AT526831A4 - Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

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

Description

Kontrolilverfahren für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt eines Brennstoff-

zeilensystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontroilverfahren für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems, eine Kontroilvorrichtung zur Durchführung eines solchen Kontroliverfahrens, ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung elnes solchen Kontrollverfahrens sowie ein Brennstofzellensystem mit einer entsprechenden Kontrollvorrichtung.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme während ihres Betriebs zur ETZEUgUNG von elektrischem Strom unter anderem auch Feuchtigkeit erzeugen. Diese Feuchtigkeit liegt sowohl in gasförmiger als auch in füssiger Phase vor und wird mit dem Anodenabgas abtransportiert. Dabei ist es notwendig, dass insbesondere bei der Rezirkulation von solchem Anodenabgas das entstandene und kondensierte Wasser abgeschieden wird, um eine Beschädigung, insbesondere durch ein Fluten von Gasleitungen für das Anodenabgas und/oder das Anodenzuführgas, zu vermeiden, Bekannte Brennstoffzeilensysteme sind daher mit Wasserabscheidern ausgestattet, weiche kondensierte Wassertropfen aus dem Anodenabgas abscheiden und dieses damit trocknen. Das abgeschiedene Wasser aus dem Anodenabgas wird bekannterweise In einem Flüssigkeitsbehälter aufgefangen und dort gesammelt. Dadurch, dass der Fiüssigkeitsbehälter eine endliche Größe hat, muss dieser in vorgegebenen Zeitabständen geleert werden, sodass die enthaltene Flüssigkeit in Form des abgeschiedenen Wassers an die Umgebung abgelassen werden. Dieser Vorgang kann auch als Drain-Vorgang bezeichnet werden. Auch bekannt ist es, dass neben dem Ablassvorgang von abgeschliedenem Wasser ein Teil des rezirkulierten Anodenabgases an die Umgebung ausgelassen wird, um die Zusammensetzung eines Änodenzuführgases In gewünschter Weise zu beeinflussen und insbesondere den Brenngasgehalt zu variieren. Dieser Vorgang des Ablassens von Anodenabgas kann als Purge-Vorgang bezeichnet werden,

Die bekannten Kontrollverfahren basieren darauf, dass bei einem definierten mMaxi-

malen Füllstand des Flüssigkeitsbehälters ein entsprechendes Ablaufventil geöffnet und die Flüssigkeit abgelassen wird. Dabei wird sichergestellt, dass bei den bekannten Kontroilverfahren der Flüssigkeitsbehälter sich im Wesentlichen vollständig leert,

Nachteilhaft bei bekannten Kontrollverfahren ist es, dass das Entweichen des Anodenabgases, nachdem der Flüssigkeitsbehälter vollständig entleert ist, unberücksichtigt für nachfolgende Purge-Vorgänge bleibt. Mit anderen Worten verliert das Brennstoffzeilensystem bei jedem Drain-Vorgang, also bei jedem Öffnungszyklus des Ablaufventils, nicht nur in der gewünschten Weise die Flüssigkeit aus dem FIüssigkeitsbehählter, sondern darüber hinaus auch noch Anodenabgas, welches je nach Betriebszustand noch eine Restmenge an Brennstoff enthält. Dieser für andere Kontroflschritte unberücksichtigte Verlust führt zu einer reduzierten Effizienz im Betrieb des Brennsioffzellensystems.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die voranstehend beschriebenen Probieme zumindest teilweise zu beheben, Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, In kostengünstiger und einfacher Weise den Verlust an Brennstoff bei Drain-Vorgängen zu reduzieren.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Kontroliverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Brennstoffzeilensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kontroiiverfahren beschrieben sind, selbstiverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kontrolivorrichtung, dem erfindungsgemäßen Computerprogrammpradukt sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren dient einer Kontrolle einer Öffnungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt ei

nes Brennstoffzellensystems, Ein solches Kontroilverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Öffnen des Ablaufventils zum Ablassen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter,

- Erfassen des Anodendrucks im Anodenabgasabschnitt zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils,

- Setzen eines Anodendruck-Referenzwertes auf Basis des erfassten ÄAnodendrucks,

- Weiteres Überwachen des Anodendrucks während der Öffnungsdauer des Ablaufventils,

- Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung des überwachten Anodendrucks vom gesetzten Anodendruck-Referenzwert,

- Schließen des Ablaufventils, wenn die bestimmte AnodendruckAbweichung einen Abweichungsgrenzwert überschreitet.

