssensor (103) einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst, undwobei die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführte Reaktionsgase in Abhängigkeit von durch den Zustandssensor (103) ermittelten Zustandswerten eines Zustands in dem Brennstoffzellenstapel (101) einzustellen.Ferner betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren (200) für ein Brennstoffzellensystem (100).The invention presented relates to a fuel cell system (100). The fuel cell system (100) comprises: - a fuel cell stack (101), - at least one status sensor (103) arranged in the fuel cell stack (101), - a computing unit (105), the at least one status sensor (103) being a moisture sensor and/or a comprises a hydrogen concentration sensor, and wherein the computing unit (105) is configured to adjust reaction gases supplied to the fuel cell stack (101) as a function of state values of a state in the fuel cell stack (101) determined by the state sensor (103). The invention also relates to an operating method (200 ) for a fuel cell system (100).

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem.The invention presented relates to a fuel cell system and an operating method for a fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

In Brennstoffzellensystemen sind in der Regel weder Feuchtesensoren bzw. Feuchtigkeitssensoren noch Wasserstoffkonzentrationssensoren verbaut, sodass eine Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems über mathematische Modelle, die aus Erkenntnissen von Entwicklungsmustern abgeleitet sind, ermittelt wird.In fuel cell systems, neither humidity sensors nor humidity sensors nor hydrogen concentration sensors are generally installed, so that humidity in a fuel cell stack of a fuel cell system is determined using mathematical models that are derived from findings from development patterns.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, a fuel cell system and an operating method for operating the fuel cell system are presented. Further features and details of the invention result from the respective dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the operating method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen energieeffizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems sicherzustellen.The invention presented serves in particular to ensure energy-efficient operation of a fuel cell system.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, mindestens einen in dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Zustandssensor und eine Recheneinheit, wobei der mindestens eine Zustandssensor einen Feuchtigkeitssensor und einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst, und wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Reaktionsgase in Abhängigkeit von durch den Zustandssensor ermittelten Zustandswerten eines Zustands in dem Brennstoffzellenstapel einzustellen.A fuel cell system is thus presented according to a first aspect of the presented invention. The fuel cell system comprises a fuel cell stack, at least one status sensor arranged in the fuel cell stack and a computing unit, wherein the at least one status sensor comprises a moisture sensor and a hydrogen concentration sensor, and wherein the computing unit is configured to react gases supplied to the fuel cell stack depending on status values determined by the status sensor Set state in the fuel cell stack.

Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Steuergerät, ein Prozessor oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.In the context of the presented invention, a computing unit is to be understood as meaning a computer, a control device, a processor or any other programmable circuit.

Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf einem Zustandssensor, der einen Zustand des Brennstoffzellensystems, insbesondere Betriebsbedingungen in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems ermittelt bzw. misst.The fuel cell system presented is based on a state sensor that determines or measures a state of the fuel cell system, in particular operating conditions in a fuel cell stack of the fuel cell system.

Entsprechend ist der Zustandssensor in dem Brennstoffzellenstapel des vorgestellten Brennstoffzellensystems angeordnet und kommunikativ mit der Recheneinheit verbunden.Accordingly, the status sensor is arranged in the fuel cell stack of the fuel cell system presented and is communicatively connected to the computing unit.

Anhand von durch den Zustandssensor ermittelten Zustandswerten stellt die Recheneinheit das Brennstoffzellensystem in einem kontinuierlichen Steuerungs- bzw. Regelungsprozess ein. Dazu kann die Recheneinheit insbesondere Stellglieder, wie bspw. Ventile in jeweiligen Leitungen zum Führen von Betriebsmedium durch das Brennstoffzellensystem ansteuern.The arithmetic unit adjusts the fuel cell system in a continuous open-loop or closed-loop control process on the basis of status values determined by the status sensor. For this purpose, the computing unit can in particular control actuators, such as valves in the respective lines for conducting operating medium through the fuel cell system.

Insbesondere stellt die Recheneinheit das Brennstoffzellensystem derart ein, dass durch den Zustandssensor ermittelte Zustandswerte in einem vorgegebenen Wertebereich liegen und ein Brennstoffverbrauch minimiert wird. Dazu kann die Recheneinheit bspw. eine Luftzufuhr und/oder eine Brennstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel derart regeln, dass sich in dem Brennstoffzellenstapel ein Lambda von „1“ einstellt und optimale Reaktionsbedingungen für die Wasserstoffoxidation vorliegen.In particular, the arithmetic unit sets the fuel cell system in such a way that state values determined by the state sensor are within a predefined value range and fuel consumption is minimized. For this purpose, the computing unit can regulate, for example, an air supply and/or a fuel supply to the fuel cell stack in such a way that a lambda of “1” is set in the fuel cell stack and optimal reaction conditions for the hydrogen oxidation are present.

