WO2022122741A1 - Method for recognizing clogging within a fuel cell system - Google Patents

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WO2022122741A1
WO2022122741A1 PCT/EP2021/084618 EP2021084618W WO2022122741A1 WO 2022122741 A1 WO2022122741 A1 WO 2022122741A1 EP 2021084618 W EP2021084618 W EP 2021084618W WO 2022122741 A1 WO2022122741 A1 WO 2022122741A1
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Helerson Kemmer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for detecting blockages within a fuel cell system having the features of the preamble of patent claim 1.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cell systems need air and hydrogen for the chemical reaction within the cells. In order to provide the required amount of energy, the fuel cells arranged within a fuel cell system are interconnected to form so-called fuel cell stacks. The waste heat from the cells is dissipated by means of a cooling circuit and released to the environment. The hydrogen required to operate fuel cell systems is usually made available to the systems from high-pressure tanks.
  • the purge strategy of a fuel cell system is usually time-based or model-based, e.g. by integrating the drawn current as an indication of the air that has flowed through the cathode, or the amount of nitrogen that has flowed through the cathode and thus diffused into the anode.
  • the document DE 10 2006 013 699 A1 shows a fuel cell system with a fuel cell and an actuating element actuated by a control unit for discharging residual gas from a fuel flow of the fuel cell. It is characterized in that the control unit includes a control and/or regulation system that takes into account the fuel concentration in the fuel flow.
  • the method according to the invention for detecting blockages within a fuel cell system with the features of the independent claim has the advantage that during a purge process the H2 concentration is measured at an H2 sensor in the exhaust pipe and a blockage is detected depending on the course of the measured H2 concentration can be detected.
  • a blockage can occur, for example, due to icing when starting/operating under freezing conditions or due to age-related narrowing of the purge section including the purge valve.
  • a time-controlled purge strategy, as described in the prior art, remains ineffective in this case, and the stack is irreparably damaged within minutes (possibly even seconds).
  • blockages in the purge section can be detected and countermeasures can be taken, for example by adapting the purge strategy, so that the fuel cell stack is not damaged.
  • the method according to the invention is cost-effective since sensors already installed in the system can be used to detect a blockage, for example due to icing or age-related blockage.
  • An H2 sensor which is used to determine the H2 concentration, is installed as standard in every fuel cell system, since the H2 concentration that is fed into the environment via the exhaust pipe is always measured for safety reasons.
  • the method described avoids insufficient purging, ie a purge process in which after the termination of which nitrogen and water vapor are still present in the recirculation circuit.
  • a possible consequence of this is a subsequent lack of hydrogen and the associated degradation of the cells in the fuel cell stack.
  • a period of time between the opening of a purge valve and the increase in the H2 concentration at the H2 sensor is determined.
  • the duration of a newly commissioned system can be compared with the measured duration and a blockage can be detected on the basis of deviations.
  • the measured duration is compared with a first control value and the purge process is continued normally if the duration is below the first control value of the time.
  • the purge process continues normally by not changing the purge duration and the purge interval.
  • a blockage in the purge line can advantageously be detected if the time period is above the first control value of the time.
  • the purge duration can be increased or the purge interval can be reduced if the H2 concentration increases after a second time control value.
  • the increase in the purge duration or the reduction in the purge interval is adjusted depending on the increase in the H2 concentration or on the gradient of the curve that represents the H2 concentration. If the gradient deviates slightly from the expected value of the gradient, which corresponds to a free/uncontaminated purge section, only a small adjustment of the purge parameters needs to be undertaken. On the other hand, with a large deviation of the gradient from the expected value of the gradient, which corresponds to a free/uncontaminated purge section, a greater adjustment of the purge parameters can be made.
  • a particular advantage is achieved by controlling further actuators for emptying the recirculation circuit if the H2 concentration does not increase after a second time control value. Normally, in the case of a blocked purge line, the fuel cell system has to be switched off in order to avoid damage to the fuel cell stack. A shutdown of the fuel cell system can be avoided by controlling further actuators that are available for emptying the recirculation circuit.
  • the method according to the invention can be used in particular in fuel cell-powered motor vehicles.
  • use in other fuel cell-powered means of transportation, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or in stationary fuel cell-powered objects is also conceivable.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a flow chart of the individual steps of a method according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment and a second exemplary embodiment and
  • FIG 3 shows a measurement which shows the H2 concentration in the recirculation circuit and in the exhaust gas line during a purge process.
  • FIG. 1 shows a schematic topology of a fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the invention with at least one fuel cell stack 101.
  • the at least one fuel cell system 100 has an air path 10, an exhaust gas line 12 and a fuel line 20.
  • the at least one fuel cell stack 101 can be used for mobile Applications with high power requirements, e.g. in trucks, or for stationary applications, e.g. in generators.
  • the air path 10 serves as an air supply line in order to supply air from the environment to a cathode 105 of the fuel cell stack 101 via an inlet 16 .
  • An air sensor 13 can optionally be arranged in the air path 10, which determines the oxygen content of the air.
  • Components which are required for the operation of the fuel cell stack 101 are arranged in the air path 10 .
