AT523209A1 - Brennstoffzellensystem, Computerprogrammprodukt, Speichermittel und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) mit einem Brennstoffzellenstapel (11), der einen Anodenabschnitt (12) und einen Kathodenabschnitt (13) umfasst, einem Spülventil (14) für einen Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts (12), eine Betriebszustandsermittlungseinheit (15) zum Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems (10) und einer Einstelleinheit (16) zum Einleiten des Spülvorgangs und zum Einstellen des Spülventils (14) in wenigstens einen Öffnungszustand zum Ermöglichen des Spülvorgangs und in einen Sperrzustand zum Verhindern des Spülvorgangs, aufweisend die Schritte: Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems (10) durch die Betriebszustandsermittlungseinheit (15), und Einleiten des Spülvorgangs durch die Einstelleinheit (16) abhängig vom ermittelten Betriebszustand, wobei das Spülventil (14) während des Spülvorgangs durch die Einstelleinheit (16) zum abwechselnd mehrmaligen Einstellen des Spülventils (14) in den Öffnungszustand und in den Sperrzustand gepulst angesteuert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (10), ein Computerprogrammprodukt (30) und ein nichtflüchtiges Speichermittel (31) mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (30).
Description
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Brennstoffzellensystem, Computerprogrammprodukt, Speichermittel und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Computerprogrammprodukt, ein Speichermittel und ein Verfahren zum Betreiben
eines Brennstoffzellensystems.
Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme weisen wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit Anodenabschnitt, Kathodenabschnitt und einer sandwichartig zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt angeordneten Elektrolyitmembran auf. Ferner weisen solche Brennstoffzellensysteme einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenfluid zum Kathodenabschnitt, einen Anodenauslassabschnitt zum Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und einen Kathodenauslassabschnitt zum Auslassen von Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt. Derartige Brennstoffzellensysteme weisen in der Regel wenigstens ein Spülventil im Anodenauslassabschnitt zum kontrollierten Abführen von Stickstoffbestandteilen, die während eines Funktionsbetriebes des Brennstoffzellensystems vom Kathodenabschnitt durch die Elektrolyitmembran zum Anodenabschnitt diffundieren, auf. Zum Spülen des Anodenabschnitts wird das Spülventil für gewöhnlich periodisch aktiviert, d. h., von einem Sperrzustand zum Verhindern des Spülvorgangs in einen Öffnungszustand zum Ermöglichen des Spülvorgangs eingestellt.
Bei hohen elektrischen Strömen und einem entsprechend hohen Systemdruck im Brennstoffzellensystem sind relative lange Öffnungszeiten für das Spülventil erforderlich. Dies führt zu einem Druckabfall im Anodenstrang, also im Anodenzuführabschnitt, im Anodenabschnitt sowie im Anodenauslassabschnitt,
welchen es möglichst zu verhindern gilt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem, ein Computerprogrammprodukt, ein Speichermittel und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, mittels welchen ein Druckabfall während
eines Spülvorgangs möglichst klein gehalten werden kann.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 7, das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 13 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, dem erfindungsgemäßen Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten
stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt umfasst, einem Spülventil für einen Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts, eine Betriebszustandsermittlungseinheit zum Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems und einer Einstelleinheit zum Einleiten des Spülvorgangs und zum Einstellen des Spülventils in wenigstens einen Öffnungszustand zum Ermöglichen des Spülvorgangs und in einen Sperrzustand zum Verhindern des Spülvorgangs, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte
auf:
- Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems durch die
Betriebszustandsermittlungseinheit, und
- Einleiten des Spülvorgangs durch die Einstelleinheit abhängig vom ermittelten
Betriebszustand,
- wobei das Spülventil während des Spülvorgangs durch die Einstelleinheit zum abwechselnd mehrmaligen Einstellen des Spülventils in den Öffnungszustand
und in den Sperrzustand gepulst angesteuert wird.
