EP4649537A1 - Kontrollverfahren für die regelung der öffnungsdauer eines ablaufventils eines flüssigkeitsbehälters in einem anodenabgasabschnitt eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Kontrollverfahren für die regelung der öffnungsdauer eines ablaufventils eines flüssigkeitsbehälters in einem anodenabgasabschnitt eines brennstoffzellensystems

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EP4649537A1
EP4649537A1 EP24719042.4A EP24719042A EP4649537A1 EP 4649537 A1 EP4649537 A1 EP 4649537A1 EP 24719042 A EP24719042 A EP 24719042A EP 4649537 A1 EP4649537 A1 EP 4649537A1
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EP
European Patent Office
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anode
drain valve
anode pressure
opening
fuel cell
Prior art date
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Pending
Application number
EP24719042.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Katharina WEINGRILL
David Weingrill
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a control method for controlling an opening duration of a drain valve of a liquid container in an anode exhaust gas section of a fuel cell system, a control device for carrying out such a control method, a computer program product for carrying out such a control method and a fuel cell system with a corresponding control device.
  • the liquid container Because the liquid container has a finite size, it must be emptied at predetermined intervals so that the liquid contained in it can be drained into the environment in the form of the separated water. This process can also be referred to as the drain process. It is also known that, in addition to the discharge process of separated water, a portion of the recirculated anode exhaust gas is released into the environment in order to influence the composition of an anode feed gas in the desired manner and, in particular, to vary the fuel gas content. This process of discharging anode exhaust gas can be referred to as the purge process.
  • the known control methods are based on the fact that when the liquid container reaches a defined maximum fill level, a corresponding drain valve is opened and the liquid is drained. This ensures that the liquid container is essentially completely emptied with the known control methods, i.e. the liquid completely leaves the liquid container. This means that at the end of this draining process, no more liquid flows through the drain valve, at least for a short period of time. At this point, there is no more liquid in the liquid container, but the drain valve is still open. This means that during the remaining opening time of the drain valve, anode exhaust gas flows through the drain valve in gaseous form and escapes into the environment.
  • a disadvantage of known control methods is that the escape of the anode exhaust gas after the liquid container is completely emptied is not taken into account for subsequent purge processes.
  • the fuel cell system With each drain process, i.e. with each opening cycle of the drain valve, the fuel cell system not only loses the liquid from the liquid container in the desired manner, but also anode exhaust gas, which, depending on the operating state, still contains a residual amount of fuel. This loss, which is not taken into account for other control steps, leads to reduced efficiency in the operation of the fuel cell system.
  • a control method serves to control an opening duration of a drain valve of a liquid container in an anode exhaust gas section of a of a fuel cell system.
  • Such a control procedure is characterized by the following steps:
  • a control method according to the invention is based on the fundamental need for liquid which has been separated from the anode exhaust gas into a liquid container and collected there to be drained from this liquid container.
  • the fuel cell system as described later, is also part of the present invention, equipped with a liquid container.
  • This liquid container serves to receive and collect water which is separated in liquid form from the anode exhaust gas.
  • the drain valve can be opened in the manner according to the invention in accordance with the prior art, for example based on a level monitoring in the liquid container. As soon as the drain valve is opened, liquid will pass from the liquid container through the drain valve. Direct drainage to the environment, but also drainage for other post-treatment or use can be provided within the scope of the present invention.
  • the time at which the drain valve is opened defines the start of the opening process of the drain valve and, in the sense of the present invention, the start of the opening period of this drain valve.
  • the anode pressure is recorded at the time the drain valve is opened.
  • the anode pressure is recorded in particular in the anode exhaust gas section, in particular upstream of the drain valve or in particular directly at the anode outlet.
  • an indirect determination for example in the anode feed section, is also conceivable in order to ensure indirect recording or determination of the anode pressure.
  • the anode pressure at the time the drain valve is opened is therefore the current pressure situation that exists in this defined operating situation when the opening duration and thus the opening process of the drain valve begins.
  • this anode pressure recorded at the time the drain valve is opened is used as the basis for an anode pressure reference value.
  • the recorded anode pressure is set directly as the anode pressure reference value.
  • further processing may also be provided, for example the use of the anode pressure supplemented by a safety margin to set the anode pressure reference value.
  • the anode pressure is further monitored for the duration of the drain valve's opening.
  • the anode pressure is used once to set the anode pressure reference value at the start of the opening process and is then preferably continuously monitored.
  • This further monitoring of the anode pressure serves to determine an anode pressure deviation from the set anode pressure reference value, also preferably continuously. In other words, it is now possible to see to what extent the anode pressure changes from the set anode pressure reference value over the opening process. As soon as the anode pressure deviation exceeds a defined deviation limit, this leads to the drain valve being closed again.
  • This closing mechanism by comparison is based on the fact that it can be assumed that the liquid container is empty at the end of the opening process. As soon as the last remaining amount of liquid has been drained from the liquid container through the drain valve, the anode pressure, which is continuously monitored, drops rapidly. This is because there is no longer any remaining liquid in the liquid container to create a pressure blockage against the anode drain. gas section, but rather the anode exhaust gas in the gaseous state begins to escape into the environment through the drain valve at this point in time. This escape leads to the monitored anode pressure falling in comparison to the anode pressure reference value and the anode pressure deviation increasing accordingly. This increase is detected and, by comparing it with the deviation limit value, is used to close the drain valve at this point in time.
  • the pressure itself is not taken into account, but only an output from the pressure controller. This tries to regulate its target value. If a gas phase is detected, the pressure controller adjusts the gas supply to keep the pressure constant.
  • the control method also serves to ensure the primary function of timely emptying of the liquid container.
  • the opening duration is variable, namely as a functional relationship between the anode pressure and a current operating situation of the fuel cell system in the form of the anode pressure reference value.
  • a side advantage may be that the number of necessary openings can be reduced, since only the variable necessary opening time must be used to completely empty the liquid container.
  • feedback of the information on the amount of liquid drained can also be used to adjust the period until the next opening process so that an optimized opening time and/or an optimized period length can be achieved for each opening of the drain valve.
  • the number of opening processes and in particular the duration between the opening processes can be optimized in this way.
  • losses are also further reduced. Since the function is based on the detection of the gas phase, some of the gas always flows out. If the opening processes are optimized, the drain valve can be closed before the function is activated.
  • the deviation limit can be either a fixed specification or a variable design.
  • the deviation limit can be based on the operating situation of the fuel cell system or on the previous fill level of the liquid container.
  • a maximum opening duration is specified in a control method according to the invention, whereby the drain valve is closed when the maximum opening duration is reached.
  • By providing a maximum opening duration it is now ensured that the drain valve is closed even when this maximum opening duration is reached, but the liquid container has not yet been completely emptied and the anode pressure deviation has therefore not yet exceeded the deviation limit value.
  • the maximum opening time is based on at least one an operating parameter of the fuel cell system. Since the maximum opening duration relates in particular to increasing the stability in the operation of the fuel cell system, a variable design can take the actual current operating situation of the fuel cell system into account. In particular, operating parameters such as the current generated by the fuel cell stack, the temperature in the fuel cell stack and/or the different pressures in the fuel cell stack are relevant influencing parameters for a maximum opening duration. Of course, the period, how often or at what time the opening process of the drain valve is started, can also be included in the adjustment of the maximum opening duration.
  • a minimum opening duration is specified in a control method according to the invention, with the drain valve remaining open for at least the minimum opening duration.