Es kann vorgesehen sein, dass der Zustandssensor ein Kombinationssensor ist und sowohl einen Feuchtigkeitssensor als auch einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst.It can be provided that the condition sensor is a combination sensor and includes both a moisture sensor and a hydrogen concentration sensor.

Durch einen Kombinationssensor, der einen Feuchtigkeitssensor und einen Wasserstoffkonzentrationssensor in einem Gehäuse vereint, können mehrere unterschiedliche Zustandswerte an einer Position im Brennstoffzellenstapel ermittelt werden, sodass auch nur eine Anbindung für den Zustandssensor im Brennstoffzellenstapel nötig ist und Leckagen durch mehrere Anbindungen minimiert werden.A combination sensor, which combines a moisture sensor and a hydrogen concentration sensor in one housing, can be used to determine several different status values at one position in the fuel cell stack, so that only one connection is required for the status sensor in the fuel cell stack and leaks are minimized through multiple connections.

Bspw. kann der Zustandssensor ein Halbleitermodul sein, insbesondere ein Bosch BME680 sein.For example, the status sensor can be a semiconductor module, in particular a Bosch BME680.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Befeuchter und eine um den Befeuchter herumführende Umgehungsleitung umfasst, und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, dem Brennstoffzellenstapel zuzuführende Luft durch die Umgehungsleitung zu leiten, wenn ein durch den mindestens einen Zustandssensor ermittelter Feuchtigkeitswert größer als ein vorgegebener Grenzwert ist und dem Brennstoffzellenstapel zuzuführende Luft durch den Befeuchter zu leiten, wenn der durch den mindestens einen Zustandssensor ermittelte Feuchtigkeitswert kleiner oder gleich dem Grenzwert ist.It can also be provided that the fuel cell system includes a humidifier and a bypass line leading around the humidifier, and the computing unit is configured to conduct air to be supplied to the fuel cell stack through the bypass line if a moisture value determined by the at least one status sensor is greater than a predetermined value Limit is and the fuel cell stack to conduct air to be supplied through the humidifier when the determined by the at least one state sensor moisture value is less than or equal to the limit.

Eine Umgehungsleitung, d.h. eine sogenannte „Bypassleitung“, die einem Brennstoffzellenstapel zuzuführende Luft um einen Befeuchter herum bzw. an dem Befeuchter vorbei führt, kann als Stellglied verwendet werden, indem dem Brennstoffzellenstapel bei feuchten Bedingungen im Brennstoffzellenstapel trockene Luft zugeführt wird die durch die Umgehungsleitung und entsprechend nicht durch den Befeuchter strömt, und bei trockenen Bedingungen feuchte Luft zugeführt wird, die durch den Befeuchter und entsprechend nicht durch die Umgehungsleitung strömt.A bypass line, i.e. a so-called "bypass line", which leads air to be supplied to a fuel cell stack around a humidifier or past the humidifier, can be used as an actuator by supplying dry air to the fuel cell stack under humid conditions in the fuel cell stack which passes through the bypass line and accordingly does not flow through the humidifier, and in dry conditions moist air is supplied which flows through the humidifier and accordingly not through the bypass duct.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Zellspannungsmodul zum Ermitteln von Spannungen jeweiliger Brennstoffzellen umfasst, und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von durch den mindestens einen Zustandssensor ermittelten Zustandswerten des Brennstoffzellenstapels und jeweiligen durch das Zellspannungsmodul ermittelten Spannungswerten einzustellen.Provision can furthermore be made for the fuel cell system to include a cell voltage module for determining voltages of the respective fuel cells, and for the computing unit to be configured to set the fuel cell system as a function of the state values of the fuel cell stack determined by the at least one state sensor and the respective voltage values determined by the cell voltage module.