Durch das gepulste Ansteuern des Spülventils kann die Gesamtöffnungsdauer des Spülventils während eines Spülvorgangs gleich der bisher üblichen Öffnungsdauer eingestellt werden, wobei der Druckabfall deutlich geringer ausfällt. Durch das
gepulste Ansteuern kann bei verringertem Druckabfall auch die Menge an
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Anodenauslassfluid insgesamt gleich gehalten werden. Dadurch können spürbare Systemdruckschwankungen im Brennstoffzellensystem verhindert werden. Dies wirkt sich wiederum vorteilhaft auf die Degradation des Brennstoffzellensystems aus. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Vorgehens kann ferner ein gleichmäßiger Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglich werden. Dies führt zu einem reduzierten Brennstoffverbrauch und folglich zu einer effizienten Betriebsweise des Brennstoffzellensystems.
Das gepulste Ansteuern des Spülventils kann einfach, zuverlässig und kostengünstig realisiert werden. Insbesondere kann das Verfahren einfach in bestehenden Systemen implementiert werden. Unter dem Einstellen in den wenigstens einen Öffnungszustand kann verstanden werden, dass das Spülventil zum Erzeugen von unterschiedlichen Fluiddurchlassmengen in verschiedene Stellungen, also
Öffnungszustände, geöffnet werden kann.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn ein Ansteuersignal für das gepulste Ansteuern des Spülventils vor jedem Spülvorgang erstellt wird. Die einzelnen Öffnungszeiten werden bevorzugt anhand eines vordefinierbaren und/oder vordefinierten Öffnungszeit-Druckverlust-Faktors eingestellt, sodass eine einzelne Öffnungszeit jeweils so kurz ist, dass ein maximal zulässiger Druckverlust bei einem
aktuellen Funktionsbetrieb des Brennstoffzellensystems nicht überschritten wird.
Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise in Form eines PEMBrennstoffzellensystems ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem weist einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführfluid zum Anodenabschnitt, einen Anodenauslassabschnitt zum Auslassen von Anodenauslassfluid vom Anodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführfluid zum Kathodenabschnitt und einen Kathodenauslassabschnitt zum Auslassen von Kathodenauslassfluid vom Kathodenabschnitt auf. Das Spülventil ist vorzugsweise Im Anodenauslassabschnitt angeordnet. Der Anodenzuführabschnitt, der Anodenabschnitt und der Anodenauslassabschnitt können als Anodenstrang verstanden werden. Der Kathodenzuführabschnitt, der Kathodenabschnitt und der Kathodenauslassabschnitt können als Kathodenstrang verstanden werden. Der Brennstoffzellenstapel kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, in welchen jeweils ein Anodenbereich, ein Kathodenbereich und
dazwischen eine Elektrolyitmembran angeordnet sind.
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Darunter, dass das Spülventil mehrmals in den Öffnungszustand und in den Sperrzustand eingestellt wird, kann verstanden werden, dass mehrmals zwischen dem Öffnungszustand und dem Sperrzustand hin und her geschaltet wird, um eine gewünschte, gepulste Betriebsweise des Spülventils zu realisieren. Der Spülvorgang wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems mehrmals durchgeführt.
D. h., unter einem Spülvorgang ist ein mehrmaliges Öffnen und Schließen des Spülventils über eine kurze Zeitdauer von beispielsweise mehreren Sekunden zu verstehen, wobei der Spülvorgang während des Funktionsbetriebs des Brennstoffzellensystems in regelmäßigen Abständen wiederholt wird. Unter einem gepulsten Ansteuern kann vorliegend ein regelmäßig oder unregelmäßig gepulstes Ansteuern verstanden werden. Unter dem Betreiben des Brennstoffzellensystems ist vorliegend insbesondere das Durchführen von wenigstens einem Steuer- und/oder Regelungsschritt im Rahmen des Funktionsbetriebs des Brennstoffzellensystems,
also beispielsweise das Durchführen des Spülvorgangs, zu verstehen.
Die Einstelleinheit weist vorzugsweise ein PWM-Modul auf, wobei das Spülventil durch ein PWM-Signal des PWM-Moduls zum abwechselnden Schalten in den Öffnungszustand und in den Sperrzustand gepulst angesteuert wird. Durch das PWM-Modul und das damit erzeugte PWM-Signal kann der Spülvorgang einfach und zuverlässig wie gewünscht durchgeführt werden. Grundsätzlich kann es ausreichend sein, wenn die elektrische Ansteuerung des Ventils dieses nur ein und/oder ausschaltet.