  • the anode pressure deviation already exceeds the deviation limit value earlier, so that in this way it is ensured that the drain valve cannot switch unnecessarily quickly, e.g. due to high dynamics, in particular in a way that damages the valve. This can be done in combination with or separately from the use of the maximum opening duration.
  • a discharge amount of liquid is determined during the opening period and/or after the closing of the drain valve on the basis of the opening period. Not only qualitative monitoring and control interventions, but also quantitative control are possible here.
  • a determination can be made as to which volume flow and thus which total amount of liquid was discharged through the drain valve during the opening period.
  • a known volume flow through a known opening geometry of the drain valve is used.
  • additional physical parameters in particular the driving force for the discharge, which for example is a force determined by gravity, can also be used.
  • conditioned discharge function or, based on the anode pressure, a pressurized driving force is used for the discharge function. It is also possible that the discharged and thus determined quantity is compared with the respective quantity of the last opening process, so that a correction of the opening period is possible in order to ensure that the total number of opening processes as well as the period between the individual opening processes can be further optimized for the control process.
  • the anode pressure reference value corresponds exactly to the anode pressure recorded at the time the drain valve is opened. This means that no additional algorithmic processing of the anode pressure is necessary, since this can be set directly and precisely as the anode pressure reference value.
  • the anode pressure is no longer adjusted when the operating situation changes during the opening process, but rather the anode pressure reference value is kept constant throughout the opening process, even when the operating situations of the fuel cell system are different and change.
  • the anode pressure reference value in a control method according to the invention corresponds to the recorded anode pressure at the time the drain valve is opened, plus a safety margin.
  • the recorded anode pressure is used, a safety margin is added and then this combination is set as the anode pressure reference value.
  • expected fluctuations, latencies or measurement inaccuracies can be directly taken into account and, so to speak, compensated in advance and integrated into the anode pressure reference value optimized in this way.
  • the anode pressure reference value is varied over the opening time on the basis of an anode feed pressure in an anode feed section of the fuel cell system. Because the anode pressure is now dependent on the operating state operating state the fuel cell system is in, adjusting the anode pressure reference value can bring advantages if the drain valve is open for longer periods. If, for example, it is detected in the anode feed section via monitoring of an anode feed pressure that the fuel cell system is changing its operating situation, for example with an increased anode feed pressure, it can be assumed that the anode pressure in the area of the anode gas section is also increasing.
  • the anode pressure reference value set at the beginning of the opening of the drain valve no longer matches this changed operating situation of the fuel cell system.
  • the drain valve is closed immediately when the deviation limit is exceeded.
  • An alternative to immediate closure is a defined run-on period, in order to be able to determine a defined gas loss of anode exhaust gas, particularly over this run-on period, as explained later.
  • immediate closure leads to further optimization with regard to the advantage of increased efficiency in the operation of the fuel cell system, since the amount of loss of anode exhaust gas can be reduced to a minimum.
  • a control method determines a run-on period from when the deviation limit is exceeded until the deviation limit is again undershot after the drain valve is closed, whereby a loss of anode exhaust gas through the opened drain valve is determined in particular on the basis of the run-on period determined.
  • a quantitative evaluation of the control method and a corresponding feedback are also possible with regard to the gas phase. integration into the control loop is possible. Because the run-on time is known with regard to the overshoot in the control, i.e. the time until the control step in the form of closing the drain valve takes effect in the form of the deviation limit being undershot, a defined run-on time can be determined.
  • the present invention also relates to a control device for controlling an opening duration of a drain valve of a liquid container in an anode exhaust section of a fuel cell system.
  • a control device for controlling an opening duration of a drain valve of a liquid container in an anode exhaust section of a fuel cell system.
  • Such a control device is characterized in that an opening module is provided for opening the drain valve to drain liquid from the liquid container.
  • a detection module is also provided for detecting the anode pressure in an anode exhaust section at the time the drain valve is opened.
  • an anode pressure reference value is set based on the detected anode pressure.
  • the control device is also equipped with a monitoring module for further monitoring the anode pressure during the opening duration of the drain valve.
  • Using a determination module an anode pressure deviation of the monitored anode pressure from the set anode pressure reference value is determined.
  • a closing module is provided for closing the drain valve when the determined anode pressure deviation exceeds a deviation limit value.
  • the opening module, the detection module, the setting module, the monitoring module, the determination module and/or the closing module are designed in particular for carrying out a control method according to the invention.
  • a control device according to the invention therefore brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a control method according to the invention.
  • the present invention also relates to a computer program product comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to allow the steps of a control method according to the invention to be carried out.
  • a computer program product according to the invention therefore also brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a control method according to the invention.
  • the present invention relates to a fuel cell system for generating electrical power.
  • This fuel cell system has a fuel cell stack with an anode section and a cathode section.
  • the anode section is equipped with an anode feed section for feeding anode feed gas and an anode discharge section for discharging anode exhaust gas.
  • the cathode section is designed with a cathode feed section for feeding cathode feed gas and a cathode discharge section for discharging cathode exhaust gas.
  • Such a fuel cell system is characterized in that a liquid container is arranged in the anode discharge section for collecting separated liquid from the anode exhaust gas with a drain valve for draining the collected liquid.
  • a control device according to the present invention is also arranged there.
  • a fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a control method according to the invention.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 2 shows another embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 3 shows an embodiment of a control device according to the invention
  • FIG. 4 a possible run of a method according to the invention
  • Fig. 5 another possible run of a method according to the invention
  • Fig. 6 shows another possible run of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic of a fuel cell system 100 with a fuel cell stack 110.
  • This fuel cell stack 110 is schematically divided into an anode section 120 and a cathode section 130.
  • Anode supply gas AZG is supplied to the anode section 120 via an anode supply section 122.
  • the anode supply gas AZG here has in particular a defined proportion of fuel, which can now chemically react within the fuel cell stack 110 with cathode supply gas KZG supplied via the cathode supply section 132 in a defined manner to generate electricity.
  • cathode exhaust gas KAG which can be discharged in particular to the environment via the cathode discharge section 134.
  • the resulting anode exhaust gas AAG is led out of the anode section 120 of the fuel cell stack 110 via the anode discharge section 124 and returned via a recirculation section 128.
  • the recirculated anode exhaust gas AAG which can also be referred to as recirculation gas, is loaded with water due to the chemical reaction processes within the fuel cell stack 110. This water can be present in both the liquid and gaseous phases.
  • a water separator (not shown) is provided, which is particularly integrated into the liquid container 140.
  • the liquid container 140 therefore serves at least to receive and collect the liquid F, but in particular also to separate this liquid from the anode exhaust gas AAG in the recirculation section 128.
  • a control device 10 is provided, which can be designed, for example, according to Figure 3.
  • the control device 10 is therefore connected in a signal-communicating manner not only to the drain valve 142, but also to an anode pressure sensor 126.
  • Figure 2 is based on the embodiment of Figure 1 and also shows a similar fuel cell system 100. However, this is supplemented in that a degassing valve 144 for a separate purge process is now provided in the recirculation section 128, here at the end of the water-separating liquid container 140.
  • the control device 10 starts when, for example, the opening module 20 opens the drain valve 142 in response to an external command, for example based on a defined maximum fill level within the liquid container 140.
  • the liquid F can now leave the liquid container 140 via the drain valve 142, for example by means of gravity or the excess pressure in the anode discharge section 124.