  • An air compressor 11 and/or a compressor 11 is arranged in the air path 10 and compresses or sucks in the air according to the respective operating conditions of the fuel cell stack 101 . Downstream from the air compressor 11 and/or compressor 11 there can be a humidifier 15 which enriches the air in the air path 10 with a higher concentration of liquid.
  • Air containing oxygen is made available to the fuel cell stack 101 via the air path 10 .
  • the fuel cell system 100 can furthermore have a cooling circuit which is designed to cool the fuel cell stack 101 .
  • the cooling circuit is not shown in FIG. 1 because it is not part of the invention.
  • a high-pressure tank 21 and a shut-off valve 22 are located at the inlet of the fuel line 20. Further components can be arranged in the fuel line 20 in order to supply an anode 103 of the fuel cell stack 101 with fuel as required.
  • various components such as a jet pump 51 operated with the metered fuel or a recirculation pump 52 can be installed.
  • a combination of jet pump 51 and recirculation pump 52 is also possible.
  • the recirculation loop 50 Since the amount of water and nitrogen in the recirculation loop 50 continues to increase over time, the recirculation loop 50 must be flushed from time to time so that the performance of the fuel cell stack 101 does not decrease due to an excessive nitrogen concentration in the fuel line 20 .
  • a purge line 40 is arranged between the recirculation circuit 50 and the exhaust gas line 12 so that the gas mixture can flow from the recirculation circuit 50 into the exhaust gas line 12 .
  • a purge valve 41 is arranged in the purge line 40 and can open and close the connection between the recirculation circuit 50 and the exhaust gas line 12 .
  • the purge valve 41 is usually opened for a short time, so that the gas mixture is routed via the purge line 40 into the exhaust gas line 12 .
  • the exhaust pipe 12 serves to transport exhaust gas into the environment via an outlet 18 .
  • the exhaust gas has a gas mixture with components of the air from the air path 10 and water.
  • the exhaust gas from the exhaust gas line 12 can also contain hydrogen (H2) because parts of the hydrogen from the fuel line 20 can diffuse through the membrane of the fuel cell stack 101 . Furthermore, hydrogen and a gas mixture with nitrogen can get into the exhaust gas line 12 via the purge line 40 .
  • An H2 sensor 45 is arranged in the exhaust gas line 12 and measures the concentration of hydrogen in the exhaust gas, since not too much hydrogen is present the exhaust gas line 12 is allowed to escape into the environment. Furthermore, the formation of an explosive mixture must be avoided.
  • FIG. 2 shows a flow chart of the individual steps of the method according to the invention for detecting blockages within a fuel cell system 100, in particular within the purge line 40, according to a first exemplary embodiment.
  • the H2 concentration is measured at the H2 sensor 45 in the exhaust pipe 12 during a purge process, and a blockage is detected depending on the course of the measured H2 concentration.
  • a purge process is initiated.
  • This purge process can be initiated deliberately, for example when starting fuel cell system 100 at the beginning of a journey or after a specific journey time to check whether fuel cell system 100 is blocked or iced up, and in particular purge line 40 is blocked or iced up.
  • a purge process can also be awaited, which was automatically initiated by the fuel cell system 100, or the method can be used for each purge process, so that it is continuously checked whether there is a blockage.
  • the purge valve 41 is opened and the current power level of the fuel cell stack 101 is kept as constant as possible.
  • step 210 the air mass flow is kept constant. This can be done, for example, by deliberately controlling the air compressor 11 to a fixed performance level.
  • the H2 concentration in the exhaust gas measured during the purge process is measured by the H2 sensor 45 at short time intervals or continuously and stored if necessary.
  • a period of time between the opening of the purge valve 41 and the increase in the H2 concentration at the H2 sensor 45 is determined and a check is made as to whether the period of time is below or above a first control value of the time.
  • the purge process is continued normally in a method step 240 .
  • the purge process continues normally by not changing the purge duration and the purge interval.
  • the purge duration means the opening duration of the purge valve 41 .
  • the purge interval is the time interval between the initiation of two purge processes.
  • step 250 If the period of time is above a first control value of time, in method step 250 a blockage is detected.
  • step 260 it can be checked whether the H2 concentration at the H2 sensor 45 increases after a second control value of time.
  • the purge duration can be increased or the purge interval can be reduced, since the volume flow through the purge line is reduced by the reduced flow cross section.
  • the increase in the purge duration or the reduction in the purge interval can be adjusted depending on the increase in the H2 concentration or depending on the gradient of the measurement curve that describes the increase in the H2 concentration.
  • the gradient of the increase in the H2 concentration is compared with the gradient in the H2 concentration of a fuel cell system 100 without clogging. The stronger the deviation of the two gradients, the more the purge strategy, i.e. the purge duration and/or the purge interval, must be adjusted.
  • the purge line is (almost) completely blocked and in a method step 280 further actuators for emptying the recirculation circuit can be activated.
  • the additional actuators can be an additional drain valve for the recirculation circuit 50 or a drain valve for the recirculation pump 52, for example.
  • FIG. 3 provides the physical background for the inventive method.
  • the dashed line represents the purge process. If the value is 0, the purge valve 41 is closed, if the value is 1, the purge valve 41 is open.
  • the upper solid line A represents the H2 concentration at the H2 sensor 45. No numerical values were given here since only the course of the measured H2 concentrations is required to explain the procedure.