Durch eine Verwendung von Zellspannungswerten zusätzlich zu jeweiligen Zustandswerten zur Regelung eines Brennstoffzellensystems kann das Brennstoffzellensystem besonders effizient betrieben werden, in dem die Recheneinheit das Brennstoffzellensystem derart einstellt, dass dem Brennstoffzellenstapel derart Reaktionsmedien zugeführt werden, dass sich die Zustandswerte in einem vorgegebenen Wertebereich befinden und die Zellspannungswerte maximiert werden.By using cell voltage values in addition to the respective status values for controlling a fuel cell system, the fuel cell system can be operated particularly efficiently in that the computing unit adjusts the fuel cell system in such a way that reaction media are fed to the fuel cell stack in such a way that the status values are in a predetermined value range and the cell voltage values be maximized.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Vielzahl Zustandssensoren umfasst, die in gleichem Abstand zueinander in einem Kathodenzulauf des Brennstoffzellenstapels über eine Höhe des Brennstoffzellenstapels verteilt angeordnet sind.Provision can furthermore be made for the fuel cell system to comprise a multiplicity of status sensors which are arranged at the same distance from one another in a cathode inlet of the fuel cell stack and are distributed over a height of the fuel cell stack.

Durch eine Anordnung einer Vielzahl Zustandssensoren kann eine Veränderung von Reaktionsbedingungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels, bspw. durch absinkende oder aufsteigende Gase, ermittelt werden. Entsprechend kann das Brennstoffzellensystem derart eingestellt werden, dass sich über die Zustandssensoren durchschnittlich optimierte Zustandswerte einstellen.A change in reaction conditions within the fuel cell stack, for example as a result of falling or rising gases, can be determined by arranging a large number of status sensors. Accordingly, the fuel cell system can be set in such a way that average, optimized state values are set via the state sensors.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, die Konzentration von dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Reaktionsgasen in Abhängigkeit eines kleinsten Zustandswerts oder eines größten Zustandswerts von durch den Zustandssensor ermittelten Zustandswerten einzustellen.Provision can furthermore be made for the computing unit to be configured to set the concentration of reaction gases fed to the fuel cell stack as a function of a smallest state value or a largest state value of state values determined by the state sensor.

Durch eine Regelung des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit eines jeweilig kleinsten oder größten Zustandswerts können Extremwerte von einzelnen Zustandssensoren an einen Durchschnittswert jeweils anderer Zustandssensoren angenähert werden, sodass bspw. besonders trockene oder besonders feuchte Stellen im Brennstoffzellenstapel verhindert werden.By regulating the fuel cell system depending on a respective smallest or largest state value, extreme values of individual state sensors can be approximated to an average value of other state sensors, so that, for example, particularly dry or particularly damp spots in the fuel cell stack are prevented.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, die Konzentration von dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Reaktionsgasen alternierend in Abhängigkeit eines kleinsten Zustandswerts und eines größten Zustandswerts von durch den Zustandssensor ermittelten Zustandswerten einzustellen.Provision can furthermore be made for the computing unit to be configured to set the concentration of reaction gases supplied to the fuel cell stack alternately as a function of a smallest state value and a largest state value of state values determined by the state sensor.

Durch eine alternierende Regelung, die jeweils zwischen zwei Extremwerten jeweiliger Zustandswerte als Regelgröße wechselt, wird eine Annäherung verschiedener Zustandswerte aneinander erreicht, sodass sich in dem Brennstoffzellenstapel besonders homogene Bedingungen einstellen.Alternating regulation, which alternates between two extreme values of respective state values as a control variable, brings different state values closer together, so that particularly homogeneous conditions are established in the fuel cell stack.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Betriebsverfahren umfasst das Ermitteln von Zustandswerten durch mindestens einen Zustandssensor in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, wobei der mindestens eine Zustandssensor einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst. Weiterhin umfasst das Betriebsverfahren das Einstellen von dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Reaktionsgasen in Abhängigkeit von durch den Zustandssensor ermittelten Zustandswerten eines Zustands in dem Brennstoffzellenstapel. Insbesondere ist das Betriebsverfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß des ersten Aspektes der Erfindung ausgestaltet.According to a second aspect, the presented invention relates to an operating method for operating a fuel cell system. The operating method includes determining status values using at least one status sensor in a fuel cell stack of the fuel cell system, wherein the at least one status sensor includes a moisture sensor and/or a hydrogen concentration sensor. Furthermore, the operating method includes the setting of reaction gases supplied to the fuel cell stack as a function of state values of a state in the fuel cell stack determined by the state sensor. In particular, the operating method for operating a fuel cell system is designed according to the first aspect of the invention.