  • the anode pressure AP is detected by the detection module 30 via the anode pressure sensor 126. This detected anode pressure AP is passed on to a setting module 40 and set there either directly or with a safety margin as the anode pressure reference value APR.
  • the anode pressure AP is preferably continuously monitored again via the anode pressure sensor 126, now with the aid of the monitoring module 50.
  • the monitoring module 50 then transfers the recorded and continuously monitored anode pressure AP to a determination module 60, which can also continuously determine an anode pressure deviation APA in comparison with the set anode pressure reference value APR.
  • a comparison is now made with the aid of the closing module. of the determined anode pressure deviation APA from an anode pressure deviation limit value AG and a closing command is sent to the drain valve 142 as soon as the anode pressure deviation APA exceeds the predetermined anode pressure limit value.
  • Figure 4 shows a possible progression of the parameters in a control method according to the invention.
  • the time axes are plotted from left to right, with different parameters being considered.
  • the upper diagram shows the progression of the anode pressure AP.
  • the left dashed vertical line represents the start of the opening process and thus the beginning of the opening duration OD.
  • the anode pressure AP recorded exactly at the time of opening is set here without any surcharge as the anode pressure reference value APR, as can be seen in the upper diagram.
  • the anode pressure AP increases slightly and then drops sharply after a certain duration. This respective difference is continuously monitored as the anode pressure deviation APA and is plotted separately in the lower diagram over the same period of time.
  • the anode pressure AP runs just above or just below the anode pressure reference value APR, so that the anode pressure deviation APA also remains essentially constant.
  • APR anode pressure reference value
  • the anode pressure deviation APA becomes significantly larger, it continues to rise so that a deviation limit value AG is exceeded, as can be seen in the diagram below.
  • the point in time at which the deviation limit value AG is exceeded now represents the signal that leads to the closing of the drain valve 142 and thus to the end of the opening period OD.
  • the anode pressure AP rises again and the anode pressure deviation APA falls again accordingly.
  • Figure 5 shows a similar situation to Figure 4, but the anode pressure AP does not drop so far that an anode pressure deviation APA would exceed the deviation limit value AG. Nevertheless, a control method according to the invention closes the drain valve 142 after a defined opening time OD, namely when the maximum opening time of OD-MAX has been reached.
  • a minimum opening time OD-MIN is also specified here, so that in this embodiment of the control method a minimum OD-MIN and a maximum opening time OD-MAX are each specified as a limiting corridor for the control procedure.
  • Figure 6 also shows a further development of a control method according to the invention with regard to several features, which can of course be freely combined with one another.
  • the anode pressure AP prevailing at this opening time is not set directly as the anode pressure reference value APR. Instead, a safety margin is provided and the anode pressure reference value APR is higher by this safety margin than the anode pressure AP recorded at this opening time.
  • the opening duration OD is accordingly shorter than in Figure 4.
  • an overrun time ND is also recorded, namely the period of time remaining after the deviation limit AG has been exceeded and the drain valve 142 has been closed as a result, until the anode pressure deviation APA falls below the deviation limit value AG again.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer (OD) eines Ablaufventils (142) eines Flüssigkeitsbehälters (140) in einem Anodenabgasabschnitt (124) eines Brennstoffzellensystems (100), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: - Öffnen des Ablaufventils (142) zum Ablassen von Flüssigkeit (F) aus dem Flüssigkeitsbehälter (140), - Erfassen des Anodendrucks (AP) im Anodenabgasabschnitt (124) zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142), - Setzen eines Anodendruck-Referenzwertes (APR) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AP), - Weiteres Überwachen des Anodendrucks (AP) während der Öffnungsdauer (OD) des Ablaufventils (142), - Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung (APA) des überwachten Anodendrucks (AP) vom gesetzten Anodendruck-Referenzwert (APR), - Schließen des Ablaufventils (142) wenn die bestimmte Anodendruck-Abweichung (APA) einen Abweichungsgrenzwert (AG) überschreitet.

Description

KONTROLLVERFAHREN FÜR DIE REGELUNG DER ÖFFNUNGSDAUER EINES ABLAUFVENTILS EINES FLÜSSIGKEITSBEHÄLTERS IN EINEM ANODENABGASABSCHNITT EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer Öff- nungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems, eine Kontrollvorrichtung zur Durchführung eines solchen Kontrollverfahrens, ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung eines solchen Kontrollverfahrens sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Kontrollvorrichtung.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme während ihres Betriebs zur Erzeugung von elektrischem Strom unter anderem auch Feuchtigkeit erzeugen. Diese Feuchtigkeit liegt sowohl in gasförmiger als auch in flüssiger Phase vor und wird mit dem Anodenabgas abtransportiert. Dabei ist es notwendig, dass insbesondere bei der Rezirkulation von solchem Anodenabgas das entstandene und kondensierte Wasser abgeschieden wird, um eine Beschädigung, insbesondere durch ein Fluten von Gasleitungen für das Anodenabgas und/oder das Anodenzuführgas, zu vermeiden. Bekannte Brennstoffzellensysteme sind daher mit Wasserabscheidern ausgestattet, welche kondensierte Wassertropfen aus dem Anodenabgas abscheiden und dieses damit trocknen. Das abgeschiedene Wasser aus dem Anodenabgas wird bekannterweise in einem Flüssigkeitsbehälter aufgefangen und dort gesammelt. Dadurch, dass der Flüssigkeitsbehälter eine endliche Größe hat, muss dieser in vorgegebenen Zeitabständen geleert werden, sodass die enthaltene Flüssigkeit in Form des abgeschiedenen Wassers an die Umgebung abgelassen werden. Dieser Vorgang kann auch als Drain-Vorgang bezeichnet werden. Auch bekannt ist es, dass neben dem Ablassvorgang von abgeschiedenem Wasser ein Teil des rezirkulierten Anodenabgases an die Umgebung ausgelassen wird, um die Zusammensetzung eines Anodenzuführgases in gewünschter Weise zu beeinflussen und insbesondere den Brenngasgehalt zu variieren. Dieser Vorgang des Ablassens von Anodenabgas kann als Purge-Vorgang bezeichnet werden.
Die bekannten Kontrollverfahren basieren darauf, dass bei einem definierten maximalen Füllstand des Flüssigkeitsbehälters ein entsprechendes Ablaufventil geöffnet und die Flüssigkeit abgelassen wird. Dabei wird sichergestellt, dass bei den bekannten Kontrollverfahren der Flüssigkeitsbehälter sich im Wesentlichen vollständig leert, also die Flüssigkeit vollständig den Flüssigkeitsbehälter verlässt. Dies führt dazu, dass am Ende dieses Ablassvorgangs zumindest für einen kurzen Zeitraum keine Flüssigkeit mehr durch das Ablaufventil tritt. Zu diesem Zeitpunkt ist keine Flüssigkeit mehr im Flüssigkeitsbehälter enthalten, das Ablaufventil jedoch noch geöffnet. Dies führt dazu, dass über diese Restöffnungszeit des Ablaufventils Anodenabgas in gasförmiger Weise das Ablaufventil durchströmt und in die Umgebung entweicht.