Die Betriebszustandsermittlungseinheit kann eine geeignete Sensorik zum Ermitteln verschiedener Betriebszustände des Brennstoffzellensystems sowie Betriebsparameter, die zur Ermittlung eines Betriebszustandes berücksichtigt werden, aufweisen. Die Einstelleinheit kann eine CPU, einen Controller und eine geeignete Aktorik zum Einstellen des gewünschten Betriebszustandes aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren einzelne Öffnungszeiten während der Öffnungszustände in Summe auf eine vordefinierte Gesamtöffnungszeit eingestellt werden und/oder einzelne Sperrzeiten während der Sperrzustände in Summe auf eine vordefinierte Gesamtsperrzeit eingestellt werden. Die Gesamtöffnungszeit entspricht vorzugsweise einer bisher üblichen Gesamtöffnungszeit. Die
Gesamtsperrzeit entspricht vorzugsweise einer bisher üblichen Gesamtsperrzeit.
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Unter einer bisher üblichen Gesamtöffnungszeit und/oder Gesamtsperrzeit ist jeweils eine Zeitdauer zu verstehen, wie sie bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen
bisher in einem vergleichbaren Betriebszustand eingestellt worden wäre.
Zudem ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Betriebszustandsermittlungseinheit ein Stromermittlungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen elektrischen Stroms des Brennstoffzellensystems aufweist und das PWM-Signal ein Pulsset mit einer einstellbaren Frequenz aufweist, wobei die Frequenz des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen elektrischen Strom des Brennstoffzellensystems eingestellt wird. Im Rahmen von Versuchen hat sich überraschend herausgestellt, dass unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen der Frequenz des Pulssets und dem elektrischen Strom, also dem durch das Brennstoffzellensystem erzeugten elektrischen Strom, das Spülventil zum Erreichen des gewünschten Spülvorgangs vorteilhaft angesteuert werden kann. Bevorzugt wird die Frequenz des Pulssets, insbesondere proportional, zu einem steigenden Stromwert erhöht. D. h., wird durch die Betriebszustandsermittlungseinheit ermittelt,
dass der Strom steigt, wird auch die Frequenz erhöht.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Betriebszustandsermittlungseinheit ein Stickstoffermittlungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen Stickstoffgehalts im Anodenabschnitt aufweist und das PWM-Signal ein Pulsset mit einer einstellbaren Pulsanzahl aufweist, wobei die Pulsanzahl des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen Stickstoffgehalt im Anodenabschnitt eingestellt wird. Das Stickstoffermittiungsmodul schätzt einen Stickstoffgehalt normalerweise ab oder berechnet diesen, da eine direkte Messung in der Regel sehr aufwendig ist. Es hat sich herausgestellt, dass unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen der Pulsanzahl und dem aktuellen Stickstoffgehalt im Anodenabschnitt das Spülventil zum Erreichen des gewünschten Spülvorgangs vorteilhaft angesteuert werden kann. Bevorzugt wird die Pulsanzahl mit einem steigenden Stickstoffgehalt erhöht. D. h., wird durch die Betriebszustandsermittlungseinheit ermittelt, dass der
Stickstoffgehalt steigt, wird auch die Pulsanzahl erhöht.
Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Betriebszustandsermittlungseinheit ein Systemdruckermittlungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen Systemdrucks im Brennstoffzellensystem aufweist und
das PWM-Signal Pulse mit einer einstellbaren Pulsbreite aufweist, wobei die
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Pulsbreite abhängig vom ermittelten, aktuellen Systemdruck im Brennstoffzellensystem eingestellt wird. Auch diese Korrelation zwischen Systemdruck im Brennstoffzellensystem und Pulsbreite hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um die gewünschte Einstellbarkeit des Spülvorgangs zu verwirklichen. Bevorzugt wird die Pulsbreite jeweils zu einem steigenden Systemdruck verringert. D. h., wird durch die Betriebszustandsermittlungseinheit ermittelt, dass der Betriebsdruck steigt, wird die Pulsbreite jeweils verringert.