Ein erfindungsgemäßes Kontrolilverfahren basiert auf der grundsätzlichen Notwendigkeit, dass Flüssigkeit, weiche aus dem Anodenabgas in einen Flüssigkeitsbehälter abgeschieden und dort gesammelt worden ist, aus diesem Flüssigkeitsbehälter ausgelassen werden soll. Hierfür ist das Brennstoffzeilensystem, wie es später beschrieben ebenfalls Teil der vorliegenden Erfindung ist, mit einem Flüssigkeitsbehälter ausgestattet. Dieser Flüssigkeitsbehälter dient dazu, Wasser, weiches in Aüssiger Form aus dem Anodenabgas abgeschieden wird, aufzunehmen und zu sammeln. Das Öffnen des Ablaufventils kann in erfindungsgemäßer Weise gemäß dem Stand der Technik erfolgen, beispielsweise basierend auf einer Füllstandüberwachung im Fiüssigkeitsbehälter, Sobald das Ablaufventil geöffnet wird, wird Flüssigkeit aus dem Fiüssigkeitsbehälter durch das Ablaufventil hindurchtreten. Dabei kann ein direktes Ablassen an die Umgebung, aber auch ein Ablassen für andere Nachbehandlungen oder Nutzungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein. Mit anderen Worten definiert der Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventis den Start des Öffnungsvorgangs des Ablaufventils und im Sinne der vorliegenden Erfindung den Beginn der Öffnungsdauer dieses Ablaufventils,

Referenzwert zu setzen,

Sobald der Anodendruck-Referenzwert für die spezifische Betriebssituation des Brennstoffzellensystems nun gesetzt ist, erfolgt eine weitere Überwachung des Anodendrucks über die Öffnungsdauer des Ablaufventils hinweg. Mit anderen Worten wird der Anodendruck zum Start des Öffnungsvorgangs einmalig zum Setzen des Anodendruck-Referenzwertes verwendet und anschließend vorzugsweise kontinulerlich weiter überwacht, Diese weitere Überwachung des Anodendrucks dient dazu, eine Anodendruck-Abweichung von dem gesetzten Anodendruck-Referenzwert ebenfalls vorzugsweise kontinuierlich zu bestimmen. Mit anderen Worten wird nun erkennbar, inwieweit der Anodendruck über den Öffnungsvorgang hinweg sich von dem gesetzten Anodendruck-Referenzwert verändert. Sobald die AnodendruckAbweichung einen definierten Abweichungsgrenzwert überschreitet, führt dies dazu, dass das Ablaufventil wieder geschlossen wird, Dieser Schließmechanismus durch den Vergleich beruht darauf, dass davon ausgegangen werden kann, dass am Ende des Öffnungsvorgangs der Flüssigkeitsbehälter sich im leeren Zustand befindet. Sobald die letzte Restmenge an Fiüssigkeit aus dem Fiüssigkeitsbehälter durch das Ablaufventil abgelassen worden ist, sinkt der Anodendruck, welcher kontinulerlich weiter überwacht wird, rapide ab, Dies beruht darauf, dass nun keine verbleibende RestHüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter mehr eine Druckblockade gegen den Anodenab-

ur

gasabschnitt ausbildet, sonder vielmehr nun zu diesem Zeitpunkt das Anodenabgas im gasförmigen Zustand durch das Ablaufventil beginnt in die Umgebung auszutreten. Dieser Austritt führt dazu, dass nun der überwachte Anodendruck im Vergleich zum Anodendruck-Referenzwert absinkt und entsprechend die AnodendruckAbweichung ansteigen wird. Dieser Anstieg wird erkannt und durch den Vergleich mit dem Abweichungsgrenzwert dazu verwendet, zu diesem Zeitpunkt das Ablaufventil

zu schließen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere nicht der Druck selbst in Betracht gezogen, sondern nur eine Ausgabe des Druckcontroliers, Dieser versucht seinen Sol-Wert einzuregeln. Wenn eine Gasphase detektiert wird, regelt der Druckcontroller also die Gaszufuhr nach, um den Druck konstant zu halten.

Erfindungsgemäß dient also das Kontroliverfahren weiter dazu, die primäre Funktion des rechtzeitigen Entleerens des Flüssigkeitsbehälters zu gewährleisten. Im Gegensatz zu den bekannten Kontrollverfahren ist jedoch die Öffnungsdauer variabel ausgebildet, nämlich als funktionaler Zusammenhang zwischen dem Anodendruck und einer aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems in Form des Anodendruck-Referenzwertes, Hier sind zwei wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung gut zu erkennen. Zum einen reagiert der Drain-Vorgang aktiv auf die tatsäch!che Betriebssituation im Fiüssigkeitsbehälter, also in Abhängigkeit davon, wieviel Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter vorhanden ist und wie lange das Ablaufen bis zum vollständigen Entieeren des Flüssigkeitsbehälters tatsächlich dauert. Zum anderen wird auch die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems berücksichtigt, insbesondere die je nach Betriebssituation varlerenden Parameterwerte für den sich einstellenden Anodendruck, Somit kann kostengünstig und einfach und trotzdem flexibel der Drain-Vorgang so variiert werden, dass immer eine maximale Entleerung des Flüssigkeitsbehälters mit einem minimalen Gasaustritt an Anodenabgas kombiniert werden kann.