Nachteilhaft bei bekannten Kontrollverfahren ist es, dass das Entweichen des Anodenabgases, nachdem der Flüssigkeitsbehälter vollständig entleert ist, unberücksichtigt für nachfolgende Purge-Vorgänge bleibt. Mit anderen Worten verliert das Brennstoffzellensystem bei jedem Drain-Vorgang, also bei jedem Öffnungszyklus des Ablaufventils, nicht nur in der gewünschten Weise die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter, sondern darüber hinaus auch noch Anodenabgas, welches je nach Betriebszustand noch eine Restmenge an Brennstoff enthält. Dieser für andere Kontrollschritte unberücksichtigte Verlust führt zu einer reduzierten Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die voranstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Verlust an Brennstoff bei Drain-Vorgängen zu reduzieren.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , eine Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 , ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kontra II verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren dient einer Kontrolle einer Öffnungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt ei- nes Brennstoffzellensystems. Ein solches Kontrollverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
- Öffnen des Ablaufventils zum Ablassen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter,
- Erfassen des Anodendrucks im Anodenabgasabschnitt zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils,
- Setzen eines Anodendruck-Referenzwertes auf Basis des erfassten Anodendrucks,
- Weiteres Überwachen des Anodendrucks während der Öffnungsdauer des Ablaufventils,
- Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung des überwachten Anodendrucks vom gesetzten Anodendruck-Referenzwert,
- Schließen des Ablaufventils, wenn die bestimmte Anodendruck- Abweichung einen Abweichungsgrenzwert überschreitet.
Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren basiert auf der grundsätzlichen Notwendigkeit, dass Flüssigkeit, welche aus dem Anodenabgas in einen Flüssigkeitsbehälter abgeschieden und dort gesammelt worden ist, aus diesem Flüssigkeitsbehälter ausgelassen werden soll. Hierfür ist das Brennstoffzellensystem, wie es später beschrieben ebenfalls Teil der vorliegenden Erfindung ist, mit einem Flüssigkeitsbehälter ausgestattet. Dieser Flüssigkeitsbehälter dient dazu, Wasser, welches in flüssiger Form aus dem Anodenabgas abgeschieden wird, aufzunehmen und zu sammeln. Das Öffnen des Ablaufventils kann in erfindungsgemäßer Weise gemäß dem Stand der Technik erfolgen, beispielsweise basierend auf einer Füllstandüberwachung im Flüssigkeitsbehälter. Sobald das Ablaufventil geöffnet wird, wird Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter durch das Ablaufventil hindurchtreten. Dabei kann ein direktes Ablassen an die Umgebung, aber auch ein Ablassen für andere Nachbehandlungen oder Nutzungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein. Mit anderen Worten definiert der Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils den Start des Öff- nungsvorgangs des Ablaufventils und im Sinne der vorliegenden Erfindung den Beginn der Öffnungsdauer dieses Ablaufventils. Sobald das Ablaufventil geöffnet worden ist, wird der Anodendruck zu diesem Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils erfasst. Der Anodendruck wird dabei insbesondere im Anodenabgasabschnitt insbesondere stromaufwärts des Drain-Ventils oder insbesondere unmittelbar beim Anodenausgang erfasst. Jedoch ist auch eine indirekte Bestimmung, beispielsweise im Anodenzuführabschnitt, denkbar, um eine indirekte Erfassung oder Bestimmung des Anodendrucks zu gewährleisten. Der Anodendruck zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils ist also die aktuelle Drucksituation, welche zu dieser definierten Betriebssituation vorliegt, wenn die Öffnungsdauer und damit der Öffnungsvorgang des Ablaufventils beginnt. Da es sich hierbei um die Referenzsituation handelt, welche spezifisch für die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems ist, wird bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren genau dieser zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils erfasste Anodendruck als Basis für einen Anodendruck-Referenzwert verwendet. Im einfachsten Fall wird direkt der erfasste Anodendruck als Anodendruck-Referenzwert gesetzt. Jedoch können auch weitere Verarbeitungen vorgesehen sein, beispielsweise die Verwendung des Anodendrucks ergänzt um einen Sicherheitsaufschlag, um den Anodendruck- Referenzwert zu setzen.
Sobald der Anodendruck-Referenzwert für die spezifische Betriebssituation des Brennstoffzellensystems nun gesetzt ist, erfolgt eine weitere Überwachung des Anodendrucks über die Öffnungsdauer des Ablaufventils hinweg. Mit anderen Worten wird der Anodendruck zum Start des Öffnungsvorgangs einmalig zum Setzen des Anodendruck-Referenzwertes verwendet und anschließend vorzugsweise kontinuierlich weiter überwacht. Diese weitere Überwachung des Anodendrucks dient dazu, eine Anodendruck-Abweichung von dem gesetzten Anodendruck-Referenzwert ebenfalls vorzugsweise kontinuierlich zu bestimmen. Mit anderen Worten wird nun erkennbar, inwieweit der Anodendruck über den Öffnungsvorgang hinweg sich von dem gesetzten Anodendruck-Referenzwert verändert. Sobald die Anodendruck- Abweichung einen definierten Abweichungsgrenzwert überschreitet, führt dies dazu, dass das Ablaufventil wieder geschlossen wird. Dieser Schließmechanismus durch den Vergleich beruht darauf, dass davon ausgegangen werden kann, dass am Ende des Öffnungsvorgangs der Flüssigkeitsbehälter sich im leeren Zustand befindet. Sobald die letzte Restmenge an Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter durch das Ablaufventil abgelassen worden ist, sinkt der Anodendruck, welcher kontinuierlich weiter überwacht wird, rapide ab. Dies beruht darauf, dass nun keine verbleibende Restflüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter mehr eine Druckblockade gegen den Anodenab- gasabschnitt ausbildet, sondern vielmehr nun zu diesem Zeitpunkt das Anodenabgas im gasförmigen Zustand durch das Ablaufventil beginnt in die Umgebung auszutreten. Dieser Austritt führt dazu, dass nun der überwachte Anodendruck im Vergleich zum Anodendruck-Referenzwert absinkt und entsprechend die Anodendruck- Abweichung ansteigen wird. Dieser Anstieg wird erkannt und durch den Vergleich mit dem Abweichungsgrenzwert dazu verwendet, zu diesem Zeitpunkt das Ablaufventil zu schließen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere nicht der Druck selbst in Betracht gezogen, sondern nur eine Ausgabe des Druckcontrollers. Dieser versucht seinen Soll-Wert einzuregeln. Wenn eine Gasphase detektiert wird, regelt der Druckcontroller also die Gaszufuhr nach, um den Druck konstant zu halten.
Erfindungsgemäß dient also das Kontrollverfahren weiter dazu, die primäre Funktion des rechtzeitigen Entleerens des Flüssigkeitsbehälters zu gewährleisten. Im Gegensatz zu den bekannten Kontrollverfahren ist jedoch die Öffnungsdauer variabel ausgebildet, nämlich als funktionaler Zusammenhang zwischen dem Anodendruck und einer aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems in Form des Anodendruck-Referenzwertes. Hier sind zwei wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung gut zu erkennen. Zum einen reagiert der Drain-Vorgang aktiv auf die tatsächliche Betriebssituation im Flüssigkeitsbehälter, also in Abhängigkeit davon, wieviel Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter vorhanden ist und wie lange das Ablaufen bis zum vollständigen Entleeren des Flüssigkeitsbehälters tatsächlich dauert. Zum anderen wird auch die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems berücksichtigt, insbesondere die je nach Betriebssituation variierenden Parameterwerte für den sich einstellenden Anodendruck. Somit kann kostengünstig und einfach und trotzdem flexibel der Drain-Vorgang so variiert werden, dass immer eine maximale Entleerung des Flüssigkeitsbehälters mit einem minimalen Gasaustritt an Anodenabgas kombiniert werden kann.