Als ebenso vorteilhaft hat es sich bewährt, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Betriebszustandsermittlungseinheit ein Kathodenmassenstromermittlungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen Kathodenmassenstroms von Kathodenfluid im und/oder am Kathodenabschnitt aufweist und das PWM-Signal ein Pulsset mit mehreren Pulsen und einem einstellbaren Pulsabstand zwischen den Pulsen aufweist, wobei der Pulsabstand abhängig vom ermittelten, aktuellen Kathodenmassenstrom im und/oder am Kathodenabschnitt eingestellt wird. Bevorzugt wird der Pulsabstand zu einem steigenden Kathodenmassenstrom verringert. D. h., wird durch die Betriebszustandsermittlungseinheit ermittelt, dass der Kathodenmassenstrom steigt, wird der Pulsabstand verringert. Durch die kürzeren Öffnungszeiten des Spülventils kann die Wasserstoffkonzentration im Anodenauslassfluid einfach angepasst werden
und erlaubt eine vorteilhafte Verdünnung.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen, alternativ oder gemeinsam durchgeführten Maßnahmen wird ein zuverlässig und einfach funktionierendes Verfahren zum flexiblen Anpassen des Spülvorgangs zum Erreichen der gewünschten Reduzierung
des Druckabfalls geschaffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt umfasst, einem Spülventil für einen Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts, einer Betriebszustandsermittlungseinheit zum Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems und einer Einstelleinheit zum Einleiten des Spülvorgangs sowie zum Einstellen des Spülventils in wenigstens einen Öffnungszustand zum Ermöglichen des Spülvorgangs und in einen Sperrzustand zum Verhindern des Spülvorgangs, zur Verfügung gestellt. Die
Einstelleinheit ist zum Einleiten eines Spülvorgangs abhängig von einem ermittelten
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Betriebszustand des Brennstoffzellensystems und für ein gepulstes Ansteuern des Spülventils während des Spülvorgangs zum abwechselnd mehrmaligen Einstellen
des Spülventils in den Öffnungszustand und in den Sperrzustand konfiguriert.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind. Die Einstelleinheit weist ein PWM-Modul zum Erzeugen eines PWM-Signals zum gepulsten Ansteuern des Spülventils auf. Wie vorstehend bereits mit Bezug auf das Verfahren beschrieben, weist die Einstelleinheit bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltungsvariante ein Summenmodul zum Einstellen einer Summe der einzelnen Öffnungszeiten während der Öffnungszustände auf eine vordefinierte Gesamtöffnungszeit und/oder einer Summe der einzelnen Sperrzeiten während der Sperrzustände auf eine vordefinierte Gesamtsperrzeit auf.
Die Betriebszustandsermittlungseinheit kann ein Stromermittlungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen elektrischen Stroms des Brennstoffzellensystems aufweisen und das PWM-Signal kann ein Pulsset mit einer einstellbaren Frequenz aufweisen, wobei die Einstelleinheit ein Frequenzeinstellmodul zum Einstellen der Frequenz des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen elektrischen Strom des Brennstoffzellensystems aufweist. Ferner ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Betriebszustandsermittlungseinheit ein Stickstoffermittiungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen Stickstoffgehalts im Anodenabschnitt aufweist und das PWM-Signal ein Pulsset mit einer einstellbaren Pulsanzahl aufweist, wobei die Einstelleinheit ein Pulsanzahleinstellmodul zum Einstellen der Pulsanzahl des Pulssets abhängig vom
ermittelten, aktuellen Stickstoffgehalt im Anodenabschnitt aufweist.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann die Betriebszustandsermittlungseinheit ein Systemdruckermittlungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen Systemdrucks im Brennstoffzellensystem aufweisen und das PWMSignal kann Pulse mit einer einstellbaren Pulsbreite aufweisen, wobei die Einstelleinheit ein Pulsbreiteneinstellmodul zum Einstellen der Pulsbreite abhängig vom ermittelten, aktuellen Systemdruck im Brennstoffzellensystem aufweist. Darüber hinaus kann die Betriebszustandsermittlungseinheit bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein
Kathodenmassenstromermittlungsmodul zum Ermitteln eines aktuellen
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Kathodenmassenstroms von Kathodenfluid im und/oder am Kathodenabschnitt aufweisen und das PWM-Signal kann ein Pulsset mit mehreren Pulsen und einem einstellbaren Pulsabstand zwischen den Pulsen aufweisen, wobei die Einstelleinheit ein Pulsabstandeinstellmodul zum Einstellen des Pulsabstands abhängig vom ermittelten, aktuellen Kathodenmassenstrom im und/oder am Kathodenabschnitt
aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein wie vorstehend im Detail beschriebenes Verfahren auszuführen. Zudem wird ein nichtflüchtiges Speichermittel mit einem solchen Computerprogrammprodukt, das auf dem Speichermittel gespeichert ist, zur Verfügung gestellt. Damit bringen ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt und ein erfindungsgemäßes Speichermittel ebenfalls die
vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in Java, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder dem nichtflüchtigen Speichermittel, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie ein Steuergerät und/oder einen Controller derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden oder sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d. h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten,
realisiert werden bzw. sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur2 ein Blockschaltbild einer Einstelleinheit in Signalverbindung mit einer Betriebszustandsermittlungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfin-
dung,
Figur3 ein Kurvendiagramm zum Beschreiben von erfindungsgemäßen PWM-
Signalen,
Figur4 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur5 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit
denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 in Form eines PEM-Systems mit einem Brennstoffzellenstapel 11, der einen Anodenabschnitt 12 und einen Kathodenabschnitt 13 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 weist ferner einen Anodenzuführabschnitt 32 zum Zuführen von Anodenzuführfluid zum Anodenabschnitt 12, einen Anodenauslassabschnitt 33 zum Auslassen von Anodenauslassfluid vom Anodenabschnitt 12, einen Kathodenzuführabschnitt 34 zum Zuführen von Kathodenzuführfluid zum Kathodenabschnitt 13 und einen Kathodenauslassabschnitt 35 zum Auslassen von Kathodenauslassfluid vom Kathodenabschnitt 13 auf. Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem 10 ein Spülventil 14 für einen Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts 12 auf. Das Spülventil 14 ist im Anodenauslassabschnitt 33 stromabwärts des Anodenabschnitts 12 angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist weiterhin eine Betriebszustandsermittlungseinheit 15, zum Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems 10, und eine Einstelleinheit 16, zum Einleiten des
Spülvorgangs sowie zum Einstellen des Spülventils 14 in wenigstens einen
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Öffnungszustand zum Ermöglichen des Spülvorgangs und in einen Sperrzustand zum Verhindern des Spülvorgangs, auf. Die Einstelleinheit 16 ist zum Einleiten eines Spülvorgangs abhängig von einem ermittelten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 und für ein gepulstes Ansteuern des Spülventils 14 während des Spülvorgangs zum abwechselnd mehrmaligen Einstellen des Spülventils 14 in den Öffnungszustand und in den Sperrzustand konfiguriert. Die Einstelleinheit 16 weist ein nichtflüchtiges Speichermittel 31 mit einem darauf
gespeicherten Computerprogrammprodukt 30 auf.
Mit Bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 werden Komponenten der Einstelleinheit 16 und der Betriebszustandsermittlungseinheit 15 im Detail beschrieben. Die Einstelleinheit 16 weist ein Summenmodul 17 zum Einstellen einer Summe der einzelnen Öffnungszeiten während der Öffnungszustände auf eine vordefinierte Gesamtöffnungszeit und/oder einer Summe der einzelnen Sperrzeiten während der Sperrzustände auf eine vordefinierte Gesamtsperrzeit auf. Die Gesamtöffnungszeit und die Gesamtsperrzeit werden bei einem Spülvorgang jeweils entsprechend einer konventionellen Öffnungszeit und/oder Sperrzeit eingestellt. Außerdem weist die Einstelleinheit 16 ein Frequenzeinstellmodul 19 zum Einstellen der Frequenz 26 des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen elektrischen Strom des Brennstoffzellensystems 10 auf. Darüber hinaus weist die Einstelleinheit 16 ein Pulsanzahleinstellmodul 21 zum Einstellen der Pulsanzahl 27 des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen Stickstoffgehalt im Anodenabschnitt 12, ein Pulsbreiteneinstellmodul 23 zum Einstellen der Pulsbreite 28 abhängig vom ermittelten, aktuellen Systemdruck im Brennstoffzellensystem 10 sowie ein Pulsabstandeinstellmodul 25 zum Einstellen des Pulsabstands 29 abhängig vom ermittelten, aktuellen Kathodenmassenstrom im und/oder am Kathodenabschnitt 13,
auf.
