WO2024037955A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents

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WO2024037955A1
WO2024037955A1 PCT/EP2023/072130 EP2023072130W WO2024037955A1 WO 2024037955 A1 WO2024037955 A1 WO 2024037955A1 EP 2023072130 W EP2023072130 W EP 2023072130W WO 2024037955 A1 WO2024037955 A1 WO 2024037955A1
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cell system
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cathode
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Mark Hellmann
Jonas BREITINGER
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

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 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 and excessive moistening of the membranes of the fuel cells of a fuel cell system during operation and thus serves to reliably avoid irreversible damage due to reactant depletion as a result of bleeding of the membranes or due to excessive drying out of the membranes.
  • This can not only improve the efficiency and reliability of a fuel cell system, but also significantly extend the service life of a 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.
  • the method according to the invention for operating a fuel cell system includes the steps of acquiring data for determining a current membrane humidification of a fuel cell system by means of a sensor unit, determining the current membrane humidification of the Fuel cell system by means of a processing unit based on the recorded data and a targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas based on the determined current membrane humidification by means of a control unit. It goes without saying that both target parameters mentioned can also be adjusted in a targeted manner (simultaneously or one after the other).
  • a total pressure of a cathode gas can be understood to mean, in particular, the cathode outlet pressure that can be measured at the cathode outlet, which can be varied in particular via the amount of air supply.
  • the stoichiometry of the cathode gas can preferably be understood as the reciprocal of the conversion of the cathode gas in the fuel cell reaction.
  • the cathode gas is preferably supplied superstoichiometrically, the stoichiometry in particular being between 1 and 4.
  • 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.
  • the method according to the invention can be used in particular with PEM fuel cells, or the fuel cell system according to the invention is preferably designed as a PEM fuel cell system.
  • target parameters such as a cathode outlet pressure and/or
  • target parameters such as cathode outlet pressure and/or cathode stoichiometry in stationary operating strategies of each current intensity and temperature under a given target activity to be assigned to a cathode stoichiometry in order to ensure sufficient membrane humidification.
  • target parameters such as cathode outlet pressure and/or cathode stoichiometry cannot be set optimally - for example due to system limitations - a deviation from optimal outlet activity occurs. If the pressure is too high, there is a risk of too much moisture Operation with risk of flooding.
  • the determination of the current membrane humidification of the fuel cell system takes place via a determination of a current exit activity at a cathode outlet of the fuel cell system, with the targeted adjustment of at least one of the target parameters a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas is preferably based on a comparison of the current exit activity at the cathode exit of the fuel cell system with at least one limit value for the exit activity at the cathode exit of the fuel cell system.
  • At least two limit values or limit value curves can be used, one for a minimum exit activity at a specific current intensity and temperature and one for a maximum exit activity at a specific current intensity and temperature.
  • the current exit activity should lie between these limit values or limit value curves so that no targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas should be made. However, if the current exit activity does not fall within the range, an adjustment should be made.
  • the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas takes place while taking into account a minimization of the performance of a compressor for compressing the cathode gas.
  • data for determining a current oxygen partial pressure at a cathode outlet of the fuel cell system can also be recorded by means of a sensor unit and based on the recorded data, the current oxygen partial pressure at the cathode outlet of the fuel cell system is determined by means of a processing unit, wherein the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas, preferably additionally based on the determined current oxygen partial pressure at the cathode outlet of the fuel cell system by means of the control unit.
  • the sensor unit and/or processing unit in question can also be the same ones that have already been described with regard to recording parameters or determining the current membrane humidification. It is also conceivable, for example, that the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas (in particular in stationary operation) is preferably additionally based on other variables, such as a minimum speed of a cathode gas for a liquid water discharge or the like he follows.
  • At least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas is based on the determined current
  • Membrane humidification involves evaluating the current membrane humidification and/or a current oxygen partial pressure, wherein the evaluation of the current membrane humidification and/or the current oxygen partial pressure preferably takes place with regard to the amount of deviation from a limit value for membrane humidification and/or a current oxygen partial pressure and/or in with regard to the current state of a fuel cell system and / or with regard to an area of application of the fuel cell system.
  • an evaluation of the current membrane humidification and / or a current Oxygen partial pressure is carried out, the evaluation preferably being carried out with a view to limiting the adaptability of one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas, based on the evaluation in particular an adjustment of the total pressure of a cathode gas or the stoichiometry of the cathode gas to compensate for the limitation of the Adaptability of the other component takes place.
  • a possible subsystem limitation can be, for example, the minimum or maximum air mass flow that can be supplied, which can be limited, for example, by the pumping limit of the compressor, which can either not be set small or large enough.
  • the outlet activity can result in too little, so that dry membrane conditions can occur.
  • a possible subsystem limitation can also be the maximum achievable minimum pressure, without which very wet membrane conditions or even membrane flooding can result.
  • the desired target humidity or targeted membrane humidification can be set despite the limitation of the pressure.
  • Further variants for possible limitations in the air system can be a minimum and/or maximum compressor speed, a maximum electrical drive power of a compressor and a maximum temperature of a compressor impeller.
  • the method is carried out in a self-learning manner, with aging-related changes preferably being able to be compensated for after an initial learning phase within the scope of the self-learning execution.
  • the aging-related changes can relate to changing pressure losses of components, changing operating limits, restarting after repairs or the replacement of components.
  • 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 current membrane humidification of the fuel cell system, a processing unit for determining the current membrane humidification of the fuel cell system and a control unit for the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas.
  • 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.
  • a valve and a compressor are provided for the targeted adaptation of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas.
  • the fuel cell system is designed in the form of a self-learning system.
  • the self-learning system can, for example, be designed to learn from logic and independently enter setpoints or target values and in this way improve subsystem control.
  • the fuel cell system can, for example, be equipped with an initial set of target variables.
  • the fuel cell system can, for example, derive a new setpoint specification at the first start based on an initial parameterization using a reactive control path, in particular taking into account the currently occurring subsystem limitations.
  • the new setpoints can then preferably be fed back and used as data input for self-learning optimization be used.
  • the fuel cell system can then preferably improve with each operation until an optimum is reached.