Im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit fest eingestellten Drain-Vorgängen in Ablassventilen führt dies dazu, dass deutlich weniger Anodenabgas bei jedem Öff- nungsvorgang des Ablaufventils verloren geht und damit die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems im Betrieb bei der Erzeugung elektrischen Stroms deutlich verbessert werden kann. Ein Nebenvorteil kann es sein, dass die Anzahl der notwendigen Öffnungen reduziert werden kann, da immer nur die variable notwendige Öffnungsdauer für die vollständige Entleerung des Flüssigkeitsbehälters verwendet werden muss. Auch kann, wie später noch erläutert wird, eine Rückführung der Information über die abgelassene Menge an Flüssigkeit dazu verwendet werden, die Periode bis zum nächsten Öffnungsvorgang so anzupassen, dass für jedes Öffnen des Ablaufventils eine optimierte Öffnungsdauer und/oder eine optimierte Periodendauer erzielt werden kann. Die Anzahl der Öffnungsvorgänge und insbesondere die Dauer zwischen den Öffnungsvorgängen kann auf diese Weise optimiert werden. Darüber hinaus werden auch Verluste weiter reduziert. Da die Funktion auf der Detektion der Gasphase basiert, strömt nämlich auch immer ein Teil des Gases mit aus. Bei einer Optimierung der Öffnungsvorgänge kann das Ablaufventils schon geschlossen werden bevor die Funktion anspricht.
Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass der Abweichungsgrenzwert sowohl eine feste Vorgabe sein kann als auch eine variable Ausführung darstellen kann. So kann der Abweichungsgrenzwert zum Beispiel in einem funktionalen Zusammenhang auf der Betriebssituation des Brennstoffzellensystems oder aber auf dem vorherigen Füllstand des Flüssigkeitsbehälters basieren.
Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren eine maximale Öffnungsdauer vorgegeben wird, wobei das Ablaufventil geschlossen wird, wenn die maximale Öffnungsdauer erreicht wird. Dies führt zu einer zusätzlichen Bedingung hinsichtlich des Öffnungsvorgangs. So kann beispielsweise hinsichtlich einer Nachbehandlung, aber auch hinsichtlich einer Stabilität des Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems gewünscht sein, dass eine maximale Dauer des Öffnungsvorgangs nicht überschritten wird. Durch das Vorsehen einer maximalen Öffnungsdauer wird nun sichergestellt, dass auch dann das Ablaufventil geschlossen wird, wenn diese maximale Öffnungsdauer erreicht ist, jedoch der Flüssigkeitsbehälter sich noch nicht vollständig entleert hat und er damit die Anodendruck-Abweichung noch nicht den Abweichungsgrenzwert überschritten hat. Damit wird eine zusätzliche Bedingung zur Verfügung gestellt, die die Betriebsstabilität, insbesondere des Brennstoffzellensystems, weiter verbessern kann. In einem solchen Fall kann beispielsweise die Periode bis zur nächsten Öffnung des Ablaufventils aktiv verkürzt werden.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem Kontrollverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz die maximale Öffnungsdauer auf Basis wenigstens ei- nes Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird. Da die maximale Öffnungsdauer sich insbesondere auf eine Erhöhung der Stabilität im Betrieb des Brennstoffzellensystems bezieht, kann hier eine variable Ausgestaltung die tatsächliche aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems in Betracht ziehen. Dabei sind insbesondere Betriebsparameter wie der vom Brennstoffzellenstapel erzeugte Strom, die Temperatur im Brennstoffzellenstapel und/oder die unterschiedlichen Drücke im Brennstoffzellenstapel relevante Einflussparameter auf eine maximale Öffnungsdauer. Selbstverständlich kann auch die Periode, wie häufig beziehungsweise zu welchem Zeitpunkt der Öffnungsvorgang des Ablaufventils gestartet wird, in die Anpassung der maximalen Öffnungsdauer mit einfließen.
Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren eine minimale Öffnungsdauer vorgeben wird, wobei das Ablaufventil mindestens über die minimale Öffnungszeit geöffnet bleibt. Hierbei handelt es sich konträr zur maximalen Öffnungsdauer als Obergrenze um eine Untergrenze, welche eine Mindestöffnungszeit zur Verfügung stellt. Mit anderen Worten wird nun nach einem Öffnen des Ablaufventils dieses Ablaufventil zumindest so lange geöffnet bleiben, bis die minimale Öffnungszeit auch tatsächlich überschritten wird. Dies gilt auch dann, wenn bereits früher die Anodendruck-Abweichung den Abweichungsgrenzwert überschreitet, sodass auf diese Weise sichergestellt wird, dass kein unnötig schnelles Schalten des Ablaufventils z. B. aufgrund von hoher Dynamik, insbesondere in einer das Ventil schädigenden Weise, stattfinden kann. Dies kann kombiniert oder separat von Einsatz der maximalen Öffnungsdauer erfolgen.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren während der Öffnungsdauer und/oder im Anschluss an das Schließen des Ablaufventils auf Basis der Öffnungsdauer eine Ablaufmenge an Flüssigkeit bestimmt wird. Nicht nur eine qualitative Überwachung und Kontrolleingriffe, sondern auch eine quantitative Kontrolle ist hier möglich. So kann auf Basis der gesamten Öffnungsdauer nun, insbesondere auf Basis der bekannten Geometrie des Ablaufventils, eine Bestimmung durchgeführt werden, welcher Volumenstrom und damit welche Gesamtmenge an Flüssigkeit während der Öffnungsdauer durch das Ablaufventil abgelassen worden ist. Dabei wird insbesondere auf einen bekannten Volumenstrom durch eine bekannte Öffnungsgeometrie des Ablaufventils zurückgegriffen. Jedoch können auch zusätzliche physikalische Parameter, insbesondere die Triebkraft für das Ablassen, welche beispielsweise eine durch die Schwerkraft be- dingte Ablassfunktion oder aber auf Basis des Anodendrucks auch eine unter Druck stehende Triebkraft für die Ablassfunktion verwendet. Auch ist es möglich, dass die abgelassene und damit bestimmte Menge mit der jeweiligen Menge des letzten Öff- nungsvorgangs verglichen wird, sodass eine Korrektur der Öffnungsperiode möglich wird, um sicherzustellen, dass die Gesamtanzahl der Öffnungsvorgänge wie auch die Periode zwischen den einzelnen Öffnungsvorgängen für das Kontrollverfahren noch weiter optimiert werden kann.
Darüber hinaus bringt es Vorteile mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren der Anodendruck-Referenzwert exakt dem erfassten Anodendruck zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils entspricht. Darunter ist zu verstehen, dass keine zusätzliche algorithmische Bearbeitung des Anodendrucks mehr notwendig ist, da dieser direkt und exakt als Anodendruck-Referenzwert gesetzt werden kann. Alternativ dazu ist eine variable oder flexible Ausgestaltung des Anodendruck- Referenzwertes, aber auch die nachfolgend noch beschriebene algorithmische Korrelation zum erfassten Anodendruck. Bei einem Festsetzen des Anodendruck-
Referenzwertes wird insbesondere kein Nachführen des Anodendrucks bei veränderter Betriebssituation während des Öffnungsvorgangs mehr durchgeführt, sondern vielmehr der Anodendruck-Referenzwert auch bei unterschiedlichen und sich veränderten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems über den Öffnungsvorgang hinweg kontant gehalten.