Es kann vorgesehen sein, dass die Konzentration der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Reaktionsgase durch Aktivieren eines Umgehungsventils eingestellt wird, dass die Reaktionsgase in einem ersten Zustand durch einen Befeuchter des Brennstoffzellensystems leitet und in einem zweiten Zustand an dem Befeuchter vorbei leitet.Provision can be made for the concentration of the reaction gases supplied to the fuel cell stack to be adjusted by activating a bypass valve which directs the reaction gases through a humidifier of the fuel cell system in a first state and past the humidifier in a second state.

Ein Umgehungsventil, das bspw. einen Strömungspfad durch eine Umgehungsleitung, die an einem Befeuchter vorbeiführt bzw. den Befeuchter umgeht oder durch eine Befeuchterleitung, die durch den Befeuchter führt einstellt, wie bspw. ein Magnetventil, ermöglicht eine schnelle und verlässliche Änderung von Eigenschaften, insbesondere einer Feuchte von in einem Brennstoffzellenstapel vorliegenden Reaktionsbedingungen.A bypass valve, which, for example, adjusts a flow path through a bypass line that bypasses a humidifier or bypasses the humidifier, or through a humidifier line that runs through the humidifier, such as a solenoid valve, enables properties to be changed quickly and reliably, in particular a humidity of reaction conditions present in a fuel cell stack.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass mittels eines Zellspannungsmoduls Zellspannungen von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ermittelt werden und das Brennstoffzellensystem derart eingestellt wird, dass die Zustandswerte sich in einem vorgegebenen Wertebereich befinden und die Zellspannung maximiert wird.Provision can also be made for cell voltages of fuel cells in the fuel cell stack to be determined using a cell voltage module and for the fuel cell system to be set in such a way that the state values are in a predetermined value range and the cell voltage is maximized.

Durch eine Regelung eines Brennstoffzellensystems auf Grundlage einer Kombination aus Zustandswerten und Zellspannungen kann ein Brennstoffzellenstapel unter kontrollierten Bedingungen stark belastet werden, sodass ich bspw. hohe Zellspannungen einstellen lassen, wenn jeweilige ermittelte Zustandsparameter in einem vorgegebenen Wertebereich liegen. Dabei kann der vorgegebene Wertebereich für zunehmende Zellspannungen zunehmend enger werden, um Schäden an jeweiligen Brennstoffzellen zu verhindern. Entsprechend kann eine Leistung des Brennstoffzellensystems dynamisch an jeweilige in dem Brennstoffzellenstapel vorliegende Reaktionsbedingungen angepasst werden.By controlling a fuel cell system on the basis of a combination of status values and cell voltages, a fuel cell stack can be heavily loaded under controlled conditions, so that high cell voltages can be set, for example, if the status parameters determined are within a specified value range. In this case, the specified range of values for increasing cell voltages can become increasingly narrow in order to prevent damage to the respective fuel cells. Accordingly, a power of the fuel cell system can be dynamically adapted to the respective reaction conditions present in the fuel cell stack.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a possible embodiment of the presented fuel cell system,
  • 2 a schematic representation of a possible embodiment of the presented operating method.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101, in dem Brennstoffzellenstapel 101 angeordnete Zustandssensoren 103, eine Recheneinheit 105, einen Befeuchter 107 und ein Umgehungsventil 109, dass dem Brennstoffzellenstapel 101 zuzuführende Luft in einer ersten Stellung durch eine Umgehungsleitung 111 und in einer zweiten Stellung durch den Befeuchter leitet.In 1 a fuel cell system 100 is shown. The fuel cell system 100 comprises a fuel cell stack 101, status sensors 103 arranged in the fuel cell stack 101, a computing unit 105, a humidifier 107 and a bypass valve 109 that the fuel cell stack 101 air to be supplied in a first position through a bypass line 111 and in a second position through the humidifier directs.

Der Zustandssensor 103 umfasst einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Wasserstoffkonzentrationssensor.The condition sensor 103 includes a humidity sensor and/or a hydrogen concentration sensor.