  • Diagram B shown below shows the H2 concentration in the recirculation circuit 50. Here, too, it is not about the explicit measured values, but about the course of the measuring curve.
  • the purge process shown in diagram A "cleans" the recirculation circuit 50 of nitrogen and water vapor. As a result, the H2 concentration in the recirculation circuit 50 increases, as shown in curve B. The purge process is carried out until the H2 concentration in the recirculation circuit 50 has risen to 100%.
  • the purge section is understood to mean a combination of the purge line 40 and a section of the exhaust gas line 12 which is located between the point at which the purge line 40 opens into the exhaust gas line 12 and the H2 sensor 45 .
  • the length of phase 1 changes accordingly.
  • phase 2 the H2 concentration at the H2 sensor 45 increases.
  • the gas can flow from the recirculation circuit 50 through the purge line 40 .
  • phase 1 and phase 2 are additionally highlighted in FIG. 3 by a vertical double line, which is labeled x.

Abstract

Disclosed is a method for recognizing clogging within a fuel cell system (100), the fuel cell system (100) comprising a fuel cell stack (101), an air path (10), an exhaust line (12), and a fuel line (20) with a recirculation loop (50). During a purging process, the H2 concentration is measured on an H2 sensor in the exhaust line (12), and clogging is detected according to the evolution of the measured H2 concentration.

Description

Beschreibung description
Titel title
Verfahren zum Erkennen von Verstopfungen innerhalb eines Brennstoffzellensystems Method for detecting blockages within a fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Verstopfungen innerhalb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. The invention relates to a method for detecting blockages within a fuel cell system having the features of the preamble of patent claim 1.
Stand der Technik State of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Zellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt. Hydrogen-based fuel cell systems are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cell systems need air and hydrogen for the chemical reaction within the cells. In order to provide the required amount of energy, the fuel cells arranged within a fuel cell system are interconnected to form so-called fuel cell stacks. The waste heat from the cells is dissipated by means of a cooling circuit and released to the environment. The hydrogen required to operate fuel cell systems is usually made available to the systems from high-pressure tanks.
Die Purgestrategie eines Brennstoffzellensystems erfolgt meist zeitbasiert oder modelbasiert, z.B. durch Integration des gezogenen Stroms als Indikation der durch die Kathode durchströmten Luft, bzw. der durch die Kathode durchströmten und damit in die Anode diffundierten Stickstoffmenge. The purge strategy of a fuel cell system is usually time-based or model-based, e.g. by integrating the drawn current as an indication of the air that has flowed through the cathode, or the amount of nitrogen that has flowed through the cathode and thus diffused into the anode.
Das Dokument DE 10 2006 013 699 Al zeigt eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle und einem von einer Kontrolleinheit betätigten Stellelement zum Ausbringen von Restgas aus einem Betriebsstoffstrom der Brennstoffzelle. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontrolleinheit eine die Betriebsstoffkonzentration im Betriebsstoffstrom berücksichtigende Steuerung und/oder Regelung umfasst. The document DE 10 2006 013 699 A1 shows a fuel cell system with a fuel cell and an actuating element actuated by a control unit for discharging residual gas from a fuel flow of the fuel cell. It is characterized in that the control unit includes a control and/or regulation system that takes into account the fuel concentration in the fuel flow.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur zum Erkennen von Verstopfungen innerhalb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass während eines Purgevorgangs die H2- Konzentration an einem H2-Sensor in der Abgasleitung gemessen wird und abhängig vom Verlauf der gemessenen H2- Konzentration eine Verstopfung detektiert werden kann. The method according to the invention for detecting blockages within a fuel cell system with the features of the independent claim has the advantage that during a purge process the H2 concentration is measured at an H2 sensor in the exhaust pipe and a blockage is detected depending on the course of the measured H2 concentration can be detected.
Eine Verstopfung kann beispielsweise durch Vereisung beim Start/Betrieb unter Gefrierbedingungen oder durch alterungsbedingten Verengungen der Purgestrecke inkl. Purgeventil geschehen. Eine zeitgesteuerte Purgestrategie, wie im Stand der Technik beschrieben, bleibt in diesem Fall ineffektiv, der Stack wird binnen Minuten (ggf. sogar Sekunden) irreparabel beschädigt. A blockage can occur, for example, due to icing when starting/operating under freezing conditions or due to age-related narrowing of the purge section including the purge valve. A time-controlled purge strategy, as described in the prior art, remains ineffective in this case, and the stack is irreparably damaged within minutes (possibly even seconds).
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Verstopfungen in der Purgestrecke erkannt werden und Gegenmaßnahmen, beispielsweise durch eine Anpassung der Purgestrategie, getroffen werden, so dass es nicht zur einer Beschädigung des Brennstoffzellenstacks kommt. With the method according to the invention, blockages in the purge section can be detected and countermeasures can be taken, for example by adapting the purge strategy, so that the fuel cell stack is not damaged.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig, da auf bereits im System verbaute Sensoren zurückgegriffen werden kann, um eine Verstopfung, beispielsweise durch Vereisung oder altersbedingter Verstopfung, zu erkennen. Ein H2-Sensor, der zur Bestimmung der H2- Konzentration genutzt wird, ist in jedem Brennstoffzellensystem standardmäßig verbaut, da die H2- Konzentration, die über die Abgasleitung in die Umgebung geleitet wird aus Sicherheitsgründen immer gemessen wird. The method according to the invention is cost-effective since sensors already installed in the system can be used to detect a blockage, for example due to icing or age-related blockage. An H2 sensor, which is used to determine the H2 concentration, is installed as standard in every fuel cell system, since the H2 concentration that is fed into the environment via the exhaust pipe is always measured for safety reasons.
Durch das beschriebene Verfahren wird durch die Anpassung der Purgestrategie ein unzureichendes Purgen vermieden, d.h. ein Purgevorgang, bei dem nach dessen Beendigung immer noch Stickstoff und Wasserdampf im Rezirkulationskreis vorhanden ist. Eine mögliche Folge ist hierbei eine nachfolgende Wasserstoffarmut und damit einhergehende Degradation der Zellen im Brennstoffzellenstack. By adapting the purge strategy, the method described avoids insufficient purging, ie a purge process in which after the termination of which nitrogen and water vapor are still present in the recirculation circuit. A possible consequence of this is a subsequent lack of hydrogen and the associated degradation of the cells in the fuel cell stack.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben. Advantageous refinements and developments of the fuel cell system according to the invention are specified in the dependent claims.
Es ist von Vorteil, wenn eine Zeitdauer zwischen dem Öffnen eines Purgeventils und dem Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor bestimmt wird. Die Zeitdauer eines neu in Betrieb genommenen Systems kann mit der gemessenen Zeitdauer verglichen werden und anhand von Abweichungen kann eine Verstopfung detektiert werden. Hierzu wird die gemessene Zeitdauer mit einem ersten Kontrollwert verglichen und der Purgevorgang normal fortgesetzt, wenn die Zeitdauer unterhalb des ersten Kontrollwertes der Zeit liegt. Der Purgevorgang wird normal fortgesetzt, indem die Purgedauer und das Purgeintervall nicht verändert werden. It is advantageous if a period of time between the opening of a purge valve and the increase in the H2 concentration at the H2 sensor is determined. The duration of a newly commissioned system can be compared with the measured duration and a blockage can be detected on the basis of deviations. For this purpose, the measured duration is compared with a first control value and the purge process is continued normally if the duration is below the first control value of the time. The purge process continues normally by not changing the purge duration and the purge interval.
Auf vorteilhafter Weise kann eine Verstopfung in der Purgeleitung detektiert werden, wenn die Zeitdauer oberhalb des ersten Kontrollwertes der Zeit liegt. A blockage in the purge line can advantageously be detected if the time period is above the first control value of the time.
Um bei einer teilweisen Verstopfung ein unzureichendes Purgen und damit eine Degredation der Zellen im Brennstoffzellenstack zu vermeiden, kann die Purgedauer erhöht werden oder das Purgeintervall reduziert werden, wenn die H2- Konzentration nach einem zweiten Kontrollwert der Zeit ansteigt. In order to avoid insufficient purging and thus degradation of the cells in the fuel cell stack in the event of a partial blockage, the purge duration can be increased or the purge interval can be reduced if the H2 concentration increases after a second time control value.
Es ist von Vorteil, wenn die Erhöhung der Purgedauer oder die Reduzierung des Purgeintervalls abhängig vom Anstieg der H2- Konzentration bzw. vom Gradienten der Kurve, die die H2- Konzentration darstellt, angepasst werden. Bei einer geringen Abweichung des Gradienten vom erwarteten Wert de Gradienten, welcher einer freien/unverstofften Purgestrecke entspricht, muss nur eine geringe Anpassung der Purgeparameter vorgenommen werden. Dagegen muss bei einer großen Abweichung des Gradienten vom erwarteten Wert des Gradienten, welcher einer freien/unverstofften Purgestrecke entspricht, eine größere Anpassung der Purgeparameter vorgenommen werden. It is advantageous if the increase in the purge duration or the reduction in the purge interval is adjusted depending on the increase in the H2 concentration or on the gradient of the curve that represents the H2 concentration. If the gradient deviates slightly from the expected value of the gradient, which corresponds to a free/uncontaminated purge section, only a small adjustment of the purge parameters needs to be undertaken. On the other hand, with a large deviation of the gradient from the expected value of the gradient, which corresponds to a free/uncontaminated purge section, a greater adjustment of the purge parameters can be made.
Ein besonderer Vorteil wird durch die Ansteuerung weiterer Aktoren zum Entleeren des Rezirkulationskreises, wenn die H2- Konzentration nach einem zweiten Kontrollwert der Zeit nicht ansteigt, erreicht. Normalerweise muss in dem Fall einer verstopften Purgestrecke das Brennstoffzellensystem abgeschaltet werden, um Schäden am Brennstoffzellenstack zu vermeiden. Durch eine Ansteuerung weiterer Aktoren, die zum Entleeren des Rezirkulationskreises zur Verfügung stehen, kann eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems vermieden werden. A particular advantage is achieved by controlling further actuators for emptying the recirculation circuit if the H2 concentration does not increase after a second time control value. Normally, in the case of a blocked purge line, the fuel cell system has to be switched off in order to avoid damage to the fuel cell stack. A shutdown of the fuel cell system can be avoided by controlling further actuators that are available for emptying the recirculation circuit.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar. The method according to the invention can be used in particular in fuel cell-powered motor vehicles. However, use in other fuel cell-powered means of transportation, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or in stationary fuel cell-powered objects is also conceivable.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a first exemplary embodiment,
Fig. 2 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und zweiten Ausführungsbeispiel und 2 shows a flow chart of the individual steps of a method according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment and a second exemplary embodiment and
Fig. 3 eine Messung, welche die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis und in der Abgasleitung während eines Purgevorganges darstellt. 3 shows a measurement which shows the H2 concentration in the recirculation circuit and in the exhaust gas line during a purge process.
In der Figur 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem 100 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW’s, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden. FIG. 1 shows a schematic topology of a fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the invention with at least one fuel cell stack 101. The at least one fuel cell system 100 has an air path 10, an exhaust gas line 12 and a fuel line 20. The at least one fuel cell stack 101 can be used for mobile Applications with high power requirements, e.g. in trucks, or for stationary applications, e.g. in generators.
Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. Es kann optional ein Luftsensor 13 im Luftpfad 10 angeordnet sein, welcher den Sauerstoffgehalt der Luft bestimmt. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Befeuchter 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 mit einer höheren Flüssigkeitskonzentration anreichert. The air path 10 serves as an air supply line in order to supply air from the environment to a cathode 105 of the fuel cell stack 101 via an inlet 16 . An air sensor 13 can optionally be arranged in the air path 10, which determines the oxygen content of the air. Components which are required for the operation of the fuel cell stack 101 are arranged in the air path 10 . An air compressor 11 and/or a compressor 11 is arranged in the air path 10 and compresses or sucks in the air according to the respective operating conditions of the fuel cell stack 101 . Downstream from the air compressor 11 and/or compressor 11 there can be a humidifier 15 which enriches the air in the air path 10 with a higher concentration of liquid.
Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt. Additional components such as a filter and/or a heat exchanger and/or valves can also be provided within the air path 10 . Air containing oxygen is made available to the fuel cell stack 101 via the air path 10 .
Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der Figur 1 nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist. The fuel cell system 100 can furthermore have a cooling circuit which is designed to cool the fuel cell stack 101 . The cooling circuit is not shown in FIG. 1 because it is not part of the invention.
Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen. A high-pressure tank 21 and a shut-off valve 22 are located at the inlet of the fuel line 20. Further components can be arranged in the fuel line 20 in order to supply an anode 103 of the fuel cell stack 101 with fuel as required.
Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt. In order to always supply the fuel cell stack 101 with sufficient fuel, there is a need for over-stoichiometric dosing of fuel via the fuel line 20. The excess fuel, as well as certain amounts of water and nitrogen, which diffuse through the cell membranes to the anode side, are fed into a recirculation circuit 50 recycled and mixed with the metered fuel from the fuel line 20.
Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder eine Rezirkulationspumpe 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Rezirkulationspumpe 52 sind möglich. To drive the flow in the recirculation circuit 50, various components such as a jet pump 51 operated with the metered fuel or a recirculation pump 52 can be installed. A combination of jet pump 51 and recirculation pump 52 is also possible.
Da die Menge an Wasser und Stickstoff im Rezirkulationskreis 50 mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, so dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Stickstoffkonzentration in der Brennstoffleitung 20 nicht abnimmt. Since the amount of water and nitrogen in the recirculation loop 50 continues to increase over time, the recirculation loop 50 must be flushed from time to time so that the performance of the fuel cell stack 101 does not decrease due to an excessive nitrogen concentration in the fuel line 20 .
Es ist eine Purgeleitung 40 zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 angeordnet, so dass das Gasgemisch aus dem Rezirkulationskreis 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann. A purge line 40 is arranged between the recirculation circuit 50 and the exhaust gas line 12 so that the gas mixture can flow from the recirculation circuit 50 into the exhaust gas line 12 .
In der Purgeleitung 40 ist ein Purgeventil 41 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Rezirkulationskreis 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purgeventil 41 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Gasgemisch über die Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird. A purge valve 41 is arranged in the purge line 40 and can open and close the connection between the recirculation circuit 50 and the exhaust gas line 12 . The purge valve 41 is usually opened for a short time, so that the gas mixture is routed via the purge line 40 into the exhaust gas line 12 .
Die Abgasleitung 12 dient dazu Abgas über einen Auslass 18 in die Umgebung zu transportieren. Das Abgas weist ein Gasgemisch mit Bestandteilen der Luft aus dem Luftpfad 10 und Wasser auf. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes aus der Brennstoffleitung 20 durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Des Weiteren können über die Purgeleitung 40 Wasserstoff und ein Gasgemisch mit Stickstoff in die Abgasleitung 12 gelangen. The exhaust pipe 12 serves to transport exhaust gas into the environment via an outlet 18 . The exhaust gas has a gas mixture with components of the air from the air path 10 and water. The exhaust gas from the exhaust gas line 12 can also contain hydrogen (H2) because parts of the hydrogen from the fuel line 20 can diffuse through the membrane of the fuel cell stack 101 . Furthermore, hydrogen and a gas mixture with nitrogen can get into the exhaust gas line 12 via the purge line 40 .
In der Abgasleitung 12 ist ein H2-Sensor 45 angeordnet, welcher die Konzentration von Wasserstoff im Abgas misst, da nicht zu viel Wasserstoff über die Abgasleitung 12 in die Umgebung gelangen darf. Des Weiteren muss die Bildung eines explosionsfähigen Gemisches vermieden werden. An H2 sensor 45 is arranged in the exhaust gas line 12 and measures the concentration of hydrogen in the exhaust gas, since not too much hydrogen is present the exhaust gas line 12 is allowed to escape into the environment. Furthermore, the formation of an explosive mixture must be avoided.
Fig. 2 zeigt ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen von Verstopfungen innerhalb eines Brennstoffzellensystems 100, insbesondere innerhalb der Purgeleitung 40, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 2 shows a flow chart of the individual steps of the method according to the invention for detecting blockages within a fuel cell system 100, in particular within the purge line 40, according to a first exemplary embodiment.
In dem Verfahren wird während eines Purgvorgangs die H2- Konzentration an dem H2-Sensor 45 in der Abgasleitung 12 gemessen und abhängig vom Verlauf der gemessenen H2- Konzentration eine Verstopfung detektiert. In the method, the H2 concentration is measured at the H2 sensor 45 in the exhaust pipe 12 during a purge process, and a blockage is detected depending on the course of the measured H2 concentration.
In einem Verfahrensschritt 200 wird der Purgevorgang eingeleitet. Dieser Purgevorgang kann bewusst eingeleitet werden, um beispielsweise beim Start des Brennstoffzellensystems 100 am Anfang einer Fahrt oder nach einer bestimmten Fahrtzeit zu überprüfen, ob eine Verstopfung oder Vereisung des Brennstoffzellensystems 100 und insbesondere eine Verstopfung oder Vereisung der Purgeleitung 40 vorliegt. Alternativ kann auch ein Purgevorgang abgewartet werden, welcher vom Brennstoffzellensystem 100 automatisch eingeleitet wurde oder das Verfahren bei jedem Purgevorgang angewendet werden, so dass kontinuierlich überprüft wird, ob eine Verstopfung vorliegt. In a method step 200, the purge process is initiated. This purge process can be initiated deliberately, for example when starting fuel cell system 100 at the beginning of a journey or after a specific journey time to check whether fuel cell system 100 is blocked or iced up, and in particular purge line 40 is blocked or iced up. Alternatively, a purge process can also be awaited, which was automatically initiated by the fuel cell system 100, or the method can be used for each purge process, so that it is continuously checked whether there is a blockage.
Zum Einleiten des Purgevorganges wird das Purgeventil 41 geöffnet und die aktuelle Leistungsstufe des Brennstoffzellenstacks 101 möglichst konstant gehalten. To initiate the purge process, the purge valve 41 is opened and the current power level of the fuel cell stack 101 is kept as constant as possible.
In einem optionalen Verfahrensschritt 210 wird der Luftmassenstrom konstant gehalten. Dies kann beispielsweise durch eine bewusste Regelung des Luftverdichters 11 auf ein festes Leistungsniveau erfolgen. In an optional method step 210, the air mass flow is kept constant. This can be done, for example, by deliberately controlling the air compressor 11 to a fixed performance level.
Im Verfahrensschritt 220 wird die während des Purgevorganges gemessene H2- Konzentration im Abgas durch den H2-Sensor 45 in kurzen zeitlichen Abständen oder kontinuierlich gemessen und gegebenenfalls gespeichert. Im Verfahrensschritt 230 wird eine Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Purgeventils 41 und dem Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45 bestimmt und überprüft, ob die Zeitdauer unterhalb oder oberhalb eines ersten Kontrollwertes der Zeit liegt. In method step 220, the H2 concentration in the exhaust gas measured during the purge process is measured by the H2 sensor 45 at short time intervals or continuously and stored if necessary. In method step 230, a period of time between the opening of the purge valve 41 and the increase in the H2 concentration at the H2 sensor 45 is determined and a check is made as to whether the period of time is below or above a first control value of the time.
Wenn die Zeitdauer unterhalb eines ersten Kontrollwertes der Zeit liegt, wird der Purgevorgang in einem Verfahrensschritt 240 normal fortgesetzt. Der Purgevorgang wird normal fortgesetzt, indem die Purgedauer und das Purgeintervall nicht verändert werden. If the period of time is below a first control value of the time, the purge process is continued normally in a method step 240 . The purge process continues normally by not changing the purge duration and the purge interval.
Unter der Purgedauer ist die Öffnungsdauer des Purgeventils 41 zu verstehen. Unter dem Purgeintervall ist der zeitliche Abstand zwischen dem Einleiten zweier Purgevorgänge zu verstehen. The purge duration means the opening duration of the purge valve 41 . The purge interval is the time interval between the initiation of two purge processes.
Wenn die Zeitdauer oberhalb eines ersten Kontrollwertes der Zeit liegt, wird im Verfahrensschritt 250 eine Verstopfung detektiert. If the period of time is above a first control value of time, in method step 250 a blockage is detected.
In einem optionalen Verfahrensschritt 260 kann überprüft werden, ob die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 nach einen zweiten Kontrollwert der Zeit ansteigt. In an optional method step 260 it can be checked whether the H2 concentration at the H2 sensor 45 increases after a second control value of time.
Steigt die H2- Konzentration nach einen zweiten Kontrollwert der Zeit an, so liegt nur eine partielle Verstopfung vor, da weiterhin Wasserstoff durch die Purgeleitung 40 gelangt. If the H2 concentration increases after a second control value over time, then there is only a partial blockage, since hydrogen continues to pass through the purge line 40 .
In einem Verfahrensschritt 270 kann die Purgedauer erhöht werden oder das Purgeintervall reduziert werden, da durch den reduzierten Strömungsquerschnitt der Volumenstrom durch die Purgeleitung reduziert wird. Die Erhöhung der Purgedauer oder die Reduzierung des Purgeintervalls kann abhängig von Anstieg der H2- Konzentration bzw. abhängig vom Gradienten der Messkurve, welche den Anstieg der H2- Konzentration beschreibt, angepasst werden. Hierbei wird der Gradient des Anstiegs der H2- Konzentration mit dem Gradienten der H2-Konzentration eines Brennstoffzellensystems 100 ohne Verstopfung verglichen. Je stärker die Abweichung der beiden Gradienten ist, desto mehr muss die Purgestrategie, also die Purgedauer und/oder das Purgeintervall, angepasst werden. In a method step 270, the purge duration can be increased or the purge interval can be reduced, since the volume flow through the purge line is reduced by the reduced flow cross section. The increase in the purge duration or the reduction in the purge interval can be adjusted depending on the increase in the H2 concentration or depending on the gradient of the measurement curve that describes the increase in the H2 concentration. Here, the gradient of the increase in the H2 concentration is compared with the gradient in the H2 concentration of a fuel cell system 100 without clogging. The stronger the deviation of the two gradients, the more the purge strategy, i.e. the purge duration and/or the purge interval, must be adjusted.
Steigt die H2- Konzentration bis zu einen zweiten Kontrollwert der Zeit nicht an, so kann von einer (fast) vollständigen Verstopfung der Purgeleitung ausgegangen werden und in einem Verfahrensschritt 280 weitere Aktoren zum Entleeren des Rezirkulationskreises angesteuert werden. Die Weiteren Aktoren können beispielsweise ein zusätzliches Drain-Ventil für den Rezirkulationskreis 50 oder ein Drain-Ventil für die Rezirkulationspumpe 52 sein. If the H2 concentration does not increase by a second control value of the time, it can be assumed that the purge line is (almost) completely blocked and in a method step 280 further actuators for emptying the recirculation circuit can be activated. The additional actuators can be an additional drain valve for the recirculation circuit 50 or a drain valve for the recirculation pump 52, for example.
In Figur 3 ist eine Messung dargestellt, welche den physikalischen Hintergrund zum erfinderischen Verfahren liefert. A measurement is shown in FIG. 3, which provides the physical background for the inventive method.
Im Diagramm stellt die gestrichelte Linie den Purgevorgang dar. Bei dem Wert 0 ist das Purgeventil 41 geschlossen, bei dem Wert 1 ist das Purgeventil 41 geöffnet. In the diagram, the dashed line represents the purge process. If the value is 0, the purge valve 41 is closed, if the value is 1, the purge valve 41 is open.
Im Diagramm obere durchgezogenen Linie A die H2- Konzentration am H2- Sensor 45 dar. Hier wurden keine Zahlenwerte angegeben, da nur der Verlauf der gemessenen H2- Konzentrationen zur Erläuterung des Vorgehens benötigt wird. In the diagram, the upper solid line A represents the H2 concentration at the H2 sensor 45. No numerical values were given here since only the course of the measured H2 concentrations is required to explain the procedure.
Im unten dargestellten Diagramm B ist die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 dargestellt, auch hier geht es nicht um die expliziten Messwerte, sondern um den Verlauf der Messkurve. Diagram B shown below shows the H2 concentration in the recirculation circuit 50. Here, too, it is not about the explicit measured values, but about the course of the measuring curve.
Durch den im Diagramm A dargestellten Purgevorgang wird der Rezirkulationskreis 50 von Stickstoff und Wasserdampf „gereinigt“. Dadurch steigt die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 an, wie in der Kurve B dargestellt ist. Der Purgevorgang wird so lange durchgeführt bis die H2- Konzentration im Rezirkulationskreis 50 auf 100% angestiegen ist. The purge process shown in diagram A "cleans" the recirculation circuit 50 of nitrogen and water vapor. As a result, the H2 concentration in the recirculation circuit 50 increases, as shown in curve B. The purge process is carried out until the H2 concentration in the recirculation circuit 50 has risen to 100%.
Während des Purgevorganges sind folgende Phasen in der Kurve A zu erkennen: During the purge process, the following phases can be seen in curve A:
1. Totzeit: Es erfolgt kein Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45. 2. Befüllung der Purgestrecke: Es erfolgt ein Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor 45. 1. Dead time: There is no increase in the H2 concentration at the H2 sensor 45. 2. Filling of the purge section: The H2 concentration at the H2 sensor 45 increases.
In der Phase 1 erreicht der Wasserstoff den H2-Sensor 45 noch nicht, d.h. die Zeit, H2-Menge, Druckunterschied usw. reichen nicht aus, dass H2-Moküle die Purgestrecke vollständig durchlaufen. Unter der Purgestrecke wird eine Kombination aus der Purgeleitung 40 und einem Abschnitt der Abgasleitung 12, welcher sich zwischen der Einmündung der Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 und dem H2-Sensor 45 befindet, verstanden. In phase 1, the hydrogen has not yet reached the H2 sensor 45, i.e. the time, H2 quantity, pressure difference, etc. are not sufficient for the H2 molecules to completely pass through the purge path. The purge section is understood to mean a combination of the purge line 40 and a section of the exhaust gas line 12 which is located between the point at which the purge line 40 opens into the exhaust gas line 12 and the H2 sensor 45 .
Ändern sich die relevanten Parameter (z.B. Purgeleitungslänge, Druckunterschied, usw.) für die Durchlaufzeit des Wasserstoffes, verändert sich entsprechend die Länge der Phase 1. If the relevant parameters (e.g. purge line length, pressure difference, etc.) change for the throughput time of the hydrogen, the length of phase 1 changes accordingly.
In der Phase 2 steigt die H2- Konzentration am H2-Sensor 45 an. In dieser Phase kann das Gas aus dem Rezirkulationskreis 50 durch die Purgeleitung 40 strömen. In phase 2, the H2 concentration at the H2 sensor 45 increases. In this phase, the gas can flow from the recirculation circuit 50 through the purge line 40 .
Der Übergang zwischen Phase 1 und Phase 2 ist zusätzlich durch einen senkrechten Doppelstrich, welcher mit x bezeichnet ist, in der Figur 3 hervorgehoben. The transition between phase 1 and phase 2 is additionally highlighted in FIG. 3 by a vertical double line, which is labeled x.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Erkennen von Verstopfungen innerhalb eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstack (101), einen Luftpfad (10), eine Abgasleitung (12) und einen Brennstoffleitung (20) mit Rezirkulationskreis (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während des Purgvorgangs die H2- Konzentration an einem H2-Sensor (45) in der Abgasleitung (12) gemessen wird und abhängig vom Verlauf der gemessenen H2- Konzentration eine Verstopfung detektiert werden kann. 1. A method for detecting blockages within a fuel cell system (100), the fuel cell system (100) having a fuel cell stack (101), an air path (10), an exhaust gas line (12) and a fuel line (20) with a recirculation circuit (50), characterized in that during the purge process the H2 concentration is measured at an H2 sensor (45) in the exhaust pipe (12) and a blockage can be detected depending on the course of the measured H2 concentration.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Zeitdauer zwischen dem Öffnen eines Purgeventils (42) und dem Anstieg der H2- Konzentration am H2-Sensor (45) bestimmt wird. 2. The method according to claim 1, wherein a period of time between the opening of a purge valve (42) and the increase in the H2 concentration at the H2 sensor (45) is determined.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Purgevorgang normal fortgesetzt wird, wenn die Zeitdauer unterhalb eines vorgegebenen Kontrollwertes liegt. 3. The method according to claim 2, wherein the purge process is continued normally if the time period is below a predetermined control value.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Purgevorgang normal fortgesetzt wird, indem die Purgedauer und das Purgeintervall nicht verändert werden. 4. The method according to claim 3, wherein the purge process is continued normally by not changing the purge duration and the purge interval.
5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Verstopfung in der Purgeleitung (40) vorliegt, wenn die Zeitdauer oberhalb eines vorgegebenen ersten Kontrollwertes liegt. 5. The method according to claim 2, wherein a blockage in the purge line (40) is present when the period of time is above a predetermined first control value.
6. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Purgedauer erhöht wird oder das Purgeintervall reduziert wird, wenn die H2- Konzentration nach einen zweiten Kontrollwert der Zeit ansteigt. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Erhöhung der Purgedauer oder die Reduzierung des Purgeintervalls abhängig von Anstieg der H2- Konzentration bzw. abhängig vom Gradienten angepasst werden. Verfahren nach Anspruch 6, wobei weitere Aktoren zum Entleeren des Rezirkulationskreises (50) angesteuert werden, wenn die H2- Konzentration nach einem zweiten Kontrollwert der Zeit nicht ansteigt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das Verfahren bei jedem Purgevorgang oder nach vorgegebenen Zeitabständen angewendet wird, um zu überprüfen, ob eine Verstopfung vorliegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren nach dem Start eines Brennstoffzellensystems (100) für einen vorgegebenen Zeitraum angewendet wird, um zu überprüfen, ob eine Verstopfung vorliegt. 6. The method according to claim 6, wherein the purge duration is increased or the purge interval is reduced when the H2 concentration increases after a second control value of time. Method according to Claim 6, in which the increase in the purge duration or the reduction in the purge interval are adapted as a function of the increase in the H2 concentration or as a function of the gradient. Method according to Claim 6, in which further actuators for emptying the recirculation circuit (50) are activated if the H2 concentration does not rise after a second control value of time. Method according to one of the preceding claims, the method being used during each purge process or after predetermined time intervals in order to check whether there is a blockage. Method according to one of the preceding claims, wherein the method is applied after the start-up of a fuel cell system (100) for a predetermined period of time in order to check whether a blockage is present.
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