Alternativ zum voranstehenden Absatz ist es möglich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren der Anodendruck-Referenzwert dem erfassten Anodendruck zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils mit einem Sicherheitsaufschlag entspricht. Mit anderen Worten wird hier der erfasste Anodendruck verwendet, ein Sicherheitsaufschlag addiert und anschließend diese Kombination als Anodendruck- Referenzwert gesetzt. Dabei können zum Beispiel zu erwartende Schwankungen, Latenzen oder Messungenauigkeiten direkt berücksichtigt und sozusagen vorab kompensiert werden sowie in den auf diese Weise optimierten Anodendruck- Referenzwert integriert werden.
Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren der Anodendruck-Referenzwert über die Öffnungsdauer auf Basis eines Anodenzuführdrucks in einem Anodenzuführabschnitt des Brennstoffzellensystems variiert wird. Dadurch, dass nun der Anodendruck abhängig davon ist, in welchem Be- triebszustand sich das Brennstoffzellensystem befindet, kann bei längeren Öffnungsdauern des Ablaufventils ein Nachführen des Anodendruck-Referenzwertes Vorteile mit sich bringen. Wird beispielsweise im Anodenzuführabschnitt über eine Überwachung eines Anodenzuführdrucks erkannt, dass das Brennstoffzellensystem seine Betriebssituation verändert mit damit zum Beispiel erhöhtem Anodenzuführdruck, so kann entsprechend davon ausgegangen werden, dass sich auch der Anodendruck im Bereich des Anodengasabschnitts damit erhöht. Der zu Beginn des Öffnens des Ablaufventils gesetzte Anodendruck-Referenzwert passt nun nicht mehr zu dieser veränderten Betriebssituation des Brennstoffzellensystems. Durch das Einbeziehen eines sich ändernden Anodenzuführdrucks in ein Nachführen des Anodendruck- Referenzwerts wird sichergestellt, dass auch bei hochdynamischen Lastsituationen mit sich schnell ändernden Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems die Vorteile eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens weiter relevant sind und erzielt werden können.
Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren bei einem Überschreiten des Abweichungsgrenzwertes das Ablaufventil sofort geschlossen wird. Alternativ zu einem sofortigen Verschließen ist auch ein definiertes Nachlaufen, um insbesondere über diese Nachlaufzeit, wie später noch erläutert, eine Bestimmung eines definierten Gasverlust an Anodenabgas bestimmen zu können. Das sofortige Schließen führt jedoch zu einer weiteren Optimierung hinsichtlich des Vorteils der gesteigerten Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems, da die Menge an Verlust hinsichtlich Anodenabgas auf ein Minimum reduziert werden kann.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem Überschreiten des Abweichungsgrenzwertes die Funktion ausgesetzt wird und stattdessen eine Referenzöff- nungsdauer oder eine maximale Öffnungsdauer verwendet wird.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren eine Nachlaufdauer bestimmt wird, von Überschreiten des Abweichungsgrenzwertes bis zum wieder Unterschreiten des Abweichungsgrenzwertes nach dem Schließen des Ablaufventils, wobei insbesondere auf Basis der bestimmten Nachlaufdauer eine Verlustgasmenge an Anodenabgas durch das geöffnete Ablaufventil bestimmt wird. Hier ist gut zu erkennen, wie auch hinsichtlich der Gasphase eine quantitative Auswertung des Kontrollverfahrens und eine entsprechende Rückkopp- lung in die Kontrollschleife möglich wird. Dadurch, dass die Nachlaufdauer bekannt ist hinsichtlich des Überschwingens in der Regelung, also die Dauer bis der Regelungsschritt in Form des Schließens des Ablaufventils seine Wirkung in Form des Unterschreitens des Abweichungsgrenzwertes erzielt, kann eine definierte Nachlaufdauer bestimmt werden. Über die bekannte Geometrie des Ablaufventils ist es nun möglich, auch über diese Nachlaufdauer verloren gegangene Verlustgasmenge an Anodenabgas zu bestimmen, sodass beispielsweise für den nächsten Purge- Vorgang diese berücksichtigt werden kann. Mit anderen Worten wird nicht nur die Verlustgasmenge an Anodenabgas minimiert, sondern auch die tatsächlich entstandene Verlustgasmenge an Anodenabgas bestimmbar. Diese Bestimmung führt dazu, dass die Effizienz noch weiter gesteigert werden kann, da eine Berücksichtigung für die folgenden Purge-Vorgänge möglich ist.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kontrollvorrichtung für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems. Eine solche Kontrollvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Öffnungsmodul zum Öffnen des Ablaufventils zum Ablassen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter vorgesehen ist. Weiter ist ein Erfassungsmodul vorgesehen, zum Erfassen des Anodendrucks in einem Anodenabgasabschnitt zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils. Mithilfe eines Setzmoduls wird ein Anodendruck-Referenzwert gesetzt auf Basis des erfassten Anodendrucks. Die Kontrollvorrichtung ist weiter mit einem Überwachungsmodul ausgestattet zum weiteren Überwachen des Anodendrucks während der Öffnungsdauer des Ablaufventils. Mithilfe eines Bestimmungsmoduls erfolgt ein Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung des überwachten Anodendrucks vom gesetzten Anodendruck-Referenzwertes. Darüber hinaus ist ein Schließmodul vorgesehen zum Schließen des Ablaufventils, wenn die bestimmte Anodendruck-Abweichung einen Abweichungsgrenzwert überschreitet. Das Öffnungsmodul, das Erfassungsmodul, das Setzmodul, das Überwachungsmodul, das Bestimmungsmodul und/oder das Schließmodul sind insbesondere für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens ausgebildet. Damit bringt eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veran- lassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens durchzuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind.
Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem für eine Erzeugung von elektrischem Strom. Dieses Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathoden- abschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt für ein Zuführen von Anodenzuführgas sowie einem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführab- schnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas ausgebildet. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass im Anodenabführabschnitt ein Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist zum Sammeln von abgeschiedener Flüssigkeit aus dem Anodenabgas mit einem Ablassventil zum Ablassen der gesammelten Flüssigkeit. Ebenfalls ist dort eine Kontrollvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren erläutert worden sind.