Die Recheneinheit 105 ist dazu konfiguriert, eine Konzentration von dem Brennstoffzellenstapel 101 zuzuführenden Reaktionsgasen in Abhängigkeit von durch den Zustandssensor 103 ermittelten Zustandswerten eines Zustands in dem Brennstoffzellenstapel 101 einzustellen. Dazu kann die Recheneinheit 105 bspw. das Umgehungsventil 109 ansteuern, sodass dem Brennstoffzellenstapel 101 entweder durch den Befeuchter 107 geleitete feuchte Luft oder durch die Umgehungsleitung 111 geleitete trockene Luft zugeführt wird.The computing unit 105 is configured to set a concentration of reaction gases to be supplied to the fuel cell stack 101 depending on state values of a state in the fuel cell stack 101 determined by the state sensor 103 . For this purpose, the computing unit 105 can control the bypass valve 109 , for example, so that the fuel cell stack 101 is supplied either with moist air routed through the humidifier 107 or with dry air routed through the bypass line 111 .

Weiterhin kann die Recheneinheit 105 ein hier nicht dargestelltes Dosierventil zum Dosieren einer dem Brennstoffzellenstapel 103 zugeführten Menge Wasserstoff einstellen, d.h. das Dosierventil aktiveren oder deaktivieren bzw. in eine vorgegebene Stellung bewegen.Furthermore, the arithmetic unit 105 can set a metering valve (not shown here) for metering a quantity of hydrogen supplied to the fuel cell stack 103, i.e. activate or deactivate the metering valve or move it to a predetermined position.

Wahlweise erfolgt das Ansteuern des Umgehungsventils 109 und/oder des Dosierventils in Abhängigkeit eines Durchschnittswerts sämtlicher durch die Zustandssensoren 103 ermittelter Zustandswerte oder in Abhängigkeit jeweiliger Extremwerte, sodass extreme Zustände in dem Brennstoffzellenstapel 101 vermieden werden.Optionally, the bypass valve 109 and/or the metering valve is actuated as a function of an average value of all the state values determined by the state sensors 103 or as a function of respective extreme values, so that extreme states in the fuel cell stack 101 are avoided.

In 2 ist ein Betriebsverfahren 200 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wie bspw. dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß 1 dargestellt.In 2 1 is an operating method 200 for operating a fuel cell system, such as fuel cell system 100 according to FIG 1 shown.

Das Betriebsverfahren 200 umfasst einen Ermittlungsschritt 201, bei dem Zustandswerte durch mindestens einen Zustandssensor 103 in einem Brennstoffzellenstapel 101 des Brennstoffzellensystems 100 ermittelt werden, wobei der mindestens eine Zustandssensor 103 einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst.Operating method 200 includes a determination step 201, in which state values are determined by at least one state sensor 103 in a fuel cell stack 101 of fuel cell system 100, wherein the at least one state sensor 103 includes a moisture sensor and/or a hydrogen concentration sensor.

Weiterhin umfasst das Betriebsverfahren 200 einen Einstellschritt 203, bei dem dem Brennstoffzellenstapel 103 zugeführte Reaktionsgase in Abhängigkeit von durch den mindestens einen Zustandssensor 103 ermittelten Zustandswerten eines Zustands in dem Brennstoffzellenstapel 101 eingestellt werden.Furthermore, the operating method 200 includes a setting step 203 in which the reaction gases supplied to the fuel cell stack 103 are set as a function of state values of a state in the fuel cell stack 101 determined by the at least one state sensor 103 .