  • the frequency of changing the setpoints can then preferably decrease significantly and, for example, only be carried out once a month. If the fuel cell system is significantly changed during major maintenance (e.g. when replacing/exchanging components), a new initialization and learning can be carried out.
  • 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 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention 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 in the context of a self-learning embodiment.
  • 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 current membrane humidification of a fuel cell system 2 by means of a sensor unit 20, determining 200 the current membrane humidification of the fuel cell system 2 by means of a processing unit 22 on the basis of the detected Data and a targeted adjustment 400 of at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas based on the determined current membrane humidification by means of a control unit 24.
  • the determination 200 of the current membrane humidification of the fuel cell system 2 takes place via a determination of a current outlet activity a at a cathode outlet 42 of the fuel cell system 2, with the targeted adjustment 400 of at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry X of the cathode gas is preferably based on a comparison of the current exit activity a at the cathode exit 42 of the fuel cell system 2 with at least one limit value for the exit activity a at the cathode exit 42 of the fuel cell system 2.
  • the targeted adjustment 400 at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry X of the cathode gas, taking into account minimizing the performance of a compressor 36 for compressing the cathode gas he follows.
  • Evaluate 300 preferably with a view to limiting the adaptability of one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry
  • the adaptability of the other component is limited.
  • the method is carried out in a self-learning manner, with aging-related changes preferably being able to be compensated for after an initial learning phase within the scope of the self-learning execution.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system 2 according to the invention according to a first exemplary embodiment.
  • the invention includes
  • Fuel cell system 2 has an anode path having an anode 8, a Anode gas supply line 12 and an anode gas return or discharge 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 acquiring 100 data for determining a current membrane humidification of the fuel cell system 2, a processing unit 22 for determining 200 the current membrane humidification of the fuel cell system 2 and a control unit 24 for the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas.
  • the fuel cell system has 2 different valves 28.
  • the sensor unit 22, the processing unit 24 and the control unit 26 can be connected to one another and to the compressor 36 via a control cable 40 or wirelessly.
  • the sensor unit 20 can also preferably be connected to the cathode output 42.
  • a water separator 30 for separating water is arranged in the anode gas return line 16, which is connected to a water tank 32 for storing separated water.
  • FIG. 3 shows a further schematic representation of individual steps of the method according to the invention for operating a fuel cell system 2 in the context of a self-learning embodiment.
  • the method according to the invention in a first phase starting from a first start, initially includes an initial parameterization 500a, preferably taking current into account occurring subsystem limitations, whereby new setpoints are used as data input for a subsequent self-learning optimization.
  • the fuel cell system can then preferably improve with each operation until an optimum is reached. Optimization based on the new target values 600a, an adjustment of the target variables 600b and a feed back of the new target values 600c take place in succession, which takes place within the framework of a Subsystem control 500f can be saved.
  • the frequency of changing the setpoint values 700a can then preferably decrease significantly and, for example, only be carried out once a month.
  • a reinitialization and learning 800a can be carried out.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system (2), said method having the steps of: detecting (100) data in order to determine the current level of membrane humidity of the fuel cell system (2) by means of a sensor unit (20); determining (200) the current level of membrane humidity of the fuel cell system (2) by means of a processing unit (22) on the basis of the detected data; and adapting (400) at least one of the target parameters of the overall pressure (PGes) of a cathode gas and the stochiometry (λ) of the cathode gas in a controlled manner by means of a control unit (24) on the basis of the determined current level of membrane humidity.

Description

Beschreibung Description
Verfahren zum Betreiben eines
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Method for operating a
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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 kann es in Brennstoffzellensystemen zu Widersprüchen zwischen Stack-Anforderungen und Subsystem-Limitierungen kommen. Diese Problematik besteht vor allem, wenn ein Subsystem für verschiedene Stacks mit verschiedenen Anforderungen ausgelegt werden soll. Allerdings kann es auch bei einer gezielten Abstimmung der Subsysteme auf den jeweiligen Stack durch den großen Betriebsbereich (z. B. 5 - 100% Sauerstoffverbrauch und entsprechende Luftmassenströme, Drücke zwischen 1 und >3 bar) in einzelnen Betriebspunkten zu Unstimmigkeiten zwischen den Stack-Anforderung und den Subsystemlimits kommen. Die genannten Unstimmigkeiten können insbesondere zu einer zu hohen oder zu niedrigen Membranbefeuchtung führen, was nicht nur die erzielbare Leistung eines Brennstoffzellensystems erheblich mindert, sondern auch zu irreversiblen Schädigungen an dem Brennstoffzellensystem führt. Offenbarung der Erfindung In fuel cell systems, contradictions can arise between stack requirements and subsystem limitations. This problem arises especially when a subsystem is to be designed for different stacks with different requirements. However, even if the subsystems are specifically coordinated with the respective stack, there can be discrepancies between the stack requirements at individual operating points due to the large operating range (e.g. 5 - 100% oxygen consumption and corresponding air mass flows, pressures between 1 and >3 bar). and the subsystem limits. The inconsistencies mentioned can in particular lead to membrane humidification that is too high or too low, which not only significantly reduces the achievable performance of a fuel cell system, but also leads to irreversible damage to the fuel cell system. 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 sowie eines zu starken Befeuchtens der Membranen der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems im Betrieb und dient damit einer sicheren Vermeidung einer irreversiblen Schädigung durch Reaktandenverarmung in Folge von lutung der Membranen oder durch übermäßiges Austrocknen der Membranen. 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 and excessive moistening of the membranes of the fuel cells of a fuel cell system during operation and thus serves to reliably avoid irreversible damage due to reactant depletion as a result of bleeding of the membranes or due to excessive drying out of the membranes. This can not only improve the efficiency and reliability of a fuel cell system, but also significantly extend the service life of a fuel cell system. 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 aktuellen Membranbefeuchtung eines Brennstoffzellensystems mittels einer Sensoreinheit, eines Bestimmens der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems mittels einer Verarbeitungseinheit auf Basis der erfassten Daten sowie eines zielgerichteten Anpassens zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung mittels einer Steuereinheit. Es versteht sich, dass auch beide genannten Zielparameter (gleichzeitig oder nacheinander) zielgerichtet angepasst werden können. The method according to the invention for operating a fuel cell system includes the steps of acquiring data for determining a current membrane humidification of a fuel cell system by means of a sensor unit, determining the current membrane humidification of the Fuel cell system by means of a processing unit based on the recorded data and a targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas based on the determined current membrane humidification by means of a control unit. It goes without saying that both target parameters mentioned can also be adjusted in a targeted manner (simultaneously or one after the other).