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. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung,
Fig. 4 ein möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 5 ein weiterer möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 6 ein weiterer möglicher Durchlauf eins erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 110. Dieser Brennstoffzellenstapel 110 ist schematisch unterteilt in einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130. Über einen Anodenzuführabschnitt 122 wird Anodenzuführgas AZG dem Anodenabschnitt 120 zugeführt. Das Anodenzuführgas AZG weist hier insbesondere einen definierten Anteil an Brennstoff auf, welcher innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 nun mit über den Kathodenzuführabschnitt 132 zugeführtem Kathodenzuführgas KZG in definierter Weise unter Erzeugung von Strom chemisch reagieren kann. Dabei entsteht Katho- denabgas KAG, welches über den Kathodenabführabschnitt 134 insbesondere an die Umgebung abgeführt werden kann. Das entstehende Anodenabgas AAG wird über den Anodenabführabschnitt 124 aus dem Anodenabschnitt 120 des Brennstoffzellenstapels 110 hinausgeführt und über einen Rezirkulationsabschnitt 128 zurückgeführt Das rezirkulierte Anodenabgas AAG, welches auch als Rezirkulationsgas bezeichnet werden kann, ist durch die chemischen Reaktionsvorgänge innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 mit Wasser beladen. Dieses Wasser kann sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Phase vorliegen. Um nun zumindest das flüssige Wasser abzuscheiden ist ein Wasserabscheider (nicht dargestellt) vorgesehen, welcher insbesondere in den Flüssigkeitsbehälter 140 integriert ist. Der Flüssigkeitsbehälter 140 dient also zumindest dem Aufnehmen und Sammeln der Flüssigkeit F, insbesondere jedoch auch dem Abscheiden dieser Flüssigkeit aus dem Anodenabgas AAG in dem Rezirkulationsabschnitt 128. Da der Flüssigkeitsbehälter 140 ein endliches Sammelvolumen aufweist, kann die gesammelte Flüssigkeit F über ein Ablassventil 142 hier an die Umgebung abgelassen werden. Um diesen Vorgang, welcher auch als Drain-Vorgang bezeichnet werden kann, zu kontrollieren, ist eine Kontrollvorrichtung 10 vorgesehen, welche zum Beispiel gemäß der Figur 3 ausgebildet sein kann. Als ein Eingangsparameter ist daher die Kontrollvorrichtung 10 hier signalkommunizierend nicht nur mit dem Ablassventil 142, sondern darüber hinaus auch mit einem Anodendruck-Sensor 126 verbunden. Die Figur 2 basiert auf der Ausführungsform der Figur 1 und zeigt ebenfalls ein ähnliches Brennstoffzellensystem 100. Dieses ist jedoch dahingehend ergänzt, dass nun in den Rezirkulationsabschnitt 128, hier am Ende des wasserabscheidenden Flüssigkeitsbehälters 140, auch ein Entgasungsventil 144 für einen durchzuführenden separaten Purge-Vorgang vorgesehen ist. Insbesondere ist es also möglich, über zwei Separate Ventile sowohl den Purge-Vorgang in Form des Entgasungsventils 144 als auch den Drain-Vorgang über das Ablaufventil 142 durchzuführen. Weiter ist bei der Ausführungsform der Figur 2 nun eine indirektere Bestimmung vorgesehen, da nun der Anodendruck-Sensor 126 nicht in den Rezirkulationsabschnitt 128, sondern direkt am Auslass des Brennstoffzellenstapels 110 in den Anodenabführanschnitt 124 integriert ist.
Anhand einer Kontrollvorrichtung 10 der Figur 3 wird nun schematisch der Durchlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Das links und rechts dargestellte Ablassventil 142 ist hier jeweils dasselbe, wobei auf der linken Seite der Figur 3 der Öffnungsvorgang und auf der rechten Seite der Figur 3 der Schließvorgang dargestellt ist.
Gemäß der Figur 3 startet die Kontrollvorrichtung 10 damit, dass zum Beispiel auf externe Vorgabe, beispielsweise auf Basis eines definierten maximalen Füllstandes innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 140, das Öffnungsmodul 20 das Ablassventil 142 öffnet. So kann nun zum Beispiel mittels Schwerkraft oder durch den Überdruck im Anodenabführabschnitt 124 die Flüssigkeit F über das Ablassventil 142 den Flüssigkeitsbehälter 140 verlassen. Zu diesem Zeitpunkt, nämlich exakt zum Zeitpunkt des Öffnens mithilfe des Öffnungsmoduls 20, wird der Anodendruck AP hier über den Anodendruck-Sensor 126 vom Erfassungsmodul 30 erfasst. Dieser erfasste Anodendruck AP wird weitergegeben an ein Setzmodul 40 und dort entweder direkt oder mit einem Sicherheitsaufschlag als Anodendruck-Referenzwert APR gesetzt.
Über den weiteren Öffnungsvorgang erfolgt ein vorzugsweise kontinuierliches Überwachen des Anodendrucks AP wieder über den Anodendruck-Sensor 126 nun mit Hilfe des Überwachungsmoduls 50. Das Überwachungsmodul 50 übergibt den erfassten und kontinuierlich überwachten Anodendruck AP nun an ein Bestimmungsmodul 60, welches im Vergleich mit dem gesetzten Anodendruck-Referenzwert APR eine Anodendruck-Abweichung APA ebenfalls in kontinuierlicher Weise bestimmen kann. Im abschließenden Schritt wird nun mit Hilfe des Schließmoduls ein Vergleich des bestimmten der Anodendruck-Abweichung APA von einem Anodendruck- Abweichungsgrenzwert AG bestimmt und ein Schließbefehl an das Ablassventil 142 gesetzt, sobald die Anodendruck-Abweichung APA den vorgegebenen Anodendruck- Grenzwert überschreitet. Diese Zeitkorrelation ist unterschiedlich und abhängig von der tatsächlichen Betriebsweise des Brennstoffzellensystems und wird insbesondere mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren nochmals näher erläutert.
In der Figur 4 ist ein möglicher Verlauf der Parameter bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren dargestellt. Von links nach rechts sind jeweils die Zeitachsen aufgetragen, wobei unterschiedliche Parameter betrachtet sind. Im oberen Diagramm ist der Verlauf des Anodendrucks AP dargestellt. Die linke gestrichelte senkrechte Linie stellt den Start des Öffnungsvorgangs und damit den Beginn der Öffnungsdauer OD dar. Zu diesem Zeitpunkt wird der exakt zum Öffnungszeitpunkt erfasste Anodendruck AP hier ohne jeglichen Aufschlag als Anodendruck-Referenzwert APR gesetzt, wie dies im oberen Diagramm zu erkennen ist. Über den weiteren Verlauf steigt der Anodendruck AP leicht an und sinkt dann ab einer gewissen Dauer stark ab. Diese jeweilige Differenz wird als Anodendruck-Abweichung APA kontinuierlich überwacht und ist separat im unteren Diagramm über die gleiche Zeitdauer aufgetragen. Über den Beginn der Öffnungsdauer OD verläuft der Anodendruck AP knapp oberhalb beziehungsweise knapp unterhalb des Anodendruck-Referenzwert APR, sodass entsprechend auch die Anodendruck-Abweichung APA im Wesentlichen konstant bleibt. Sobald die Anodendruck-Abweichung APA deutlich größer wird, steigt diese so weiter an, sodass ein Abweichungsgrenzwert AG überschritten wird, wie dies im unteren Diagramm zu erkennen ist. Der Zeitpunkt des Überschreitens des Abweichungsgrenzwertes AG stellt nun das Signal dar, welches zum Schließen des Ablassventils 142 und damit zum Beenden der Öffnungsdauer OD führt. Hier ist gut zu erkennen, dass nach dem Schließen des Ablaufventils 142 der Anodendruck AP wieder ansteigt und entsprechend die Anodendruck-Abweichung APA wieder absinkt.
In der Figur 5 ist eine ähnliche Situation wie in der Figur 4 dargestellt, jedoch sinkt der Anodendruck AP nicht so weit ab, dass eine Anodendruck-Abweichung APA den Abweichungsgrenzwert AG übersteigen würde. Trotzdem schließt ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren nach einer definierten Öffnungsdauer OD nun das Ablassventil 142, nämlich dann, wenn die maximale Öffnungsdauer von OD-MAX erreicht worden ist. Zusätzlich ist hier noch eine Mindestöffnungsdauer OD-MIN angegeben, sodass bei dieser Ausführungsform des Kontrollverfahrens eine minimale OD-MIN und eine maximale Öffnungsdauer OD-MAX jeweils als eingrenzender Korridor für das Kontrollverfahren vorgegeben sind.