Die Betriebszustandsermittlungseinheit 15 weist ein Stromermittlungsmodul 18 zum Ermitteln eines aktuellen elektrischen Stroms des Brennstoffzellensystems 10, ein Stickstoffermittlungsmodul 20 zum Ermitteln eines aktuellen Stickstoffgehalts im Anodenabschnitt 12, ein Systemdruckermittlungsmodul 22 zum Ermitteln eines aktuellen Systemdrucks im Brennstoffzellensystem 10 und ein
Kathodenmassenstromermittlungsmodul 24 zum Ermitteln eines aktuellen
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Kathodenmassenstroms von Kathodenfluid im und/oder am Kathodenabschnitt 13
auf.
In Fig. 3 sind ferner drei verschiedene PWM-Signale dargestellt. Das erste PWMSignal S1 zeigt ein niederfrequentes PWM-Signal mit einer relativ langen Pulsbreite und einer relativ niedrigen Pulsanzahl. Das zweite PWM-Signal S2 zeigt ein hochfrequentes PWM-Signal mit einer entsprechend höheren Pulsanzahl als PWMSignal S1. PWM-Signal S2 wird im Grunde nur durch die Leistungsfähigkeit des verwendeten Spülventils 14 beschränkt. Das dritte PWM-Signal S3 zeigt eine Kombination aus dem ersten PWM-Signal S1 und dem zweiten PWM-Signal S2. So folgt bei PWM-Signal S3 auf eine hochfrequente und schnelle Pulsfolge eine längere
Pulspause.
Mit Bezug auf Fig. 4 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform erläutert. In einem ersten Schritt S1 wird zunächst ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10 durch die Betriebszustandsermittlungseinheit 15 ermittelt. Hierzu werden durch eine geeignete Sensorik der Betriebszustandsermittlungseinheit 15 verschiedene Betriebsparameter im Brennstoffzellensystem 10 erfasst und daraus der Betriebszustand ermittelt. In einem zweiten Schritt S2 wird der Spülvorgang durch die Einstelleinheit 16 abhängig vom ermittelten Betriebszustand eingeleitet, wobei das Spülventil 14 während des Spülvorgangs durch die Einstelleinheit 16 zum abwechselnd mehrmaligen Einstellen des Spülventils 14 in den Öffnungszustand und in den Sperrzustand gepulst angesteuert wird. Daraufhin werden in einem zweiten Schritt S2 die Frequenz 26 des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen elektrischen Strom des Brennstoffzellensystems 10 eingestellt, in einem dritten Schritt S3 die Pulsanzahl 27 des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen Stickstoffgehalt im Anodenabschnitt 12 eingestellt, in einem vierten Schritt S4 die Pulsbreite 28 abhängig vom ermittelten, aktuellen Systemdruck im Brennstoffzellensystem 10 eingestellt und in einem fünften Schritt S5 der Pulsabstand 29 abhängig vom ermittelten, aktuellen Kathodenmassenstrom im und/oder am Kathodenabschnitt 13 eingestellt. Die in Fig. 5 dargestellten Schritte können in der gezeigten Reihenfolge, einer alternativen Reihenfolge oder zumindest
teilweise gleichzeitig durchgeführt werden.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die
Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
10 Brennstoffzellensystem
11 Brennstoffzellenstapel
12 Anodenabschnitt
13 Kathodenabschnitt
14 Spülventil
15 Betriebszustandsermittlungseinheit 16 Einstelleinheit
17 Summenmodul
18 Stromermittlungsmodul
19 Frequenzeinstellmodul
20 Stickstoffermittlungsmodul
21 Pulsanzahleinstellmodul
22 Systemdruckermittlungsmodul 23 Pulsbreiteneinstellmodul
24 Kathodenmassenstromermittlungsmodul 25 Pulsabstandeinstellmodul
26 Frequenz
27 Pulsanzahl
28 Pulsbreite
29 Pulsabstand
30 Computerprogrammprodukt 31 Speichermittel
32 Anodenzuführabschnitt
33 Anodenauslassabschnitt
34 Kathodenzuführabschnitt
35 Kathodenauslassabschnitt Ss1 PWM-Signal
S2 PWM-Signal S3 PWM-Signal
Claims (14)
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10) mit einem Brennstoffzellenstapel (11), der einen Anodenabschnitt (12) und einen Kathodenabschnitt (13) umfasst, einem Spülventil (14) für einen Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts (12), eine Betriebszustandsermittlungseinheit (15) zum Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems (10) und einer Einstelleinheit (16) zum Einleiten des Spülvorgangs und zum Einstellen des Spülventils (14) in wenigstens einen Öffnungszustand zum Ermöglichen des Spülvorgangs und in einen