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (101), - mindestens einen in dem Brennstoffzellenstapel (101) angeordneten Zustandssensor (103), - eine Recheneinheit (105), wobei der mindestens eine Zustandssensor (103) einen Feuchtigkeitssensor und einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst, und wobei die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführte Reaktionsgase in Abhängigkeit von durch den Zustandssensor (103) ermittelten Zustandswerten eines Zustands in dem Brennstoffzellenstapel (101) einzustellen.Fuel cell system (100), the fuel cell system (100) comprising: - a fuel cell stack (101), - at least one status sensor (103) arranged in the fuel cell stack (101), - a computing unit (105), the at least one status sensor (103) a humidity sensor and a hydrogen concentration sensor, and wherein the computing unit (105) is configured to react gases supplied to the fuel cell stack (101) depending on the state sensor (103) determined state values of a state in the fuel cell stack (101). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandssensor (103) ein Kombinationssensor ist und sowohl einen Feuchtigkeitssensor als auch einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst.Fuel cell system (100) after claim 1 , characterized in that the condition sensor (103) is a combination sensor and comprises both a humidity sensor and a hydrogen concentration sensor. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) weiterhin einen Befeuchter (107) und eine um den Befeuchter (107) herumführende Umgehungsleitung (111) umfasst, und die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, dem Brennstoffzellenstapel (101) zuzuführende Luft durch die Umgehungsleitung (111) zu leiten, wenn ein durch den mindestens einen Zustandssensor (103) ermittelter Feuchtigkeitswert größer als ein vorgegebener Grenzwert ist und dem Brennstoffzellenstapel (100) zuzuführende Luft durch den Befeuchter (107) zu leiten, wenn der durch den mindestens einen Zustandssensor (103) ermittelte Feuchtigkeitswert kleiner oder gleich dem Grenzwert ist.Fuel cell system (100) after claim 1 or 2 , characterized in that the fuel cell system (100) further comprises a humidifier (107) and a bypass line (111) leading around the humidifier (107), and the computing unit (105) is configured to supply air to the fuel cell stack (101) through the bypass line (111) if a moisture value determined by the at least one status sensor (103) is greater than a predetermined limit value and to conduct air to be supplied to the fuel cell stack (100) through the humidifier (107) if the temperature determined by the at least one status sensor ( 103) determined moisture value is less than or equal to the limit value. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) ein Zellspannungsmodul zum Ermitteln von Spannungen jeweiliger Brennstoffzellen umfasst, und die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, das Brennstoffzellensystem (100) in Abhängigkeit von durch den mindestens einen Zustandssensor (103) ermittelten Zustandswerten und jeweiligen durch das Zellspannungsmodul ermittelten Spannungswerten einzustellen.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (100) comprises a cell voltage module for determining voltages of respective fuel cells, and the computing unit (105) is configured to control the fuel cell system (100) as a function of the at least a state sensor (103) determined state values and respective voltage values determined by the cell voltage module. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine Vielzahl Zustandssensoren (103) umfasst, die in gleichem Abstand zueinander in einem Kathodenzulauf des Brennstoffzellenstapels (101) über eine Höhe des Brennstoffzellenstapels (101) verteilt angeordnet sind.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (100) comprises a large number of status sensors (103) which are arranged at equal distances from one another in a cathode inlet of the fuel cell stack (101) over a height of the fuel cell stack (101). are. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, die Konzentration von dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Reaktionsgasen in Abhängigkeit eines kleinsten Zustandswerts oder eines größten Zustandswerts von durch den Zustandssensor (105) ermittelten Zustandswerten einzustellen.Fuel cell system (100) after claim 5 , characterized in that the computing unit (105) is configured to adjust the concentration of the fuel cell stack (101) supplied reaction gases depending on a smallest state value or a largest state value of the state sensor (105) determined state values. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, die Konzentration von dem Brennstoffzellenstapel (100) zugeführten Reaktionsgasen alternierend in Abhängigkeit eines kleinsten Zustandswerts und eines größten Zustandswerts von durch den Zustandssensor (103) ermittelten Zustandswerten einzustellen.Fuel cell system (100) after claim 5 , characterized in that the computing unit (105) is configured to alternately adjust the concentration of the fuel cell stack (100) supplied reaction gases depending on a smallest state value and a largest state value of the state sensor (103) determined state values. Betriebsverfahren (200) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Betriebsverfahren (200) umfasst: - Ermitteln (201) von Zustandswerten durch mindestens einen Zustandssensor (103) in einem Brennstoffzellenstapel (101) des Brennstoffzellensystems (100), wobei der mindestens eine Zustandssensor (103) einen Feuchtigkeitssensor und/oder einen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst, und - Einstellen (203) von dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Reaktionsgasen in Abhängigkeit von durch den mindestens einen Zustandssensor (103) ermittelten Zustandswerten eines Zustands in dem Brennstoffzellenstapel (101).Operating method (200) for operating a fuel cell system (100), the operating method (200) comprising: - Determination (201) of status values by at least one status sensor (103) in a fuel cell stack (101) of the fuel cell system (100), wherein the at least one status sensor (103) comprises a moisture sensor and/or a hydrogen concentration sensor, and - Adjusting (203) reaction gases supplied to the fuel cell stack (101) as a function of state values of a state in the fuel cell stack (101) determined by the at least one state sensor (103). Betriebsverfahren (200) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration von dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführten Reaktionsgasen durch Aktivieren eines Umgehungsventils (111) eingestellt wird, dass die Reaktionsgase in einem ersten Zustand durch einen Befeuchter (107) des Brennstoffzellensystems (100) leitet und in einem zweiten Zustand an dem Befeuchter (107) vorbei leitet.Operating procedure (200) according to claim 8 , characterized in that a concentration of the fuel cell stack (101) supplied reaction gases is set by activating a bypass valve (111) that directs the reaction gases in a first state through a humidifier (107) of the fuel cell system (100) and in a second state passes the humidifier (107). Betriebsverfahren (200) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Zellspannungsmoduls Zellspannungen von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (101) ermittelt werden und das Brennstoffzellensystem (100) derart eingestellt wird, dass die Zustandswerte sich in einem vorgegebenen Wertebereich befinden und die Zellspannung maximiert wird.Operating procedure (200) according to claim 8 or 9 , characterized in that cell voltages of fuel cells of the fuel cell stack (101) are determined by means of a cell voltage module and the fuel cell system (100) is adjusted in such a way that the status values are in a predetermined value range and the cell voltage is maximized.
DE102022201227.5A 2022-02-07 2022-02-07 Fuel cell system and operating method for a fuel cell system Pending DE102022201227A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022201227.5A DE102022201227A1 (en) 2022-02-07 2022-02-07 Fuel cell system and operating method for a fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022201227.5A DE102022201227A1 (en) 2022-02-07 2022-02-07 Fuel cell system and operating method for a fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022201227A1 true DE102022201227A1 (en) 2023-08-10