Unter einer aktuellen Membranbefeuchtung kann im Rahmen der Erfindung insbesondere der aktuelle Wassergehalt der Membranen der Brennstoffzellen des gegenständlichen Brennstoffzellensystems verstanden werden, welcher nicht zu niedrig, aber auch nicht zu hoch sein darf, um einen möglichst effektiven und langlebigen Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Unter einem Gesamtdruck eines Kathodengases kann erfindungsgemäß insbesondere der am Kathodenausgang messbare Kathodenaustrittsdruck verstanden werden, der insbesondere über die Menge einer Luftzufuhr variierbar sein kann. Unter der Stöchiometrie des Kathodengases kann vorzugsweise der Kehrwert des Umsatzes des Kathodengases bei der Brennstoffzellenreaktion verstanden werden. Vorzugsweise wird das Kathodengas überstöchiometrisch zugeführt, wobei die Stöchiometrie insbesondere zwischen 1 und 4 betragen kann. In the context of the invention, current membrane humidification can be understood to mean, in particular, the current water content of the membranes of the fuel cells of the fuel cell system in question, which must not be too low, but also not too high, in order to enable the most effective and long-lasting operation of the fuel cell system. According to the invention, a total pressure of a cathode gas can be understood to mean, in particular, the cathode outlet pressure that can be measured at the cathode outlet, which can be varied in particular via the amount of air supply. The stoichiometry of the cathode gas can preferably be understood as the reciprocal of the conversion of the cathode gas in the fuel cell reaction. The cathode gas is preferably supplied superstoichiometrically, the stoichiometry in particular being between 1 and 4.
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. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen einsetzbar, bzw. das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise als PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet. 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. The method according to the invention can be used in particular with PEM fuel cells, or the fuel cell system according to the invention is preferably designed as a PEM fuel cell system.
Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere erkannt worden, dass es zur Gewährleistung eines effizienten und systemschonenden Betriebes eines Brennstoffzellensystems nicht ausreichend ist, in stationären Betriebsstrategien jeder Stromstärke und Temperatur unter vorgegebener Zielaktivität eine Kombination aus Zielparametern, wie eines Kathodenaustrittsdrucks und/oder einer Kathodenstöchiometrie zuzuordnen, um eine ausreichende Membranbefeuchtung zu gewährleisten. Vielmehr ist erkannt worden, dass wenn Zielparameter, wie ein Kathodenaustrittsdruck und/oder eine Kathodenstöchiometrie - bspw. aufgrund von Systemlimitierungen - nicht optimal eingestellt werden können, es zu einer Abweichung einer optimalen Austrittsaktivität kommt So besteht bei einem zu hohen Druck die Gefahr eines zu feuchten Betriebes mit Flutungsgefahr. Bei einem zu niedrigen Druck besteht zudem die Gefahr eines zu trockenen Betriebes und einer Austrocknung der Membran. Ebenso kann eine zu hohe Kathodenstöchiometrie zu einem zu trockenen Betrieb und einer Austrocknung der Membran führen, wohingegen eine zu niedrige Kathodenstöchiometrie zu einem zu feuchten Betrieb und einer Flutungsgefahr führen kann. In the context of the invention, it has been recognized in particular that in order to ensure efficient and system-friendly operation of a fuel cell system, it is not sufficient to use a combination of target parameters, such as a cathode outlet pressure and/or, in stationary operating strategies of each current intensity and temperature under a given target activity to be assigned to a cathode stoichiometry in order to ensure sufficient membrane humidification. Rather, it has been recognized that if target parameters such as cathode outlet pressure and/or cathode stoichiometry cannot be set optimally - for example due to system limitations - a deviation from optimal outlet activity occurs. If the pressure is too high, there is a risk of too much moisture Operation with risk of flooding. If the pressure is too low, there is also the risk of operation being too dry and the membrane drying out. Likewise, a cathode stoichiometry that is too high can lead to operation that is too dry and the membrane to dry out, whereas a cathode stoichiometry that is too low can lead to operation that is too wet and a risk of flooding.
Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache und gleichzeitig exakte Bestimmung einer aktuellen Membranbefeuchtung eines Brennstoffzellensystems kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass die Bestimmung der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems über eine Bestimmung einer aktuellen Austrittsaktivität an einem Kathodenaustritt des Brennstoffzellensystems erfolgt, wobei das zielgerichtete Anpassen zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases vorzugsweise auf Basis eines Vergleichs der aktuellen Austrittsaktivität an dem Kathodenaustritt des Brennstoffzellensystems mit zumindest einem Grenzwert für die Austrittsaktivität an dem Kathodenaustritt des Brennstoffzellensystems erfolgt. Vorzugsweise können hierbei zumindest zwei Grenzwerte bzw. Grenzwertverläufe verwendet werden, einer für eine minimale Austrittsaktivität bei einer bestimmten Stromstärke und Temperatur und einer für eine maximale Austrittsaktivität bei einer bestimmten Stromstärke und Temperatur. Zwischen diesen Grenzwerten bzw. Grenzwertverläufen sollte die aktuelle Austrittsaktivität liegen, damit keine zielgerichtete Anpassung zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases vorgenommen werden soll. Fällt die aktuelle Austrittsaktivität jedoch nicht in den Bereich, sollte eine Anpassung vorgenommen werden. Im Rahmen eines möglichst ökonomischen Betriebs eines gegenständlichen Brennstoffzellensystems kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das zielgerichtete Anpassen zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases unter Berücksichtigung einer Minimierung der Leistung eines Verdichters zur Verdichtung des Kathodengases erfolgt. With regard to a structurally simple and at the same time precise determination of a current membrane humidification of a fuel cell system, it can be provided according to the invention in particular that the determination of the current membrane humidification of the fuel cell system takes place via a determination of a current exit activity at a cathode outlet of the fuel cell system, with the targeted adjustment of at least one of the target parameters a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas is preferably based on a comparison of the current exit activity at the cathode exit of the fuel cell system with at least one limit value for the exit activity at the cathode exit of the fuel cell system. Preferably, at least two limit values or limit value curves can be used, one for a minimum exit activity at a specific current intensity and temperature and one for a maximum exit activity at a specific current intensity and temperature. The current exit activity should lie between these limit values or limit value curves so that no targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas should be made. However, if the current exit activity does not fall within the range, an adjustment should be made. As part of the most economical operation of a fuel cell system in question, it can advantageously be provided according to the invention that the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas takes place while taking into account a minimization of the performance of a compressor for compressing the cathode gas.
Im Rahmen einer möglichst exakten Bestimmung einer aktuellen Membranbefeuchtung eines Brennstoffzellensystems und damit einer möglichst zuverlässigen Vorbeugung eines ineffizienten und systemschädlichen Betriebs eines Brennstoffzellensystems kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass zusätzlich ein Erfassen von Daten zur Bestimmung eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks an einem Kathodenaustritt des Brennstoffzellensystems mittels einer Sensoreinheit sowie auf Basis der erfassten Daten, ein Bestimmen des aktuellen Sauerstoffpartialdrucks am Kathodenaustritt des Brennstoffzellensystems mittels einer Verarbeitungseinheit erfolgt, wobei das zielgerichtete Anpassen zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases, vorzugsweise zusätzlich auf Basis des bestimmten aktuellen Sauerstoffpartialdrucks am Kathodenaustritt des Brennstoffzellensystems mittels der Steuereinheit erfolgt. Es versteht sich, dass die gegenständliche Sensoreinheit und/oder Verarbeitungseinheit auch dieselben sein können, die bereits im Hinblick auf eine Erfassung von Parametern bzw. Bestimmung der aktuellen Membranbefeuchtung beschrieben wurden. Ebenso ist es bspw. denkbar, dass das zielgerichtete Anpassen zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases (insbesondere in einem stationären Betrieb) vorzugsweise zusätzlich auf Basis weiterer Größen, wie bspw. einer Mindestgeschwindigkeit eines Kathodengases für einen Flüssigwasseraustrag oder dergleichen erfolgt. As part of the most precise determination possible of a current membrane humidification of a fuel cell system and thus the most reliable possible prevention of inefficient and system-damaging operation of a fuel cell system, it can further be provided according to the invention that data for determining a current oxygen partial pressure at a cathode outlet of the fuel cell system can also be recorded by means of a sensor unit and based on the recorded data, the current oxygen partial pressure at the cathode outlet of the fuel cell system is determined by means of a processing unit, wherein the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas, preferably additionally based on the determined current oxygen partial pressure at the cathode outlet of the fuel cell system by means of the control unit. It goes without saying that the sensor unit and/or processing unit in question can also be the same ones that have already been described with regard to recording parameters or determining the current membrane humidification. It is also conceivable, for example, that the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas (in particular in stationary operation) is preferably additionally based on other variables, such as a minimum speed of a cathode gas for a liquid water discharge or the like he follows.
Im Rahmen eines möglichst ökonomischen Betriebs eines gegenständlichen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellenbetriebs kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass vor dem zielgerichteten Anpassen zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung ein Bewerten der aktuellen Membranbefeuchtung und/oder eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks erfolgt, wobei das Bewerten der aktuellen Membranbefeuchtung und/oder des aktuellen Sauerstoffpartialdrucks vorzugsweise im Hinblick auf die Höhe der Abweichung von einem Grenzwert für eine Membranbefeuchtung und/oder eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks und/oder im Hinblick auf den aktuellen Zustand eines Brennstoffzellensystems und/oder im Hinblick auf ein Einsatzgebiet des Brennstoffzellensystems erfolgt. Durch eine vorteilhafterweise vorgesehene Bewertung ist es möglich, eine Anpassung nur dann vorzunehmen zu müssen, wenn diese tatsächlich nötig ist. Ist die Abweichung des Wertes einer Membranbefeuchtung noch akzeptabel oder das System noch nicht alt, muss bei einer geringen Abweichung nicht unmittelbar eingegriffen werden. As part of the most economical operation possible of a method for operating a fuel cell operation, it can further be provided according to the invention that, before the targeted adjustment, at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas is based on the determined current Membrane humidification involves evaluating the current membrane humidification and/or a current oxygen partial pressure, wherein the evaluation of the current membrane humidification and/or the current oxygen partial pressure preferably takes place with regard to the amount of deviation from a limit value for membrane humidification and/or a current oxygen partial pressure and/or in with regard to the current state of a fuel cell system and / or with regard to an area of application of the fuel cell system. An advantageously provided evaluation makes it possible to only have to make an adjustment when it is actually necessary. If the deviation in the membrane humidification value is still acceptable or the system is not yet old, there is no need to intervene immediately if the deviation is small.