Auch die Figur 6 zeigt eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens hinsichtlich mehrerer Merkmale, die selbstverständlich frei untereinander kombiniert werden können. So wird hier nun zu Beginn des Öffnungsvorgangs und damit beim Starten der Öffnungsdauer OD im oberen Diagramm nicht der zu diesem Öff- nungszeitpunkt vorherrschende Anodendruck AP direkt als Anodendruck- Referenzwert APR gesetzt. Vielmehr wird ein Sicherheitsaufschlag vorgesehen und der Anodendruck-Referenzwert APR liegt entsprechend um diesen Sicherheitsaufschlag höher als der zu diesem Öffnungszeitpunkt erfasste Anodendruck AP. Dies führt dazu, dass sich über den gesamten Verlauf auch eine höhere Anodendruck- Abweichung APA einstellt, welche diesen Sicherheitsaufschlag inkludiert und zu einem früheren Zeitpunkt gemäß dem unteren Diagramm in der Figur 6 den Anodengrenzwert AG, im Vergleich zur Figur 4, überschritten wird. Die Öffnungsdauer OD ist dementsprechend kürzer als in der Figur 4.
Darüber hinaus wird bei dieser Ausführungsform zusätzlich noch eine Nachlaufdauer ND erfasst, nämlich der Zeitraum, welcher nach dem Überschreiten der Abweichungsgrenze AG und dem damit einhergehenden Schließen des Ablassventils 142 verbleibenden Zeitdauer bis die Anodendruck-Abweichung APA den Abweichungsgrenzwert AG wieder unterschreitet.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Kontrollvorrichtung
20 Öffnungsmodul
30 Erfassungsmodul
40 Setzmodul
50 Überwachungsmodul
60 Bestimmungsmodul
70 Schließmodul
100 Brennstoffzellensystem
110 Brennstoffzellenstapel
120 Anodenabschnitt
122 Anodenzuführabschnitt
124 Anodenabführabschnitt
126 Anodendruck-Sensor
128 Rezirkulationsabschnitt
130 Kathodenabschnitt
132 Kathodenzuführabschnitt
134 Kathodenabführabschnitt
140 Flüssigkeitsbehälter
142 Ablassventil
144 Entgasungsventil
OD Öffnungsdauer
OD-MAX maximale Öffnungsdauer
OD-MIN minimale Öffnungsdauer
AP Anodendruck
APR Anodendruck-Referenzwert
APA Anodendruck-Abweichung
AG Abweichungsgrenzwert
ND Nachlaufdauer
F Flüssigkeit
AZG Anodenzuführgas
AAG Anodenabgas
KZG Kathodenzuführgas
KAG Kathodenabgas

Claims

Patentansprüche
1 . Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer (OD) eines Ablaufventils (142) eines Flüssigkeitsbehälters (140) in einem Anodenabgasabschnitt (124) eines Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Öffnen des Ablaufventils (142) zum Ablassen von Flüssigkeit (F) aus dem Flüssigkeitsbehälter (140),
- Erfassen des Anodendrucks (AP) im Anodenabgasabschnitt (124) zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142),
- Setzen eines Anodendruck-Referenzwertes (APR) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AP),
- Weiteres Überwachen des Anodendrucks (AP) während der Öffnungsdauer (OD) des Ablaufventils (142),
- Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung (APA) des überwachten Anodendrucks (AP) vom gesetzten Anodendruck-Referenzwert (APR),
- Schließen des Ablaufventils (142) wenn die bestimmte Anodendruck- Abweichung (APA) einen Abweichungsgrenzwert (AG) überschreitet.
2. Kontrollverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Öffnungsdauer (OD-MAX) vorgegeben wird, wobei das Ablaufventil (142) geschlossen wird, wenn die maximale Öffnungsdauer (OD-MAX) erreicht wird.
3. Kontrollverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Öffnungsdauer (OD-MAX) auf Basis wenigstens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems (100) vorgegeben wird.
4. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Öffnungsdauer (OD-MIN) vorgegeben wird, wobei das Ablaufventil (142) mindestens über die minimale Öffnungszeit (OD-MIN) geöffnet bleibt.
5. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Öffnungsdauer (OD) und/oder im Anschluss an das Schließen des Ablaufventils (142) auf Basis der Öffnungsdauer (OD) eine Ablaufmenge an Flüssigkeit (F) bestimmt wird.
6. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendruck-Referenzwert (APR) exakt dem erfassten Anodendruck (AP) zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142) entspricht.
7. Kontrollverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendruck-Referenzwert (APR) dem erfassten Anodendruck (AP) zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142) mit einem Sicherheitsaufschlag entspricht.
8. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendruck-Referenzwert (APR) über die Öffnungsdauer (OD) auf Basis eines Anodenzuführ-Drucks in einem Anodenzuführabschnitt (122) des Brennstoffzellensystems (100) variiert wird.
9. Kontrollverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachlaufdauer (ND) bestimmt wird, von dem Überschreiten des Abweichungsgrenzwerts (AG) bis zum wieder Unterschreiten des Abweichungsgrenzwerts (AG) nach dem Schließen des Ablaufventils (142), wobei insbesondere auf Basis der bestimmten Nachlaufdauer (ND) eine Verlustgasmenge an Anodenabgas (AAG) durch das geöffnete Ablaufventil (142) bestimmt wird.
10. Kontrollvorrichtung (10) für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer (OD) eines Ablaufventils (142) eines Flüssigkeitsbehälters (140) in einem Anodenabgasabschnitt (124) eines Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch ein Öffnungsmodul (20) zum Öffnen des Ablaufventils (142) zum Ablassen von Flüssigkeit (F) aus dem Flüssigkeitsbehälter (140), ein Erfassungsmodul (30) zum Erfassen des Anodendrucks (AP) im Anodenabgasabschnitt (124) zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142), ein Setzmodul (40) zum Setzen eines Anodendruck-Referenzwertes (APR) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AP), ein Überwachungsmodul (50) zum weiteren Überwachen des Anodendrucks (AP) während der Öffnungsdauer (OD) des Ablaufventils (142), ein Bestimmungsmodul (60) zum Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung (APA) des überwachten Anodendrucks (AP) vom gesetzten Anodendruck- Referenzwert (APR) und ein Schließmodul (70) zum Schließen des Ablaufventils (142) wenn die bestimmte Anodendruck-Abweichung (APA) einen Abweichungsgrenzwert (AG) überschreitet, wobei das Öffnungsmodul (20), das Erfassungsmodul (30), das Setzmodul (40), das Überwachungsmodul (50), das Bestimmungsmodul (60) und/oder das Schließmodul (70) insbesondere für eine Ausführung eines der Kontrollverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
1 1 . Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Kontrollverfahrens mit Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
12. Brennstoffzellensystem (100) für die Erzeugung von elektrischem Strom, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (1 10) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), wobei der Anodenabschnitt (120) einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG) aufweist, wobei weiter der Kathodenabschnitt (130) einen Kathodenzu- führabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabführabschnitt (124) ein Flüssigkeitsbehälter (140) angeordnet ist zum Sammeln von abgeschiedener Flüssigkeit (F) aus dem Anodenabgas (AAG) mit einem Ablassventil (142) zum Ablassen der gesammelten Flüssigkeit (F) und eine Kontrollvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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