Im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit fest eingestellten Drain-Vorgängen in Ablassventilen führt dies dazu, dass deutlich weniger Anodenabgas bei jedem Öffnungsvorgang des Ablaufventils verloren geht und damit die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems im Betrieb bei der Erzeugung elektrischen Stroms deutlich verbessert werden kann, Ein Nebenvorleit kann es sein, dass die Anzahl der not-

wendigen Öffnungen reduziert werden kann, da immer nur die variable notwendige

Auch ist noch darauf hinzuweisen, dass der Abweichungsgrenzwert sowohl eine feste Vorgabe sein kann als auch eine variable Ausführung darstellen kann. So kann der Abweichungsgrenzwert zum Beispiel in einem funktionalen Zusammenhang auf der Betriebssituation des Brennstofzellensystems oder aber auf dem vorherigen Füllstand des Fiüssigkeitsbehälters basieren.

Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontroilverfahren eine maximale Öffnungsdauer vorgegeben wird, wobei das Ablaufventil geschlossen wird, wenn die maximale Öffnungsdauer erreicht wird. Dies führt zu einer zusätzlichen Bedingung hinsichtlich des Öffnungsvorgangs. So kann beispielsweise hinsichtlich einer Nachbehandlung, aber auch hinsichtlich einer Stabilität des Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems gewünscht sein, dass eine maximale Dauer des Öffnungsvorgangs nicht überschritten wird. Durch das Vorsehen einer maximalen Öffnungsdauer wird nun sichergestellt, dass auch dann das Ablaufventil geschlossen wird, wenn diese maximale Öffnungsdauer erreicht ist, jedoch der Flüssigkeitsbehälter sich noch nicht vollständig entleert hat und er damit die Anodendruck-Abweichung noch nicht den Abweichungsgrenzwert überschritten hat. Damit wird eine zusätzliche Bedingung zur Verfügung gestellt, die die Betriebsstabilität, insbesondere des Brennstoffzellensystems, weiter verbessern kann, In einem solchen Fall kann beispielsweise die Periode bis zur nächsten Öffnung des Ablaufventiis aktiv verkürzt

werden,

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem Kontroilverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz die maximale Öffnungsdauer auf Basis wenigstens ei-

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Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontroiiverfahren eine minimale Öffnungsdauer vorgeben wird, wobei das Ablaufventil mindestens über die minimale Öffnungszeit geöffnet bleibt, Hierbei handelt es sich konträr zur maximalen Öffnungsdauer als Obergrenze um eine Untergrenze, welche eine Mindestöffnungszeit zur Verfügung stellt, Mit anderen Worten wird nun nach einem Öffnen des Ablaufventils dieses Ablaufventil zumindest so lange geöffnet bleiben, bis die minimale Öffnungszeit auch tatsächlich überschritten wird, Dies gilt auch dann, wenn bereits früher die Anodendruck-Abweichung den Abweichungsgrenzwert überschreitet, sodass auf diese Weise sichergestellt wird, dass kein unnötig schnelles Schalten des Ablaufventils z. B. aufgrund von hoher Dynamik, insbesondere In einer das Ventil schädigenden Weise, stattinden kann. Dies kann kombiniert oder separat von Einsatz der maximalen Öffnungsdauer erfolgen.

Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren während der Öfnungsdauer und/oder im Anschluss an das Schließen des Ablaufventils auf Basis der Öffnungsdauer eine Ablaufmenge an Flüssigkeit bestimmt wird. Nicht nur eine qualitative Überwachung und Kontrolleingriffe, sondern auch eine quantitative Kontrolle ist hier möglich. So kann auf Basis der gesamten Öffnungsdauer nun, insbesondere auf Basis der bekannten Geometrie des Ablauf ventiis, eine Bestimmung durchgeführt werden, weicher Volumenstrom und damit weiche Gesamtmenge an Flüssigkeit während der Öffnungsdauer durch das Ablaufventil abgelassen worden ist. Dabei wird insbesondere auf einen bekannten Volumenstrom durch eine bekannte Öfnungsgeometrie des Ablaufventils zurückgegriffen. Jedoch können auch zusätzliche physikalische Parameter, insbesondere die Triebkraft für das Ablassen, weiche beispielsweise eine durch die Schwerkraft be-