Im Hinblick auf die Möglichkeit eines gezielten Ausgleichens von Subsystemlimitierungen kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass vor dem zielgerichteten Anpassen zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung ein Bewerten der aktuellen Membranbefeuchtung und/oder eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks erfolgt, wobei das Bewerten vorzugsweise im Hinblick auf eine Limitierung der Anpassbarkeit eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases erfolgt, wobei auf Basis der Bewertung insbesondere eine Anpassung des Gesamtdrucks eines Kathodengases oder der Stöchiometrie des Kathodengases zur Kompensation der Limitierung der Anpassbarkeit der jeweils anderen Komponente erfolgt. Eine mögliche Subsystemlimitierung kann hierbei bspw. der minimal oder maximal zuführbare Luftmassenstrom sein, der bspw. durch die Pumpgrenze des Verdichters begrenzt sein kann, welche entweder nicht klein oder nicht groß genug einstellbar sein kann. Dadurch kann sich bspw. bereits mit dem einstellbaren Mindestmassenstrom des Luftsystems ohne zusätzliche Korrektur des Drucks eine zu kleine Austrittsaktivität ergeben, sodass es zu, zu trockenen Membranzuständen kommen kann. Wird eine derartige Subsystemlimitierung im Rahmen einer erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehenen Bewertung erkannt, so kann die Limitierung der Anpassbarkeit der einen Komponente (Kathodenstöchiometrie) durch ein gezieltes Anpassen der anderen Komponente (Gesamtdruck) ausgeglichen werden, sodass eine gewünschte Aktivität bzw. Membranbefeuchtung weiterhin eingehalten wird. Eine mögliche Subsystemlimitierung kann hierbei auch der maximal erreichbare Mindestdruck sein, ohne dessen Anpassung sich sehr feuchte Membranzustände bis hin zu einer Membranflutung ergeben können. Mit einer zielgerichteten Anpassung der Stöchiometrie des Kathodengases kann die gewünschte Zielfeuchtigkeit bzw. gezielte Membranbefeuchtung trotz der Limitierung des Drucks eingestellt werden. Weitere Varianten für mögliche Limitierungen im Luftsystem können eine minimale und/oder maximale Verdichterdrehzahl, eine maximale elektrische Antriebleistung eines Verdichters sowie eine maximale Temperatur eines Verdichterlaufrads sein. With regard to the possibility of targeted compensation of subsystem limitations, it can also be provided that before the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas based on the determined current membrane humidification, an evaluation of the current membrane humidification and / or a current Oxygen partial pressure is carried out, the evaluation preferably being carried out with a view to limiting the adaptability of one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas, based on the evaluation in particular an adjustment of the total pressure of a cathode gas or the stoichiometry of the cathode gas to compensate for the limitation of the Adaptability of the other component takes place. A possible subsystem limitation can be, for example, the minimum or maximum air mass flow that can be supplied, which can be limited, for example, by the pumping limit of the compressor, which can either not be set small or large enough. As a result, for example, even with the adjustable minimum mass flow of the air system without additional correction of the pressure, the outlet activity can result in too little, so that dry membrane conditions can occur. If such a subsystem limitation is recognized in the context of an evaluation advantageously provided according to the invention, the adaptability of one component (cathode stoichiometry) can be limited by specifically adapting the other component (total pressure) must be balanced so that the desired activity or membrane humidification is still maintained. A possible subsystem limitation can also be the maximum achievable minimum pressure, without which very wet membrane conditions or even membrane flooding can result. With a targeted adjustment of the stoichiometry of the cathode gas, the desired target humidity or targeted membrane humidification can be set despite the limitation of the pressure. Further variants for possible limitations in the air system can be a minimum and/or maximum compressor speed, a maximum electrical drive power of a compressor and a maximum temperature of a compressor impeller.
Im Rahmen eines einfachen, vorzugsweise automatisierbar steuerbaren Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass das Verfahren selbstlernend ausgeführt wird, wobei im Rahmen der selbstlernenden Ausführung nach einer initialen Lernphase vorzugsweise alterungsbedingte Veränderungen kompensierbar sind. Vorteilhafterweise kann hierbei vorgesehen sein, dass die alterungsbedingten Veränderungen hierbei sich verändernde Druckverluste von Komponenten, sich verändernde Betriebsgrenzen, eine Wiederinbetriebnahme nach Instandsetzung oder den Austausch von Komponenten betreffen können. As part of a simple, preferably automatically controllable method for operating a fuel cell system, it can advantageously be further provided according to the invention that the method is carried out in a self-learning manner, with aging-related changes preferably being able to be compensated for after an initial learning phase within the scope of the self-learning execution. Advantageously, it can be provided that the aging-related changes can relate to changing pressure losses of components, changing operating limits, restarting after repairs or the replacement of components.
Im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise zudem 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 also 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. 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 aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems, eine Verarbeitungseinheit zur Bestimmung der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems sowie eine Steuereinheit zur zielgerichteten Anpassung zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases. Damit weist das Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind. 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. 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 current membrane humidification of the fuel cell system, a processing unit for determining the current membrane humidification of the fuel cell system and a control unit for the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas. 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.
Im Hinblick auf eine schnelle und konstruktiv unaufwändige Möglichkeit zur exakten und zielgerichteten Anpassung eines Zielparameters kann gegenständlich vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass ein Ventil und ein Verdichter zur zielgerichteten Anpassung zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases vorgesehen sind. With regard to a quick and structurally uncomplicated possibility for the exact and targeted adaptation of a target parameter, it can advantageously be provided that a valve and a compressor are provided for the targeted adaptation of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas.
Im Rahmen einer einfachen, vorzugsweise automatisierbaren Steuerung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem in Form eines selbstlernenden Systems ausgebildet ist. Das selbstlernende System kann hierbei bspw. dazu ausgebildet sein, aus einer Logik zu lernen und selbstständig Sollwerte bzw. Zielwerte einzugeben und auf diese Weise eine Subsystem-Regelung zu verbessern. Das Brennstoffzellensystem kann hierzu bspw. mit einem initialen Satz an Zielgrößen ausgestattet sein. In einer ersten Phase kann das Brennstoffzellensystem bspw. beim ersten Start ausgehend von einer Initialparametrierung mittels reaktivem Regelpfad insbesondere unter Berücksichtigung der aktuell auftretenden Subsystem-Limitierungen eine neue Sollwertvorgabe ableiten. Die neuen Sollwerte können dann vorzugsweise zurückgespeist und als Daten-Input für eine selbstlernende Optimierung verwendet werden. In einer zweiten Phase kann sich das Brennstoffzellensystem dann vorzugsweise bei jedem Betrieb verbessern, bis ein Optimum erreicht ist. In einer dritten Phase (über Lebensdauer des Systems) kann die Häufigkeit der Änderung der Sollwerte dann vorzugsweis deutlich abnehmen und bspw. nur einmal pro Monat durchgeführt werden. Wenn das Brennstoffzellensystem bei einer größeren Wartung relevant geändert wird (z.B. beim Ersatz / Tausch von Komponenten) kann eine erneute Initialisierung und ein Anlernen durchgeführt werden. As part of a simple, preferably automatable control of the fuel cell system according to the invention, it can also be provided that the fuel cell system is designed in the form of a self-learning system. The self-learning system can, for example, be designed to learn from logic and independently enter setpoints or target values and in this way improve subsystem control. For this purpose, the fuel cell system can, for example, be equipped with an initial set of target variables. In a first phase, the fuel cell system can, for example, derive a new setpoint specification at the first start based on an initial parameterization using a reactive control path, in particular taking into account the currently occurring subsystem limitations. The new setpoints can then preferably be fed back and used as data input for self-learning optimization be used. In a second phase, the fuel cell system can then preferably improve with each operation until an optimum is reached. In a third phase (over the lifespan of the system), the frequency of changing the setpoints can then preferably decrease significantly and, for example, only be carried out once a month. If the fuel cell system is significantly changed during major maintenance (e.g. when replacing/exchanging components), a new initialization and learning can be carried out.
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 erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a first exemplary embodiment,
Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems im Rahmen einer selbstlernenden Ausführung. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines 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 in the context of a self-learning embodiment. 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 aktuellen Membranbefeuchtung eines Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Sensoreinheit 20, eines Bestimmen 200 der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Verarbeitungseinheit 22 auf Basis der erfassten Daten sowie eines zielgerichteten Anpassens 400 zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks Poes eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung mittels einer Steuereinheit 24. 1, the method according to the invention comprises the steps of acquiring 100 data for determining a current membrane humidification of a fuel cell system 2 by means of a sensor unit 20, determining 200 the current membrane humidification of the fuel cell system 2 by means of a processing unit 22 on the basis of the detected Data and a targeted adjustment 400 of at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas based on the determined current membrane humidification by means of a control unit 24.
Hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Bestimmung 200 der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems 2 über eine Bestimmung einer aktuellen Austrittsaktivität a an einem Kathodenaustritt 42 des Brennstoffzellensystems 2 erfolgt, wobei das zielgerichtete Anpassen 400 zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks Poes eines Kathodengases und einer Stöchiometrie X des Kathodengases vorzugsweise auf Basis eines Vergleichs der aktuellen Austrittsaktivität a an dem Kathodenaustritt 42 des Brennstoffzellensystems 2 mit zumindest einem Grenzwert für die Austrittsaktivität a an dem Kathodenaustritt 42 des Brennstoffzellensystems 2 erfolgt. It can advantageously be provided here that the determination 200 of the current membrane humidification of the fuel cell system 2 takes place via a determination of a current outlet activity a at a cathode outlet 42 of the fuel cell system 2, with the targeted adjustment 400 of at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry X of the cathode gas is preferably based on a comparison of the current exit activity a at the cathode exit 42 of the fuel cell system 2 with at least one limit value for the exit activity a at the cathode exit 42 of the fuel cell system 2.
Hierbei ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 2 ferner vorgesehen, dass das zielgerichtete Anpassen 400 zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks Poes eines Kathodengases und einer Stöchiometrie X des Kathodengases unter Berücksichtigung einer Minimierung der Leistung eines Verdichters 36 zur Verdichtung des Kathodengases 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 the targeted adjustment 400 at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry X of the cathode gas, taking into account minimizing the performance of a compressor 36 for compressing the cathode gas he follows.
Ferner kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 2 vorgesehen sein, dass zusätzlich ein Erfassen 100‘ von Daten zur Bestimmung eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks pCh an einem Kathodenaustritt 42 des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Sensoreinheit 20‘ (oder der Sensoreinheit 20) und auf Basis der erfassten Daten ein Bestimmen 200‘ des aktuellen Sauerstoffpartialdrucks pCh am Kathodenaustritt 42 des Brennstoffzellensystems 2 mittels einer Verarbeitungseinheit 22‘ (oder der Verarbeitungseinheit 22) erfolgt, wobei das zielgerichtete Anpassen 400 zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks Poes eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases vorzugsweise zusätzlich auf Basis des bestimmten aktuellen Sauerstoffpartialdrucks pOj am Kathodenaustritt 42 des Brennstoffzellensystems 2 mittels der Steuereinheit 24 erfolgen kann. Furthermore, according to the present exemplary embodiment of a method according to the invention for operating a fuel cell system 2, it can be provided that an additional acquisition 100 'of data for determining a current oxygen partial pressure pCh at a cathode outlet 42 of the Fuel cell system 2 by means of a sensor unit 20' (or the sensor unit 20) and based on the recorded data a determination 200' of the current oxygen partial pressure pCh at the cathode outlet 42 of the fuel cell system 2 is carried out by means of a processing unit 22' (or the processing unit 22), the targeted adjustment being carried out 400 at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas can preferably additionally be carried out on the basis of the specific current oxygen partial pressure pOj at the cathode outlet 42 of the fuel cell system 2 by means of the control unit 24.
Ebenso kann ferner vorgesehen sein, dass vor dem zielgerichteten Anpassen 400 zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks Poes eines Kathodengases und einer Stöchiometrie X des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung ein Bewerten 300 der aktuellen Membranbefeuchtung und/oder eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks pOj erfolgt, wobei das Bewerten 300 vorzugsweise im Hinblick auf eine Limitierung der Anpassbarkeit eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks Poes eines Kathodengases und einer Stöchiometrie X des Kathodengases erfolgt, wobei auf Basis der Bewertung 300 insbesondere eine zielgerichtete Anpassung des Gesamtdrucks Poes eines Kathodengases oder der Stöchiometrie X des Kathodengases zur Kompensation der Limitierung der Anpassbarkeit der jeweils anderen Komponente erfolgt. Likewise, it can also be provided that before the targeted adjustment 400 of at least one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry Evaluate 300 preferably with a view to limiting the adaptability of one of the target parameters of a total pressure Poes of a cathode gas and a stoichiometry The adaptability of the other component is limited.
Schließlich kann ferner vorgesehen sein, dass das Verfahren selbstlernend ausgeführt wird, wobei im Rahmen der selbstlernenden Ausführung nach einer initialen Lernphase vorzugsweise alterungsbedingte Veränderungen kompensierbar sind. Finally, it can also be provided that the method is carried out in a self-learning manner, with aging-related changes preferably being able to be compensated for after an initial learning phase within the scope of the self-learning execution.
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 erfindungsgemäßeAs can be seen from FIG. 2, the invention includes
Brennstoffzellensystem 2 einen Anodenpfad aufweisend eine Anode 8, eine Anodengaszuführleitung 12 und eine Anodengasrückführ- bzw. -abführleitung 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 aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems 2, eine Verarbeitungseinheit 22 zur Bestimmung 200 der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems 2 sowie eine Steuereinheit 24 zur zielgerichteten Anpassung zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases. Fuel cell system 2 has an anode path having an anode 8, a Anode gas supply line 12 and an anode gas return or discharge 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 acquiring 100 data for determining a current membrane humidification of the fuel cell system 2, a processing unit 22 for determining 200 the current membrane humidification of the fuel cell system 2 and a control unit 24 for the targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas.
Zur Steuerung des Gasflusses weist das Brennstoffzellensystem 2 verschiedene Ventile 28 auf. To control the gas flow, the fuel cell system has 2 different valves 28.
Zur zielgerichteten Anpassung zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks eines Kathodengases und einer Stöchiometrie des Kathodengases können die Sensoreinheit 22, die Verarbeitungseinheit 24 und die Steuereinheit 26 über ein Steuerkabel 40 oder drahtlos miteinander und mit dem Verdichter 36 verbunden sein. For targeted adjustment of at least one of the target parameters of a total pressure of a cathode gas and a stoichiometry of the cathode gas, the sensor unit 22, the processing unit 24 and the control unit 26 can be connected to one another and to the compressor 36 via a control cable 40 or wirelessly.
Zur Erfassung 100 von Daten zur Bestimmung einer aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems 2 kann die Sensoreinheit 20 zudem vorzugsweise mit Kathodenausgang 42 verbunden sein. In order to acquire 100 data to determine a current membrane humidification of the fuel cell system 2, the sensor unit 20 can also preferably be connected to the cathode output 42.
Ferner ist zu erkennen, dass ein Wasserabscheider 30 zur Abscheidung von Wasser in der Anodengasrückführleitung 16 angeordnet ist, der mit einem Wassertank 32 zur Speicherung von abgeschiedenem Wasser verbunden ist. Furthermore, it can be seen that a water separator 30 for separating water is arranged in the anode gas return line 16, which is connected to a water tank 32 for storing separated water.
Fig. 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung einzelner Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 2 im Rahmen einer selbstlernenden Ausführung. 3 shows a further schematic representation of individual steps of the method according to the invention for operating a fuel cell system 2 in the context of a self-learning embodiment.
Wie gemäß Fig. 3 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in einer ersten Phase ausgehend von einem ersten Start, zunächst eine Initialparametrierung 500a vorzugsweise unter Berücksichtigung von aktuell auftretenden Subsystem-Limitierungen, wobei neue Sollwerte als Daten-Input für eine nachfolgende selbstlernende Optimierung verwendet werden. As can be seen from FIG. 3, the method according to the invention in a first phase, starting from a first start, initially includes an initial parameterization 500a, preferably taking current into account occurring subsystem limitations, whereby new setpoints are used as data input for a subsequent self-learning optimization.
In einer zweiten Phase kann sich das Brennstoffzellensystem dann vorzugsweise bei jedem Betrieb verbessern, bis ein Optimum erreicht ist Hier finden aufeinanderfolgend eine Optimierung anhand der neuen Sollwerte 600a, eine Anpassung der Zielgrößen 600b und eine Zurückspeisung der neuen Zielwerte 600 c statt, die im Rahmen einer Subsystem-Kontrolle 500f gespeichert werden können. In a second phase, the fuel cell system can then preferably improve with each operation until an optimum is reached. Optimization based on the new target values 600a, an adjustment of the target variables 600b and a feed back of the new target values 600c take place in succession, which takes place within the framework of a Subsystem control 500f can be saved.
In einer dritten Phase (über Lebensdauer des Systems) kann die Häufigkeit der Änderung der Sollwerte 700a dann vorzugsweis deutlich abnehmen und bspw. nur einmal pro Monat durchgeführt werden. In a third phase (over the lifespan of the system), the frequency of changing the setpoint values 700a can then preferably decrease significantly and, for example, only be carried out once a month.
Wenn das Brennstoffzellensystem bei einer größeren Wartung relevant geändert wird (z.B. beim Ersatz / Tausch von Komponenten) kann eine erneute Initialisierung und ein Anlernen 800a durchgeführt werden. If the fuel cell system is significantly changed during major maintenance (e.g. when replacing/exchanging components), a reinitialization and learning 800a can be carried out.

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 aktuellen Membranbefeuchtung eines Brennstoffzellensystems (2) mittels einer Sensoreinheit (20), - Acquiring (100) data to determine a current membrane humidification of a fuel cell system (2) by means of a sensor unit (20),
- Bestimmen (200) der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems (2) mittels einer Verarbeitungseinheit (22) auf Basis der erfassten Daten, - determining (200) the current membrane humidification of the fuel cell system (2) by means of a processing unit (22) based on the recorded data,
- Zielgerichtetes Anpassen (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung mittels einer Steuereinheit (24). - Targeted adjustment (400) of at least one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas based on the determined current membrane humidification by means of a control unit (24).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (200) der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems (2) über eine Bestimmung einer aktuellen Austrittsaktivität (a) an einem Kathodenaustritt (42) des Brennstoffzellensystems (2) erfolgt, wobei das zielgerichtete Anpassen (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases vorzugsweise auf Basis eines Vergleichs der aktuellen Austrittsaktivität (a) an dem Kathodenaustritt (42) des Brennstoffzellensystems (2) mit zumindest einem Grenzwert für die Austrittsaktivität (a) an dem Kathodenaustritt (42) des Brennstoffzellensystems (2) erfolgt. 2. The method according to claim 1, characterized in that the determination (200) of the current membrane humidification of the fuel cell system (2) takes place via a determination of a current outlet activity (a) at a cathode outlet (42) of the fuel cell system (2), the targeted adjustment (400) at least one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas, preferably based on a comparison of the current outlet activity (a) at the cathode outlet (42) of the fuel cell system (2) with at least one limit value for the Exit activity (a) takes place at the cathode exit (42) of the fuel cell system (2).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zielgerichtete Anpassen (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases unter Berücksichtigung einer Minimierung der Leistung eines Verdichters zur Verdichtung des Kathodengases erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Erfassen (100‘) von Daten zur Bestimmung eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks (pOj) an einem Kathodenaustritt (42) des Brennstoffzellensystems (2) mittels einer Sensoreinheit (20‘) und auf Basis der erfassten Daten ein Bestimmen (200‘) des aktuellen Sauerstoffpartialdrucks (pOj) am Kathodenaustritt (42) des Brennstoffzellensystems (2) mittels einer Verarbeitungseinheit (22‘) erfolgt, wobei das zielgerichtete Anpassen (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases vorzugsweise zusätzlich auf Basis des bestimmten aktuellen Sauerstoffpartialdrucks (pOj) am Kathodenaustritt (42) des Brennstoffzellensystems (2) mittels der Steuereinheit (24) erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem zielgerichteten Anpassen (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung ein Bewerten (300) der aktuellen Membranbefeuchtung und/oder eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks (pOj) erfolgt, wobei das Bewerten (300) der aktuellen Membranbefeuchtung und/oder des aktuellen Sauerstoffpartialdrucks (pOj) vorzugsweise im Hinblick auf die Höhe der Abweichung von einem Grenzwert für eine Membranbefeuchtung und/oder eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks (pOj) und/oder im Hinblick auf den aktuellen Zustand eines Brennstoffzellensystems (2) und/oder im Hinblick auf ein Einsatzgebiet des Brennstoffzellensystems (2) erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem zielgerichteten Anpassen (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases auf Basis der bestimmten aktuellen Membranbefeuchtung ein Bewerten (300) der aktuellen Membranbefeuchtung und/oder eines aktuellen Sauerstoffpartialdrucks (pOj) erfolgt, wobei das Bewerten (300) vorzugsweise im Hinblick auf eine Limitierung der Anpassbarkeit eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases erfolgt, wobei auf Basis der Bewertung (300) insbesondere eine zielgerichtete Anpassung des Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases oder der Stöchiometrie (A) des Kathodengases zur Kompensation der Limitierung der Anpassbarkeit der jeweils anderen Komponente erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren selbstlernend ausgeführt wird, wobei im Rahmen der selbstlernenden Ausführung nach einer initialen Lernphase vorzugsweise alterungsbedingte Veränderungen kompensierbar sind. Brennstoffzellensystem (2), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the targeted adjustment (400) of at least one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas takes into account minimizing the performance of a compressor for compressing the cathode gas he follows. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an additional acquisition (100 ') of data for determining a current oxygen partial pressure (pOj) at a cathode outlet (42) of the fuel cell system (2) by means of a sensor unit (20') and on the basis of The data recorded is determined (200') of the current oxygen partial pressure (pOj) at the cathode outlet (42) of the fuel cell system (2) by means of a processing unit (22'), the targeted adjustment (400) of at least one of the target parameters of a total pressure (Poes). Cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas preferably additionally based on the determined current oxygen partial pressure (pOj) at the cathode outlet (42) of the fuel cell system (2) by means of the control unit (24). Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the targeted adjustment (400) of at least one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas based on the determined current membrane humidification, an evaluation (300) of the current Membrane humidification and/or a current oxygen partial pressure (pOj), wherein the evaluation (300) of the current membrane humidification and/or the current oxygen partial pressure (pOj) preferably takes place with regard to the amount of deviation from a limit value for membrane humidification and/or a current oxygen partial pressure (pOj) and/or with regard to the current state of a fuel cell system (2) and/or with regard to an area of application of the fuel cell system (2). Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the targeted adjustment (400) of at least one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas based on the determined current membrane humidification, an evaluation (300) of the current Membrane humidification and/or a current oxygen partial pressure (pOj), the evaluation (300) preferably taking place with a view to limiting the adaptability of one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas, based on the Evaluation (300) in particular a targeted adjustment of the total pressure (Poes) of a cathode gas or the stoichiometry (A) of the cathode gas to compensate for the limitation of the adaptability of the other component. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method is carried out in a self-learning manner, wherein aging-related changes can preferably be compensated for after an initial learning phase within the scope of the self-learning execution. Fuel cell system (2), in particular for carrying out a method according to one of claims 1 to 7, 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 aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems (2),- a sensor unit (20) for recording (100) data to determine a current membrane humidification of the fuel cell system (2),
- eine Verarbeitungseinheit (22) zur Bestimmung (200) der aktuellen Membranbefeuchtung des Brennstoffzellensystems (2), eine Steuereinheit (24) zur zielgerichteten Anpassung (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases. - a processing unit (22) for determining (200) the current membrane humidification of the fuel cell system (2), a control unit (24) for the targeted adjustment (400) of at least one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas.
9. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (28) und ein Verdichter (36) zur zielgerichteten Anpassung (400) zumindest eines der Zielparameter eines Gesamtdrucks (Poes) eines Kathodengases und einer Stöchiometrie (A) des Kathodengases vorgesehen sind. 9. Fuel cell system (2) according to claim 8, characterized in that a valve (28) and a compressor (36) for targeted adjustment (400) of at least one of the target parameters of a total pressure (Poes) of a cathode gas and a stoichiometry (A) of the cathode gas are provided.
10. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2) in Form eines selbstlernenden Systems ausgebildet ist . Kraftfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10. 10. Fuel cell system (2) according to one of claims 8 to 9, characterized in that the fuel cell system (2) is designed in the form of a self-learning system. Motor vehicle comprising a fuel cell system (2) according to one of claims 8 to 10.
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