Family

ID=87312720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022201227.5A Pending DE102022201227A1 (en) 2022-02-07 2022-02-07 Fuel cell system and operating method for a fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022201227A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190237784A1 (en) 2013-09-30 2019-08-01 Intelligent Energy Limited Anode bleed control in a fuel cell stack
JP2021128036A (en) 2020-02-13 2021-09-02 株式会社Soken Gas concentration / humidity detector

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190237784A1 (en) 2013-09-30 2019-08-01 Intelligent Energy Limited Anode bleed control in a fuel cell stack
JP2021128036A (en) 2020-02-13 2021-09-02 株式会社Soken Gas concentration / humidity detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008047389B4 (en) A fuel cell system and method for online determination and method for controlling the relative humidity of a reactant stream in a fuel cell stack
DE68907441T2 (en) Regulation of the cathodic flow for fuel cell power plants.
DE112006001940B4 (en) Fuel cell system and device for gas leak detection
DE112006003292B4 (en) Fuel cell system and use of the fuel cell system in a movable object
DE10007973B4 (en) The fuel cell system
DE102008020102A1 (en) Arrangement and method for controlling the humidity in a fuel cell stack
DE102017103517B4 (en) Fuel cell system and method for its control
EP3650832A1 (en) Test chamber for fuel cells and method for controlling
EP2768684B1 (en) Compressor circuit for a pneumatic control device of a motor vehicle
DE112011102019T5 (en) Fuel cell system and control method for a fuel cell system
EP1702842A1 (en) Aircraft comprising a fuel cell
DE112005001278B4 (en) The fuel cell system
DE112008003202T5 (en) Fuel cell system and moving body
DE102019105338A1 (en) The fuel cell system
DE102013200647A1 (en) Correction coefficient setting method for a gas concentration detecting device, gas concentration detecting device and gas sensor
DE102009050224A1 (en) Device and method for controlling an exhaust gas sensor
EP1194970A1 (en) Device and method for determining and/or regulating the temperature of a fuel cell and/or a fuel cell stack
DE102022201227A1 (en) Fuel cell system and operating method for a fuel cell system
DE102021203502A1 (en) Method of operating a fuel conversion system and a fuel conversion system for carrying out such a method
DE60301540T2 (en) Method for controlling the flow rate of the oxidizing agent in a fuel cell system
DE102020215995A1 (en) Fuel cell system with active dosing unit and operating method for operating the fuel cell system
DE4002803A1 (en) IC engine idle speed control appts. - has idle speed normally controlled within set dead-band, whilst during service, speed is controlled manually
WO2019110433A1 (en) Regulation of a controlled variable of a conditioning unit of a reactant of a fuel cell with ascertainment of an actual value of the controlled variable
WO2016116185A1 (en) Method for operating a fuel cell system and a fuel cell system
DE102019101564A1 (en) FUEL CELL SYSTEM

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified