WO2024017557A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents

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WO2024017557A1
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Jonas BREITINGER
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention is based on a method for operating a fuel cell system, a fuel cell system and a motor vehicle comprising such a fuel cell system.
  • Hydrogen-based fuel cell systems are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times. However, there is still potential for optimization with regard to the efficiency and service life of fuel cell systems.
  • the proton conductivity of the membrane of a fuel cell depends heavily on its water content, so care must be taken to ensure that the humidification is as uniform as possible.
  • the membrane moisture is adjusted by a suitable selection of the operating parameters pressure, mass flow, temperature and humidity of the gases as well as the temperature of the coolant.
  • a high inlet humidity and optimal utilization of the hydrogen can be achieved with a recirculation circuit.
  • the subject matter of the invention is, according to a first aspect, a method with the features of the independent method claim and, according to a second aspect, a fuel cell system with the features of the independent system claim. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.
  • the method according to the invention or the fuel cell system according to the invention serves in particular to compensate for excessive drying out of the membranes of the fuel cells of a fuel cell system in dynamic operation. This not only improves the efficiency and reliability of a fuel cell system, but also the service life of a fuel cell system can be significantly extended.
  • the advantages mentioned are also achieved in particular in a structurally simple and cost-effective manner. Due to the design provided according to the invention, the method according to the invention can also be integrated into existing fuel cell systems in a simple and cost-effective manner.
  • the method according to the invention for operating a fuel cell system includes the steps of acquiring data for determining a change in load of the fuel cell system using a sensor unit, determining a change in load of the fuel cell system using a processing unit based on the acquired data, and activating a device for the targeted adjustment of a water load a membrane of the fuel cell system based on the specific load change of the fuel cell system by means of a control unit.
  • a change in load can be understood to mean, in particular, a change in the power to be provided by the fuel cell system.
  • the load change can be positive, so that higher power is required compared to a previous state, or negative, so that lower power is required.
  • a change in load can occur, for example, when the motor vehicle accelerates or when driving over a hill or the like.
  • the method according to the invention can be used in particular in fuel cell-operated motor vehicles.
  • use in other fuel cell-operated means of transport, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or even in stationary fuel cell-operated objects is also conceivable.
  • the data for determining a load change of the fuel cell system is a current current density of the fuel cell system and/or a current cell voltage of the fuel cell system and/or a current hydrogen mass flow in an anode supply line of the fuel cell system and/or include a current power requirement of the fuel cell system.
  • individual data mentioned can optionally be averaged or weighted before determining a load change in order to guarantee the most accurate and reliable determination of a load change.
  • Fuel cell system liquid water is supplied via the device for targeted adjustment of a water load to a membrane of the fuel cell system.
  • the device for the targeted adjustment of a water loading of the membrane of the fuel cell system can preferably be designed as a valve, for example as a metering valve for the metered supply of water, which is arranged in particular between a supply point of the hydrogen to be supplied and the anode or the anode inlet of an anode.
  • the water supplied via the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system is taken directly from a water tank for storing water .
  • Water can preferably be removed from a recirculation line of the fuel cell system in a stationary state of a fuel cell system and at Need to detect a positive load jump to prevent the membranes of the fuel cells from drying out in the fuel cell system.
  • Fuel cell system water is withdrawn via the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system.
  • the device for the targeted adjustment of a water loading of the membrane of the fuel cell system can preferably be designed as a capacitor for condensing excess water, which can be arranged in particular within the anode supply or recirculation line of the fuel cell system.
  • the load change is evaluated based on the specific load change of the fuel cell system, wherein the evaluation of the Load change preferably takes place with regard to the speed of the load change, with activation of the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system in particular only taking place from a certain speed of a load change.
  • an evaluation can be used to estimate whether it is a slow load change (e.g. > 10 s) or a rapid load change (e.g. ⁇ 10 s).
  • liquid water can be introduced via the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system, preferably until the relative humidity of the anode gas at the anode gas inlet is 90 to 95%.
  • the subject of the invention is a fuel cell system, in particular for carrying out a method described above.
  • the fuel cell system according to the invention comprises an anode path having an anode, an anode gas supply line and an anode gas return line, a cathode path having a cathode, a cathode gas supply line and a cathode gas discharge line, a sensor unit for acquiring data for determining a load change of the fuel cell system, a processing unit for determining a load change of the fuel cell system , a control unit for activating a device for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system and a device for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system.
  • the device for the targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system is designed in the form of a metering valve for supplying water, whereby the Device is preferably arranged between a supply point for supplying hydrogen and the anode adjacent to the anode gas supply line, the anode gas supply line between the supply point for supplying hydrogen and the anode in particular having a tapered pipe diameter.
  • a water separator is provided for separating water, the water separator preferably being arranged within the anode gas return line and in particular with a water tank for storage of the separated water.
  • the device for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system is designed alternatively or cumulatively in the form of the or an additional water separator, which is suitable for removing water from the anode gas when negative load jumps are registered.
  • two devices can be provided for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system, one in the form of a metering valve for supplying water in the event of positive load jumps and one in the form of a water separator for discharging water in the event of negative load jumps.
  • the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system is arranged within the anode gas return line, for example at a branch of the anode gas return line , wherein the device is preferably connected to the water tank via a pump.
  • the stored water can be quickly supplied to the anode gas as needed via the device for targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system.
  • the subject of the invention is a motor vehicle comprising a fuel cell system described above.
  • the motor vehicle according to the invention therefore has the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention or the fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for operating a fuel cell system
  • Fig. 2 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 3 shows a further schematic representation of individual steps of the method according to the invention for operating a fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for operating a fuel cell system 2.
  • the method according to the invention comprises the steps of acquiring 100 data for determining a change in load of the fuel cell system 2 by means of a sensor unit 20, determining 200 a change in load of the fuel cell system 2 by means of a processing unit 22 based on the acquired data and an activation 400 of a device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 based on the specific load change of the fuel cell system 2 by means of a control unit 24.
  • an evaluation 300 of the load change takes place, wherein the evaluation 300 of the load change is preferably carried out with regard to the speed of the load change.
  • the data for determining a load change of the fuel cell system 2 is a current current density of the fuel cell system 2 and/or a current cell voltage of the fuel cell system 2 and/or a current hydrogen mass flow in an anode supply line 12 of the fuel cell system 2 and/or or include a current power requirement of the fuel cell system 2.
  • liquid water is supplied to the fuel cell system 2 via the device 40 for the targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system 2.
  • the water supplied via the device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 can, for example, be taken directly from a water tank 30 for storing water.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system 2 according to the invention according to a first exemplary embodiment.
  • the fuel cell system 2 comprises an anode path having an anode 8, an anode gas supply line 12 and an anode gas return line 16, a cathode path having a cathode 10, a cathode gas supply line 14 and a cathode gas discharge line 18, a sensor unit 20 for detection 100 of data for determining a load change of the fuel cell system 2, a processing unit 22 for determining 200 a load change of the fuel cell system 2, a control unit 24 for activating 300 a device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 and a device 40 for the targeted adjustment of a water loading a membrane of the fuel cell system 2.
  • the sensor unit, processing unit 24 and control unit 26 can be connected to one another and to the device 40 via a control cable or wirelessly.
  • a recirculation blower 34 is provided for returning unused hydrogen within the fuel cell system 2.
  • hydrogen is supplied to the anode gas supply line 12 via the shut-off and metering valve 4 and delivered to the anode 8. Since the hydrogen is supplied to the anode 8 in a superstoichiometric manner for reasons of efficiency and component protection, the unused hydrogen is returned via the anode gas return line 16.
  • the device 40 is presently designed in the form of a metering valve for supplying water, which is arranged between a supply point for supplying hydrogen and the anode 8 adjacent to the anode gas supply line 12 in a branch line 16 'of the anode gas return line 16, with the anode gas supply line 12 between the supply point for supplying hydrogen and the anode 8 has a tapered tube diameter.
  • a water separator 26 for separating water is arranged in the anode gas return line 16, which is connected to a water tank 30 for storing separated water.
  • the device 40 can alternatively or cumulatively be designed in the form of the water separator 26 for removing water from the anode gas supply line in the event of negative load jumps.
  • the device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 is arranged within a branch 16 'of the anode gas return line 16 and is connected to the water tank 30 via a pump 32.
  • a purge valve and a drain valve 38 are also provided to remove nitrogen from the anode gas.
  • FIG. 3 shows a further schematic representation of individual steps of the method according to the invention for operating a fuel cell system 2.
  • the method according to the invention comprises the steps of acquiring 100a of data for determining a change in load of the fuel cell system 2 by means of a sensor unit 20 via monitoring the power requirement and determining 200a of a change in load of the fuel cell system 2 by means of a processing unit 22 Basis of the data collected, in this case in the form of a registration of a requested increase in performance.
  • step 200b no change in load, i.e. in this case no required increase in power, is registered.
  • step 300a if a required power increase is registered according to step 200a, an assessment 300a of the power increase is now carried out with regard to the speed of the required power increase.
  • step 400a the device 40 is activated for targeted adjustment, in this case a water injection, until the moisture of the anode gas at the anode gas inlet is at 90 to 95%, so that according to step 500a, drying out of the anode gas is compensated for by the water injection, which in turn leads to an increase in cell voltage and efficiency and to avoid irreversible damage.
  • a short time e.g. ⁇ 10s
  • step 300a If it is determined in step 300a that there is no increase in performance in a short period of time
  • a water tank 30 is filled according to step 300b.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system (2), said method comprising the steps: acquiring (100) data in order to determine a load change of the fuel cell system (2) by means of a sensor unit (42); determining (200) a load change of the fuel cell system (2) by means of a processing unit (44) on the basis of the acquired data; and activating (400) a device (40) in order to adapt a water charge of a membrane of the fuel cell system (2) in a targeted manner on the basis of the determined load change of the fuel cell system (2) by means of a control unit (46).

Description

Beschreibung Description
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Method for operating a fuel cell system
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, einem Brennstoffzellensystem sowie einem Kraftfahrzeug, umfassend ein solches Brennstoffzellensystem. The present invention is based on a method for operating a fuel cell system, a fuel cell system and a motor vehicle comprising such a fuel cell system.
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. Allerdings gibt es hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen noch Optimierungspotential. Hydrogen-based fuel cell systems are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times. However, there is still potential for optimization with regard to the efficiency and service life of fuel cell systems.
So ist die Protonenleitfähigkeit der Membran einer Brennstoffzelle bspw. stark von ihrem Wassergehalt abhängig, sodass auf eine möglichst gleichmäßige Befeuchtung geachtet werden muss. Im stationären Betrieb wird die Membranfeuchte durch eine geeignete Wahl der Betriebsparameter Druck, Massenstrom, Temperatur und Feuchte der Gase sowie der Temperatur des Kühlmittels eingestellt. Im Anodenkreis kann eine hohe Eintrittsfeuchte und optimale Ausnutzung des Wasserstoffs mit einem Rezirkulationskreis erreicht werden. For example, the proton conductivity of the membrane of a fuel cell depends heavily on its water content, so care must be taken to ensure that the humidification is as uniform as possible. In stationary operation, the membrane moisture is adjusted by a suitable selection of the operating parameters pressure, mass flow, temperature and humidity of the gases as well as the temperature of the coolant. In the anode circuit, a high inlet humidity and optimal utilization of the hydrogen can be achieved with a recirculation circuit.
Jedoch ergeben sich in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug, dynamische Laständerungen, in denen Nicht-Gleichgewichtszustände des Wasserhaushalts auftreten. Wird die Betriebsstrategie jedoch mit stationären Annahmen entwickelt, kann es im dynamischen Betrieb zu Effizienzverlusten bis hin zu irreversibler Schädigung der Brennstoffzellen kommen. So wird die Stromdichte in den Brennstoffzellen im dynamischen Betrieb im Falle eines positiven Lastsprungs deutlich erhöht, wodurch sich auch die Zahl der durch die Membran tretenden Protonen deutlich erhöht. Auf dem Weg von der Anoden- zur Kathodenseite reißen die Protonen Wassermoleküle mit sich (, electro-osmotic drag“ - EOD), wodurch sich die Wasserbeladung der Membran auf der Anodenseite stark verringert. Ein neues Gleichgewicht zwischen EOD und Wasserdiffusion stellt sich erst nach einigen Sekunden ein. However, in a fuel cell system, particularly when used in a motor vehicle, dynamic load changes occur in which non-equilibrium states of the water balance occur. However, if the operating strategy is developed with stationary assumptions, dynamic operation can lead to efficiency losses and even irreversible damage to the fuel cells. In dynamic operation, the current density in the fuel cells is significantly increased in the event of a positive load jump, which also significantly increases the number of protons passing through the membrane. On the way from the anode to the cathode side, the protons drag water molecules with them (electro-osmotic drag - EOD), which greatly reduces the water load on the membrane on the anode side. A new equilibrium between EOD and water diffusion only occurs after a few seconds.
Wird die Stromstärke eines Brennstoffzellensystems also schlagartig erhöht, nimmt durch die plötzliche Entfeuchtung der Membran auf der Anodenseite die Protonenleitfähigkeit stark ab, wodurch wiederum die Membranverluste zunehmen und die Zelleffizienz abnimmt. In Extremfällen kann die Versorgung der Kathoden-Katalysatorschicht mit Protonen so stark beeinträchtigt werden, dass unerwünschte elektrochemische Nebenreaktionen ablaufen, welche die Katalysatorschicht irreversibel schädigen. If the current intensity of a fuel cell system is suddenly increased, the proton conductivity decreases sharply due to the sudden dehumidification of the membrane on the anode side, which in turn increases membrane losses and reduces cell efficiency. In extreme cases, the supply of protons to the cathode catalyst layer can be so severely impaired that undesirable electrochemical side reactions occur, which irreversibly damage the catalyst layer.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie gemäß einem zweiten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. The subject matter of the invention is, according to a first aspect, a method with the features of the independent method claim and, according to a second aspect, a fuel cell system with the features of the independent system claim. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that reference is or can always be made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem dient insbesondere einer Kompensation eines zu starken Austrocknens der Membranen der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems im dynamischen Betrieb. Hierdurch kann nicht nur die Effizienz und Zuverlässigkeit eines Brennstoffzellensystems verbessert werden, sondern auch die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems erheblich verlängert werden. Über die spezifische erfindungsgemäße Ausgestaltung des gegenständlichen Verfahrens bzw. des gegenständlichen Brennstoffzellensystems werden die genannten Vorteile zudem insbesondere auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise erreicht. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf einfache und kostengünstige Weise in bereits bestehende Brennstoffzellensysteme integrierbar. The method according to the invention or the fuel cell system according to the invention serves in particular to compensate for excessive drying out of the membranes of the fuel cells of a fuel cell system in dynamic operation. This not only improves the efficiency and reliability of a fuel cell system, but also the service life of a fuel cell system can be significantly extended. Via the specific inventive design of the subject method or the subject fuel cell system, the advantages mentioned are also achieved in particular in a structurally simple and cost-effective manner. Due to the design provided according to the invention, the method according to the invention can also be integrated into existing fuel cell systems in a simple and cost-effective manner.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfasst hierbei die Schritte eines Erfassens von Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems mittels einer Sensoreinheit, eines Bestimmens einer Laständerung des Brennstoffzellensystems mittels einer Verarbeitungseinheit auf Basis der erfassten Daten sowie eines Aktivierens einer Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems auf Basis der bestimmten Laständerung des Brennstoffzellensystems mittels einer Steuereinheit. The method according to the invention for operating a fuel cell system includes the steps of acquiring data for determining a change in load of the fuel cell system using a sensor unit, determining a change in load of the fuel cell system using a processing unit based on the acquired data, and activating a device for the targeted adjustment of a water load a membrane of the fuel cell system based on the specific load change of the fuel cell system by means of a control unit.
Unter einer Laständerung kann im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Änderung der von dem Brennstoffzellensystem zu erbringenden Leistung verstanden werden. Die Laständerung kann hierbei positiv sein, sodass eine gegenüber einem vorherigen Zustand höhere Leistung erforderlich ist oder auch negativ sein, sodass eine niedrigere Leistung erfordert wird. Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug kann eine Laständerung bspw. bei einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs oder bei dem Überfahren eines Anstiegs oder dergleichen auftreten. In the context of the invention, a change in load can be understood to mean, in particular, a change in the power to be provided by the fuel cell system. The load change can be positive, so that higher power is required compared to a previous state, or negative, so that lower power is required. When using the method according to the invention or when using the fuel cell system according to the invention in a motor vehicle, a change in load can occur, for example, when the motor vehicle accelerates or when driving over a hill or the like.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierbei 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. Im Hinblick auf eine einfache exakte und zuverlässige Bestimmung einer Laständerung kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass die Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems eine aktuelle Stromdichte des Brennstoffzellensystems und/oder eine aktuelle Zellspannung des Brennstoffzellensystems und/oder ein aktueller Wasserstoffmassenstrom in einer Anodenzuführleitung des Brennstoffzellensystems und/oder eine aktuelle Leistungsanforderung des Brennstoffzellensystems umfassen. Es versteht sich, dass wahlweise einzelne der genannten Daten vor einer Bestimmung einer Laständerung gemittelt oder gewichtet werden können, um eine möglichst exakte und zuverlässige Bestimmung einer Laständerung zu garantieren. The method according to the invention can be used in particular in fuel cell-operated motor vehicles. However, use in other fuel cell-operated means of transport, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or even in stationary fuel cell-operated objects is also conceivable. With regard to a simple, exact and reliable determination of a load change, it can be provided according to the invention in particular that the data for determining a load change of the fuel cell system is a current current density of the fuel cell system and/or a current cell voltage of the fuel cell system and/or a current hydrogen mass flow in an anode supply line of the fuel cell system and/or include a current power requirement of the fuel cell system. It goes without saying that individual data mentioned can optionally be averaged or weighted before determining a load change in order to guarantee the most accurate and reliable determination of a load change.
Im Rahmen einer einfachen, schnellen und möglichst zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass bei dem Bestimmen einer Laständerung des Brennstoffzellensystems zwischen einer positiven Laständerung und einer negativen Laständerung unterschieden wird, wobei vorzugsweise bei einem Bestimmen einer positiven Laständerung dem Brennstoffzellensystem flüssiges Wasser über die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems zugeführt wird. Die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung der Membran des Brennstoffzellensystems kann hierbei vorzugsweise als Ventil, bspw. als Dosierventil zur dosierten Zuführung von Wasser ausgebildet sein, die insbesondere zwischen eine Zuführstelle des zuzuführenden Wasserstoffs und der Anode bzw. dem Anodeneingang einer Anode angeordnet ist. As part of a simple, quick and as targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system, it can also be provided that when determining a change in load of the fuel cell system, a distinction is made between a positive change in load and a negative change in load, preferably when determining a positive change in load Fuel cell system liquid water is supplied via the device for targeted adjustment of a water load to a membrane of the fuel cell system. The device for the targeted adjustment of a water loading of the membrane of the fuel cell system can preferably be designed as a valve, for example as a metering valve for the metered supply of water, which is arranged in particular between a supply point of the hydrogen to be supplied and the anode or the anode inlet of an anode.
Um eine Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems besonders schnell und ökonomisch vornehmen zu können, kann es ferner von Vorteil sein, wenn das über die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems zugeführte Wasser direkt aus einem Wassertank zur Speicherung von Wasser entnommen wird. So kann vorzugsweise in einem stationären Zustand eines Brennstoffzellensystems Wasser aus einer Rezirkulationsleitung des Brennstoffzellensystems entnommen werden und bei Bedarf, bei dem Erkennen eines positiven Lastsprungs zur Verhinderung des Austrocknens der Membranen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems zugeführt werden. In order to be able to adapt a water loading of a membrane of the fuel cell system particularly quickly and economically, it can also be advantageous if the water supplied via the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system is taken directly from a water tank for storing water . Water can preferably be removed from a recirculation line of the fuel cell system in a stationary state of a fuel cell system and at Need to detect a positive load jump to prevent the membranes of the fuel cells from drying out in the fuel cell system.
Im Rahmen einer einfachen und möglichst vielseitig anwendbaren zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass bei dem Bestimmen einer Laständerung des Brennstoffzellensystems zwischen einer positiven Laständerung und einer negativen Laständerung unterschieden wird, wobei vorzugsweise bei einem Bestimmen einer negativen Laständerung dem Brennstoffzellensystem Wasser über die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems entzogen wird. Bei einem negativen Lastsprung steigt die relative Feuchte am Anodeneintritt zunächst an, da weniger Wasserstoff zugeführt wird. Dadurch kann es zu einer Beeinträchtigung der Gasdiffusion durch Flüssigwasser in einer Brennstoffzelle bis hin zu einer irreversiblen Beschädigung durch Wasserstoffverarmung kommen. Die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung der Membran des Brennstoffzellensystems kann hierbei vorzugsweise als Kondensator zur Kondensation von überschüssigem Wasser ausgebildet sein, der insbesondere innerhalb der Anodenzufür- bzw. der Rezirkulationsleitung des Brennstoffzellensystems angeordnet sein kann. As part of a simple and as versatile as possible targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system, it can also be provided that when determining a load change of the fuel cell system, a distinction is made between a positive load change and a negative load change, preferably when determining a negative load change Fuel cell system water is withdrawn via the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system. With a negative load jump, the relative humidity at the anode inlet initially increases because less hydrogen is supplied. This can lead to an impairment of gas diffusion through liquid water in a fuel cell or even irreversible damage due to hydrogen depletion. The device for the targeted adjustment of a water loading of the membrane of the fuel cell system can preferably be designed as a capacitor for condensing excess water, which can be arranged in particular within the anode supply or recirculation line of the fuel cell system.
Im Hinblick auf eine möglichst kosten- und ressourcensparende Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner denkbar, dass vor einem Aktivieren der Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems auf Basis der bestimmten Laständerung des Brennstoffzellensystems ein Bewerten der Laständerung erfolgt, wobei das Bewerten der Laständerung vorzugsweise im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Laständerung erfolgt, wobei ein Aktivieren der Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems insbesondere erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit einer Laständerung erfolgt. So kann bspw. mittels einer Bewertung abgeschätzt werden, ob es sich um eine langsame Laständerung (bspw. > 10 s) oder eine schnelle Laständerung (bspw. < 10 s) handelt. Bei einer langsamen Lasterhöhung kann die Entfeuchtung der Anode nämlich bspw. durch die Wasserdiffusion kompensiert werden, sodass eine Wassereinspritzung nicht notwendig ist. Soll die Leistungserhöhung hingegen schnell erfolgen, so kann über die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems flüssiges Wasser eingeführt werden, vorzugsweise bis die relative Feuchtigkeit des Anodengases am Anodengaseintritt 90 bis 95 % beträgt. With a view to making the method according to the invention as cost-effective and resource-saving as possible, it is also conceivable that before activating the device for targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system, the load change is evaluated based on the specific load change of the fuel cell system, wherein the evaluation of the Load change preferably takes place with regard to the speed of the load change, with activation of the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system in particular only taking place from a certain speed of a load change. For example, an evaluation can be used to estimate whether it is a slow load change (e.g. > 10 s) or a rapid load change (e.g. < 10 s). With a slow increase in load, the dehumidification of the anode can be compensated for, for example, by water diffusion so that water injection is not necessary. If, on the other hand, the increase in power is to occur quickly, liquid water can be introduced via the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system, preferably until the relative humidity of the anode gas at the anode gas inlet is 90 to 95%.
Im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass einzelne, mehrere oder alle obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in der vorgeschlagenen Reihenfolge, aber auch abweichend von der vorgeschlagenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Hierbei können einzelne, mehrere oder alle obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere wiederholt, bspw. zyklisch wiederholt ausgeführt werden. Within the scope of the invention it can advantageously be provided that individual, several or all mandatory and/or optional steps of the method according to the invention can be carried out in the suggested order, but also deviating from the suggested order. Here, individual, several or all mandatory and/or optional steps of the method according to the invention can be carried out in particular repeatedly, for example cyclically.
Es versteht sich ferner, dass einzelne, mehrere oder alle der obligatorischen und optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständlich auch durch einen Computer implementiert werden können. It is further understood that individual, several or all of the mandatory and optional steps of the method according to the invention can actually also be implemented by a computer.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Ausführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen Anodenpfad aufweisend eine Anode, eine Anodengaszuführleitung und eine Anodengasrückführleitung, einen Kathodenpfad aufweisend eine Kathode, eine Kathodengaszuführleitung und eine Kathodengasabführleitung, eine Sensoreinheit zur Erfassung von Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems, eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems, eine Steuereinheit zur Aktivierung einer Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems sowie eine Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems. Damit weist das Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. Im Rahmen einer einfachen und kostengünstigen Ausführung zur schnellen und möglichst zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems in Form eines Dosierventils zur Zuführung von Wasser ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung vorzugsweise zwischen einer Zuführstelle zur Zuführung von Wasserstoff und der Anode angrenzend an die Anodengaszuführleitung angeordnet ist, wobei die Anodengaszuführleitung zwischen der Zuführstelle zur Zuführung von Wasserstoff und der Anode insbesondere einen verjüngten Rohrdurchmesser aufweist. Durch eine Reduktion des Leitungsdurchmessers an der Einspritzstelle sinkt durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der statische Druck, sodass Flüssigwasser ohne zusätzliche Pumpe in den Anodenpfad bzw. die Anodenzuführleitung transportiert werden kann. Also the subject of the invention is a fuel cell system, in particular for carrying out a method described above. Here, the fuel cell system according to the invention comprises an anode path having an anode, an anode gas supply line and an anode gas return line, a cathode path having a cathode, a cathode gas supply line and a cathode gas discharge line, a sensor unit for acquiring data for determining a load change of the fuel cell system, a processing unit for determining a load change of the fuel cell system , a control unit for activating a device for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system and a device for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system. The fuel cell system therefore has the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention. As part of a simple and cost-effective embodiment for the rapid and most targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system, it can also be provided that the device for the targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system is designed in the form of a metering valve for supplying water, whereby the Device is preferably arranged between a supply point for supplying hydrogen and the anode adjacent to the anode gas supply line, the anode gas supply line between the supply point for supplying hydrogen and the anode in particular having a tapered pipe diameter. By reducing the line diameter at the injection point, the static pressure drops due to the increased flow velocity, so that liquid water can be transported into the anode path or the anode supply line without an additional pump.
Im Rahmen einer einfachen und kostengünstigen Ausführung zur schnellen und zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass ein Wasserabscheider zur Abscheidung von Wasser vorgesehen ist, wobei der Wasserabscheider vorzugsweise innerhalb der Anodengasrückführleitung angeordnet ist und insbesondere mit einem Wassertank zur Speicherung des abgeschiedenen Wassers verbunden ist. Über die Anordnung eines Wasserabscheiders und eines Wassertanks ist es bspw. möglich, in einem stationären Zustand des Brennstoffzellensystems Wasser über den Wasserabscheider zu kondensieren und in dem Wassertank zu speichern. Vorteilhafterweise kann hierbei vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems alternativ oder kumulativ in Form des oder eines zusätzlichen Wasserabscheiders ausgebildet ist, der zur Abführung von Wasser aus dem Anodengas bei einer Registrierung von negativen Lastsprüngen geeignet ist. Vorzugsweise können zwei Vorrichtungen zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems vorgesehen sein, einer in Form eines Dosierventils zur Zuführung von Wasser bei positiven Lastsprüngen und einer in Form eines Wasserabscheiders zur Abführung von Wasser bei negativen Lastsprüngen. Um eine besonders schnelle und zielgerichtete Zuführung von Wasser zur Verhinderung einer Entfeuchtung der Anode eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, kann ferner vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems innerhalb der Anodengasrückführleitung, bspw. an einer Abzweigung der Anodengasrückführleitung angeordnet ist, wobei die Vorrichtung vorzugsweise über eine Pumpe mit dem Wassertank verbunden ist. Auf diese Weise kann das gespeicherte Wasser schnell bei Bedarf über die Vorrichtung zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems dem Anodengas zugeführt werden. As part of a simple and cost-effective embodiment for quick and targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system, it can also be provided that a water separator is provided for separating water, the water separator preferably being arranged within the anode gas return line and in particular with a water tank for storage of the separated water. By arranging a water separator and a water tank, it is possible, for example, to condense water via the water separator in a stationary state of the fuel cell system and store it in the water tank. Advantageously, it can be provided here that the device for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system is designed alternatively or cumulatively in the form of the or an additional water separator, which is suitable for removing water from the anode gas when negative load jumps are registered. Preferably, two devices can be provided for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system, one in the form of a metering valve for supplying water in the event of positive load jumps and one in the form of a water separator for discharging water in the event of negative load jumps. In order to ensure a particularly rapid and targeted supply of water to prevent dehumidification of the anode of a fuel cell system, it can further be provided that the device for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system is arranged within the anode gas return line, for example at a branch of the anode gas return line , wherein the device is preferably connected to the water tank via a pump. In this way, the stored water can be quickly supplied to the anode gas as needed via the device for targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem. Damit weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Also the subject of the invention is a motor vehicle comprising a fuel cell system described above. The motor vehicle according to the invention therefore has the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention or the fuel cell system according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for operating a fuel cell system,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßenFig. 2 is a schematic representation of an inventive
Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Fuel cell system according to a first exemplary embodiment, Fig. 3 shows a further schematic representation of individual steps of the method according to the invention for operating a fuel cell system.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 2. 1 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for operating a fuel cell system 2.
Wie gemäß Fig. 1 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Erfassens 100 von Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Sensoreinheit 20, eines Bestimmens 200 einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Verarbeitungseinheit 22 auf Basis der erfassten Daten sowie eines Aktivierens 400 einer Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2 auf Basis der bestimmten Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Steuereinheit 24. 1, the method according to the invention comprises the steps of acquiring 100 data for determining a change in load of the fuel cell system 2 by means of a sensor unit 20, determining 200 a change in load of the fuel cell system 2 by means of a processing unit 22 based on the acquired data and an activation 400 of a device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 based on the specific load change of the fuel cell system 2 by means of a control unit 24.
Hierbei ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 2 ferner vorgesehen, dass vor einem Aktivieren 400 der Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2 auf Basis der bestimmten Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 ein Bewerten 300 der Laständerung erfolgt, wobei das Bewerten 300 der Laständerung vorzugsweise im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Laständerung erfolgt. Here, according to the present exemplary embodiment of a method according to the invention for operating a fuel cell system 2, it is further provided that before activation 400 of the device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 based on the specific load change of the fuel cell system 2, an evaluation 300 of the load change takes place, wherein the evaluation 300 of the load change is preferably carried out with regard to the speed of the load change.
Hinsichtlich der Bestimmung einer Laständerung kann zudem vorgesehen sein, dass die Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 eine aktuelle Stromdichte des Brennstoffzellensystems 2 und/oder eine aktuelle Zellspannung des Brennstoffzellensystems 2 und/oder einen aktuellen Wasserstoffmassenstrom in einer Anodenzuführleitung 12 des Brennstoffzellensystems 2 und/oder eine aktuelle Leistungsanforderung des Brennstoffzellensystems 2 umfassen. With regard to the determination of a load change, it can also be provided that the data for determining a load change of the fuel cell system 2 is a current current density of the fuel cell system 2 and/or a current cell voltage of the fuel cell system 2 and/or a current hydrogen mass flow in an anode supply line 12 of the fuel cell system 2 and/or or include a current power requirement of the fuel cell system 2.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei dem Bestimmen 200 einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 zwischen einer positiven Laständerung und einer negativen Laständerung unterschieden wird, wobei vorzugsweise bei einem Bestimmen 200 einer positiven Laständerung dem Brennstoffzellensystem 2 flüssiges Wasser über die Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2 zugeführt wird. Furthermore, it can be provided that when determining 200 a load change of the fuel cell system 2 between a positive load change and a Negative load change is distinguished, preferably when determining 200 a positive load change, liquid water is supplied to the fuel cell system 2 via the device 40 for the targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system 2.
Das über die Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2 zugeführte Wasser kann hierbei bspw. direkt aus einem Wassertank 30 zur Speicherung von Wasser entnommen werden. The water supplied via the device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 can, for example, be taken directly from a water tank 30 for storing water.
Darüber hinaus kann ebenfalls vorgesehen sein, dass bei dem Bestimmen 200 einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 zwischen einer positiven Laständerung und einer negativen Laständerung unterschieden wird, wobei vorzugsweise bei einem Bestimmen 200 einer negativen Laständerung dem Brennstoffzellensystem 2 Wasser über die Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2 entzogen wird. In addition, it can also be provided that when determining 200 a change in load of the fuel cell system 2, a distinction is made between a positive change in load and a negative change in load, preferably when determining 200 a negative change in load, water is supplied to the fuel cell system 2 via the device 40 for the targeted adjustment of a water load a membrane of the fuel cell system 2 is removed.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system 2 according to the invention according to a first exemplary embodiment.
Wie gemäß Fig. 2 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 2 einen Anodenpfad aufweisend eine Anode 8, eine Anodengaszuführleitung 12 und eine Anodengasrückführleitung 16, einen Kathodenpfad aufweisend eine Kathode 10, eine Kathodengaszuführleitung 14 und eine Kathodengasabführleitung 18, eine Sensoreinheit 20 zur Erfassung 100 von Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2, eine Verarbeitungseinheit 22 zur Bestimmung 200 einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2, eine Steuereinheit 24 zur Aktivierung 300 einer Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2 sowie eine Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2. Zur Steuerung können die Sensoreinheit, Verarbeitungseinheit 24 und Steuereinheit 26 über ein Steuerkabel oder drahtlos miteinander und mit der Vorrichtung 40 verbunden sein. 2, the fuel cell system 2 according to the invention comprises an anode path having an anode 8, an anode gas supply line 12 and an anode gas return line 16, a cathode path having a cathode 10, a cathode gas supply line 14 and a cathode gas discharge line 18, a sensor unit 20 for detection 100 of data for determining a load change of the fuel cell system 2, a processing unit 22 for determining 200 a load change of the fuel cell system 2, a control unit 24 for activating 300 a device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 and a device 40 for the targeted adjustment of a water loading a membrane of the fuel cell system 2. For control purposes, the sensor unit, processing unit 24 and control unit 26 can be connected to one another and to the device 40 via a control cable or wirelessly.
Darüber hinaus ist - wie gemäß Fig. 2 erkennbar - ein Rezirkulationsgebläse 34 zur Rückführung von nicht verbrauchtem Wasserstoff innerhalb des Brennstoffzellensystems 2 vorgesehen. In addition - as can be seen from FIG. 2 - a recirculation blower 34 is provided for returning unused hydrogen within the fuel cell system 2.
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 wird der Anodengaszuführleitung 12 Wasserstoff über das Absperr- und Dosierventil 4 zugeführt und an die Anode 8 abgegeben. Da der Wasserstoff der Anode 8 aus Effizienz- und Komponentenschutzgründen überstöchiometrisch zugeführt wird, wird der nicht verbrauchte Wasserstoff über die Anodengasrückführleitung 16 zurückgeführt. During operation of the fuel cell system 2, hydrogen is supplied to the anode gas supply line 12 via the shut-off and metering valve 4 and delivered to the anode 8. Since the hydrogen is supplied to the anode 8 in a superstoichiometric manner for reasons of efficiency and component protection, the unused hydrogen is returned via the anode gas return line 16.
Die Vorrichtung 40 ist vorliegend in Form eines Dosierventils zur Zuführung von Wasser ausgebildet, die zwischen einer Zuführstelle zur Zuführung von Wasserstoff und der Anode 8 angrenzend an die Anodengaszuführleitung 12 in einer Abzweigungsleitung 16‘ der Anodengasrückführleitung 16 angeordnet ist, wobei die Anodengaszuführleitung 12 zwischen der Zuführstelle zur Zuführung von Wasserstoff und der Anode 8 einen verjüngten Rohrdurchmesser aufweist. The device 40 is presently designed in the form of a metering valve for supplying water, which is arranged between a supply point for supplying hydrogen and the anode 8 adjacent to the anode gas supply line 12 in a branch line 16 'of the anode gas return line 16, with the anode gas supply line 12 between the supply point for supplying hydrogen and the anode 8 has a tapered tube diameter.
Ferner ist zu erkennen, dass ein Wasserabscheider 26 zur Abscheidung von Wasser in der Anodengasrückführleitung 16 angeordnet ist, der mit einem Wassertank 30 zur Speicherung von abgeschiedenem Wasser verbunden ist. Wie angedeutet kann die Vorrichtung 40 alternativ oder kumulativ zur Abführung von Wasser aus der Anodengaszuführleitung bei negativen Lastsprüngen auch in Form des Wasserabscheiders 26 ausgebildet sein. Furthermore, it can be seen that a water separator 26 for separating water is arranged in the anode gas return line 16, which is connected to a water tank 30 for storing separated water. As indicated, the device 40 can alternatively or cumulatively be designed in the form of the water separator 26 for removing water from the anode gas supply line in the event of negative load jumps.
Wie vorliegend ebenfalls zu erkennen ist, ist die Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems 2 innerhalb einer Abzweigung 16‘ der Anodengasrückführleitung 16 angeordnet und über eine Pumpe 32 mit dem Wassertank 30 verbunden. Zur Abführung von Stickstoff aus dem Anodengas sind ferner ein Purge-Ventil und ein Drain-Ventil 38 vorgesehen. As can also be seen here, the device 40 for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system 2 is arranged within a branch 16 'of the anode gas return line 16 and is connected to the water tank 30 via a pump 32. A purge valve and a drain valve 38 are also provided to remove nitrogen from the anode gas.
Fig. 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 2. 3 shows a further schematic representation of individual steps of the method according to the invention for operating a fuel cell system 2.
Wie gemäß Fig. 3 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Erfassens 100a von Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Sensoreinheit 20 über eine Überwachung der Leistungsanforderung sowie eines Bestimmens 200a einer Laständerung des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Verarbeitungseinheit 22 auf Basis der erfassten Daten, vorliegend in Form einer Registrierung einer geforderten Leistungserhöhung. 3, the method according to the invention comprises the steps of acquiring 100a of data for determining a change in load of the fuel cell system 2 by means of a sensor unit 20 via monitoring the power requirement and determining 200a of a change in load of the fuel cell system 2 by means of a processing unit 22 Basis of the data collected, in this case in the form of a registration of a requested increase in performance.
Andernfalls ist es ebenfalls möglich, dass gemäß Schritt 200b keine Laständerung, sprich vorliegend keine geforderte Leistungserhöhung registriert wird. Otherwise, it is also possible that according to step 200b no change in load, i.e. in this case no required increase in power, is registered.
Gemäß Schritt 300a erfolgt nun im Falle einer Registrierung einer geforderten Leistungserhöhung gemäß Schritt 200a eine Bewertung 300a der Leistungserhöhung im Hinblick auf die Geschwindigkeit der geforderten Leistungserhöhung. According to step 300a, if a required power increase is registered according to step 200a, an assessment 300a of the power increase is now carried out with regard to the speed of the required power increase.
Wird in Schritt 300a festgestellt, dass eine Leistungserhöhung in kurzer Zeit (bspw. < 10s) erfolgen soll, so erfolgt gemäß Schritt 400a ein Aktivieren der Vorrichtung 40 zur zielgerichteten Anpassung, vorliegend eine Wassereinspritzung, bis die Feuchtigkeit des Anodengases an dem Anodengaseintritt bei 90 bis 95 % liegt, sodass gemäß Schritt 500a eine Austrocknung des Anodengases durch die Wassereinspritzung kompensiert wird, was wiederum zur Steigerung der Zellspannung und Effizienz und zur Vermeidung irreversibler Schädigungen führt. If it is determined in step 300a that a power increase should take place in a short time (e.g. <10s), then in step 400a the device 40 is activated for targeted adjustment, in this case a water injection, until the moisture of the anode gas at the anode gas inlet is at 90 to 95%, so that according to step 500a, drying out of the anode gas is compensated for by the water injection, which in turn leads to an increase in cell voltage and efficiency and to avoid irreversible damage.
Wird in Schritt 300a festgestellt, dass keine Leistungserhöhung in kurzer ZeitIf it is determined in step 300a that there is no increase in performance in a short period of time
(bspw. > 10s) erfolgen soll, so erfolgt gemäß Schritt 300b ein Füllen eines Wassertanks 30. (e.g. > 10s) is to take place, a water tank 30 is filled according to step 300b.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2), umfassend die Schritte: 1. Method for operating a fuel cell system (2), comprising the steps:
- Erfassen (100) von Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems (2) mittels einer Sensoreinheit (20),- Acquiring (100) data to determine a change in load of the fuel cell system (2) by means of a sensor unit (20),
- Bestimmen (200) einer Laständerung des Brennstoffzellensystems- Determine (200) a change in load of the fuel cell system
(2) mittels einer Verarbeitungseinheit (22) auf Basis der erfassten Daten,(2) by means of a processing unit (22) based on the recorded data,
- Aktivieren (400) einer Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems- Activating (400) a device (40) for the targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system
(2) auf Basis der bestimmten Laständerung des Brennstoffzellensystems (2) mittels einer Steuereinheit (24). (2) based on the specific load change of the fuel cell system (2) by means of a control unit (24).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems (2) eine aktuelle Stromdichte des Brennstoffzellensystems (2) und/oder eine aktuelle Zellspannung des Brennstoffzellensystems (2) und/oder ein aktueller Wasserstoffmassenstrom in einer Anodenzuführleitung (12) des Brennstoffzellensystems (2) und/oder eine aktuelle Leistungsanforderung des Brennstoffzellensystems (2) umfassen. 2. The method according to claim 1, characterized in that the data for determining a load change of the fuel cell system (2) is a current current density of the fuel cell system (2) and / or a current cell voltage of the fuel cell system (2) and / or a current hydrogen mass flow in an anode supply line (12) of the fuel cell system (2) and/or a current power requirement of the fuel cell system (2).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmen (200) einer Laständerung des Brennstoffzellensystems (2) zwischen einer positiven Laständerung und einer negativen Laständerung unterschieden wird, wobei vorzugsweise bei einem Bestimmen (200) einer positiven Laständerung dem Brennstoffzellensystem (2) flüssiges Wasser über die Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2) zugeführt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das über die Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2) zugeführte Wasser direkt aus einem Wassertank (30) zur Speicherung von Wasser entnommen wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that when determining (200) a change in load of the fuel cell system (2) a distinction is made between a positive change in load and a negative change in load, preferably when determining (200) a positive change in load in the fuel cell system (2) liquid water is supplied via the device (40) for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2). 4. The method according to claim 3, characterized in that the water supplied via the device (40) for targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2) is taken directly from a water tank (30) for storing water.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Bestimmen (200) einer Laständerung des Brennstoffzellensystems (2) zwischen einer positiven Laständerung und einer negativen Laständerung unterschieden wird, wobei vorzugsweise bei einem Bestimmen (200) einer negativen Laständerung dem Brennstoffzellensystem (2) Wasser über die Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2) entzogen wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that when determining (200) a change in load of the fuel cell system (2), a distinction is made between a positive change in load and a negative change in load, preferably when determining (200) a negative change in load on the fuel cell system (2) Water is removed via the device (40) for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2).
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Aktivieren (400) der Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2) auf Basis der bestimmten Laständerung des Brennstoffzellensystems (2) ein Bewerten (300) der Laständerung erfolgt, wobei das Bewerten (300) der Laständerung vorzugsweise im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Laständerung erfolgt, wobei ein Aktivieren (400) der Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2) insbesondere erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit einer Laständerung erfolgt. 7. Brennstoffzellensystem (2), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend: 6. The method according to one of the preceding claims, characterized in that before activating (400) the device (40) for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2) based on the specific load change of the fuel cell system (2), an evaluation (300 ) the load change takes place, the evaluation (300) of the load change preferably taking place with regard to the speed of the load change, with activation (400) of the device (40) for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2) in particular only from one a certain speed of a load change takes place. 7. Fuel cell system (2), in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 6, comprising:
- einen Anodenpfad aufweisend eine Anode (8), eine Anodengaszuführleitung (12) und eine Anodengasrückführleitung (16),- an anode path having an anode (8), an anode gas supply line (12) and an anode gas return line (16),
- einen Kathodenpfad aufweisend eine Kathode (10), eine Kathodengaszuführleitung (14) und eine Kathodengasabführleitung (18),- a cathode path having a cathode (10), a cathode gas supply line (14) and a cathode gas discharge line (18),
- eine Sensoreinheit (20) zur Erfassung (100) von Daten zur Bestimmung einer Laständerung des Brennstoffzellensystems (2), - a sensor unit (20) for recording (100) data to determine a change in load of the fuel cell system (2),
- eine Verarbeitungseinheit (22) zur Bestimmung (200) einer Laständerung des Brennstoffzellensystems (2), - a processing unit (22) for determining (200) a change in load of the fuel cell system (2),
- eine Steuereinheit (24) zur Aktivierung (300) einer Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2), - a control unit (24) for activating (300) a device (40) for the targeted adjustment of a water load on a membrane of the fuel cell system (2),
- eine Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2). - a device (40) for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2).
8. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2) in Form eines Dosierventils zur Zuführung von Wasser ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (40) vorzugsweise zwischen einer Zuführstelle zur Zuführung von Wasserstoff und der Anode (8) angrenzend an die Anodengaszuführleitung (12) angeordnet ist, wobei die Anodengaszuführleitung (12) zwischen der Zuführstelle zur Zuführung von Wasserstoff und der Anode (8) insbesondere einen verjüngten Rohrdurchmesser aufweist. 8. Fuel cell system (2) according to claim 7, characterized in that the device (40) for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2) is designed in the form of a metering valve for supplying water, the device (40) preferably being between a supply point for supplying hydrogen and the anode (8) is arranged adjacent to the anode gas supply line (12), the anode gas supply line (12) in particular having a tapered pipe diameter between the supply point for supplying hydrogen and the anode (8).
9. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserabscheider (26) zur Abscheidung von Wasser vorgesehen ist, wobei der Wasserabscheider (26) vorzugsweise innerhalb der Anodengasrückführleitung (16) angeordnet ist und insbesondere mit einem Wassertank (30) zur Speicherung des abgeschiedenen Wassers verbunden ist. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (40) zur zielgerichteten Anpassung einer Wasserbeladung einer Membran des Brennstoffzellensystems (2) innerhalb der Anodengasrückführleitung (16) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung9. Fuel cell system (2) according to claim 7 or 8, characterized in that a water separator (26) is provided for separating water, the water separator (26) preferably being located within the Anode gas return line (16) is arranged and in particular is connected to a water tank (30) for storing the separated water. Fuel cell system (2) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the device (40) for the targeted adjustment of a water loading of a membrane of the fuel cell system (2) is arranged within the anode gas return line (16), wherein the device
(40) vorzugsweise über eine Pumpe (32) mit dem Wassertank (30) verbunden ist. Kraftfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10. (40) is preferably connected to the water tank (30) via a pump (32). Motor vehicle, comprising a fuel cell system (2) according to one of claims 7 to 10.
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