Sperrzustand zum Verhindern des Spülvorgangs, aufweisend die Schritte:
- Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems (10) durch die Betriebszustandsermittlungseinheit (15), und
- Einleiten des Spülvorgangs durch die Einstelleinheit (16) abhängig vom
ermittelten Betriebszustand,
- wobei das Spülventil (14) während des Spülvorgangs durch die Einstelleinheit (16) zum abwechselnd mehrmaligen Einstellen des Spülventils (14) in den Öffnungszustand und in den Sperrzustand gepulst
angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Öffnungszeiten während der Öffnungszustände in Summe auf eine vordefinierte Gesamtöffnungszeit eingestellt werden und/oder einzelne Sperrzeiten während der Sperrzustände in Summe auf eine vordefinierte
Gesamtsperrzeit eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Stromermittlungsmodul (18) zum Ermitteln eines aktuellen elektrischen Stroms des Brennstoffzellensystems (10) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2; S3) ein Pulsset mit einer
einstellbaren Frequenz (26) aufweist, wobei die Frequenz (26) des Pulssets
abhängig vom ermittelten, aktuellen elektrischen Strom des Brennstoffzellensystems (10) eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Stickstoffermittlungsmodul (20) zum Ermitteln eines aktuellen Stickstoffgehalts im Anodenabschnitt (12) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2; S3) ein Pulsset mit einer einstellbaren Pulsanzahl (27) aufweist, wobei die Pulsanzahl (27) des Pulssets abhängig vom
ermittelten, aktuellen Stickstoffgehalt im Anodenabschnitt (12) eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Systemdruckermittlungsmodul (22) zum Ermitteln eines aktuellen Systemdrucks im Brennstoffzellensystem (10) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2; S3) Pulse mit einer einstellbaren Pulsbreite (28) aufweist, wobei die Pulsbreite (28) abhängig vom ermittelten,
aktuellen Systemdruck im Brennstoffzellensystem (10) eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Kathodenmassenstromermittlungsmodul (24) zum Ermitteln eines aktuellen Kathodenmassenstroms von Kathodenfluid im und/oder am Kathodenabschnitt (13) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2; S3) ein Pulsset mit mehreren Pulsen und einem einstellbaren Pulsabstand (29) zwischen den Pulsen aufweist, wobei der Pulsabstand (29) abhängig vom ermittelten, aktuellen
Kathodenmassenstrom im und/oder am Kathodenabschnitt (13) eingestellt wird.
7. Brennstoffzellensystem (10) mit einem Brennstoffzellenstapel (11), der einen Anodenabschnitt (12) und einen Kathodenabschnitt (13) umfasst, einem Spülventil (14) für einen Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts (12), einer Betriebszustandsermittlungseinheit (15) zum Ermitteln eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems (10) und einer Einstelleinheit (16) zum Einleiten des Spülvorgangs sowie zum Einstellen des Spülventils (14)
in wenigstens einen Öffnungszustand zum Ermöglichen des Spülvorgangs und
in einen Sperrzustand zum Verhindern des Spülvorgangs, wobei die Einstelleinheit (16) zum Einleiten eines Spülvorgangs abhängig von einem ermittelten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (10) und für ein gepulstes Ansteuern des Spülventils (14) während des Spülvorgangs zum abwechselnd mehrmaligen Einstellen des Spülventils (14) in den
Öffnungszustand und in den Sperrzustand konfiguriert ist.
8. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (16) ein Summenmodul (17) zum Einstellen einer Summe der einzelnen Öffnungszeiten während der Öffnungszustände auf eine vordefinierte Gesamtöffnungszeit und/oder einer Summe der einzelnen Sperrzeiten während der Sperrzustände auf eine vordefinierte Gesamtsperrzeit aufweist.
9. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Stromermittlungsmodul (18) zum Ermitteln eines aktuellen elektrischen Stroms des Brennstoffzellensystems (10) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2; S3) ein Pulsset mit einer einstellbaren Frequenz (26) aufweist, wobei die Einstelleinheit (16) ein Frequenzeinstellmodul (19) zum Einstellen der Frequenz (26) des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen elektrischen Strom des Brennstoffzellensystems (10) aufweist.
10. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Stickstoffermittlungsmodul (20) zum Ermitteln eines aktuellen Stickstoffgehalts im Anodenabschnitt (12) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2; S3) ein Pulsset mit einer einstellbaren Pulsanzahl (27) aufweist, wobei die Einstelleinheit (16) ein Pulsanzahleinstellmodul (21) zum Einstellen der Pulsanzahl (27) des Pulssets abhängig vom ermittelten, aktuellen Stickstoffgehalt im Anodenabschnitt (12)
aufweist.
11. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Systemdruckermittlungsmodul (22) zum Ermitteln eines aktuellen Systemdrucks im Brennstoffzellensystem (10) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2, S3) Pulse mit einer einstellbaren Pulsbreite (28) aufweist, wobei die Einstelleinheit (16) ein Pulsbreiteneinstellmodul (23) zum Einstellen der Pulsbreite (28) abhängig vom
ermittelten, aktuellen Systemdruck im Brennstoffzellensystem (10) aufweist.
12. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsermittlungseinheit (15) ein Kathodenmassenstromermittlungsmodul (24) zum Ermitteln eines aktuellen Kathodenmassenstroms von Kathodenfluid im und/oder am Kathodenabschnitt (13) aufweist und das PWM-Signal (S1; S2; S3) ein Pulsset mit mehreren Pulsen und einem einstellbaren Pulsabstand (29) zwischen den Pulsen aufweist, wobei die Einstelleinheit (16) ein Pulsabstandeinstellmodul (25) zum Einstellen des Pulsabstands (29) abhängig vom ermittelten, aktuellen
Kathodenmassenstrom im und/oder am Kathodenabschnitt (13) aufweist.
13. Computerprogrammprodukt (30), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (30) durch einen Computer diesen
veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
14. Nichtflüchtiges Speichermittel (31) mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (30) nach Anspruch 13.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| ATA51003/2019A AT523209B1 (de) | 2019-11-20 | 2019-11-20 | Brennstoffzellensystem, Computerprogrammprodukt, Speichermittel und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems |
| PCT/AT2020/060412 WO2021097512A1 (de) | 2019-11-20 | 2020-11-20 | Brennstoffzellensystem, computerprogrammprodukt, speichermittel und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems |
| DE112020003971.4T DE112020003971A5 (de) | 2019-11-20 | 2020-11-20 | Brennstoffzellensystem, Computerprogrammprodukt, Speichermittel und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems |
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|---|---|---|---|
| ATA51003/2019A AT523209B1 (de) | 2019-11-20 | 2019-11-20 | Brennstoffzellensystem, Computerprogrammprodukt, Speichermittel und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems |
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| AT523209A1 true AT523209A1 (de) | 2021-06-15 |
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Family Applications (1)
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| ATA51003/2019A AT523209B1 (de) | 2019-11-20 | 2019-11-20 | Brennstoffzellensystem, Computerprogrammprodukt, Speichermittel und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems |
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| WO2003010845A2 (en) * | 2001-07-25 | 2003-02-06 | Ballard Power Systems Inc. | Fuel cell purging method and apparatus |
| DE102006052495A1 (de) * | 2005-11-16 | 2007-05-31 | Ford Motor Co., Dearborn | Zeitbasiertes Brennstoffzellenspülverfahren |
| US20080081228A1 (en) * | 2006-06-20 | 2008-04-03 | Fagan Neil B | Anode purge gas dilution |
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- 2019-11-20 AT ATA51003/2019A patent/AT523209B1/de active
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2020
- 2020-11-20 WO PCT/AT2020/060412 patent/WO2021097512A1/de not_active Ceased
- 2020-11-20 DE DE112020003971.4T patent/DE112020003971A5/de active Pending
Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE112020003971A5 (de) | 2022-05-05 |
| WO2021097512A1 (de) | 2021-05-27 |
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