Darüber hinaus bringt es Vorteile mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren der Anodendruck-Referenzwert exakt dem erfassten Anodendruck zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils entspricht. Darunter ist zu verstehen, dass keine zusätzliche algorithmische Bearbeitung des Anodendrucks mehr notwendig ist, da dieser direkt und exakt als Anodendruck-Referenzwert gesetzt werden kann. Alternativ dazu ist eine variable oder flexible Ausgestaltung des AnodendruckReferenzwertes, aber auch die nachfolgend noch beschriebene algorithmische Korrelation zum erfassten Anodendruck. Bei einem Festseizen des AnodendruckReferenzwertes wird insbesondere kein Nachführen des Anodendrucks bei veränderter Betriebssituation während des Öffnungsvorgangs mehr durchgeführt, sondern vielmehr der Anodendruck-Referenzwert auch bei unterschiedlichen und sich veränderten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems über den Öffnungsvorgang hinweg kontant gehalten.

Alternativ zum voranstehenden Absatz ist es möglich, wenn bei einem erÄfindungsgemäßen Kontrollverfahren der Anodendruck-Referenzwert dem erfassten Anodendruck zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils mit einem Sicherheitsaufschlag entspricht. Mit anderen Worten wird hier der erfasste Anodendruck verwendet, ein Sicherheitsaufschlag addiert und anschließend diese Kombination als AnodendruckReferenzwert gesetzt. Dabei können zum Beispiel zu erwartende Schwankungen, Latenzen oder Messungenauigkeiten direkt berücksichtigt und sozusagen vorab kompensiert werden sowie In den auf diese Weise optimierten AnodendruckReferenzwert integriert werden.

Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontroliverfahren der Anodendruck-Referenzwert über die Öffnungsdauer auf Basis eines Anodenzuführdrucks in einem Anodenzuführabschnitt des Brennsioffzeilensystems varıjert wird. Dadurch, dass nun der Anodendruck abhängig davon ist, in welchem Be-

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren bei einem Überschreiten des Abweichungsgrenzwertes das Ablaufventil sofort geschlossen wird, Alternativ zu einem soforligen Verschließen ist auch ein definiertes Nachlaufen, um insbesondere über diese Nachlaufzeit, wie Später noch erläutert, eine Bestimmung eines definierten Gasverlust an Anodenabgas bestimmen zu können. Das sofortige Schließen führt jedoch zu einer weiteren Optimierung hinsichtlich des Vorteils der gesteigerten Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems, da die Menge an Verlust hinsichtlich Anodenabgas auf ein Mini-

mum reduziert werden kann,

Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem Überschreiten des Abweichungsgrenzwertes die Funktion ausgesetzt wird und stattdessen eine Referenzöffnungsdauer oder eine maximale Öffnungsdauer verwendet wird,

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontroliverfahren eine Nachlaufdauer bestimmt wird, von Überschreiten des Abweichungsgrenzwertes bis zum wieder Unterschreiten des Abweichungsgrenzwertes nach dem Schließen des Ablaufventils, wobel insbesondere auf Basis der bestimmten Nachlaufdauer eine Verlustgasmenge an Anodenabagas durch das geöffnete Ablaufventi! bestimmt wird. Hier ist gut zu erkennen, wie auch hinsichtlich der Gasphase eine quantitative Auswertung des Kontroliverfahrens und eine entsprechende Rückkopp-

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kontrollvorrichtung für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer eines Ablaufventils eines Flüssigkeitsbehälters in einem Anodenabgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems, Eine solche Kontrollvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Öffnungsmodul zum Öffnen des Ablaufventiis zum Ablassen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter vorgesehen ist. Weiter ist ein Erfassungsmodul vorgesehen, zum Erfassen des Anodendrucks in einem Anodenabgasabschnitt zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventiis, Mithilfe eines Setzmoduls wird ein Anodendruck-Referenzwert gesetzt auf Basis des erfassten Anodendrucks, Die Kontrolivorrichtung ist weiter mit einem Überwachungsmodul ausgestattet zum weiteren Überwachen des Anodendrucks während der Öffnungsdauer des Ablaufventiis, Mithilfe eines Bestimmungsmoduls erfolgt ein Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung des überwachten Anodendrucks vom gesetzien Anodendruck-Referenzwertes, Darüber hinaus ist ein Schliekmodul vorgesehen zum Schließen des Ablaufventils, wenn die bestimmte Anodendruck-Abweichung einen Abweichungsgrenzwert überschreitet, Das Öffnungsmodul, das Erfassungsmodul, das Setzmodul, das Überwachungsmodul, das Bestimmungsmodul und/oder das Schließmodul sind insbesondere für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Kantroflverfahrens ausgebildet, Damit bringt eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäBes Kontrollverfahren erläutert worden sind.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veran-

lassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens durchzuführen, Da-

mit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vor-

teile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäß es Kontrollver-

fahren erläutert worden sind.

Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem für eine Erzeugung von elektrischem Strom, Dieses Brennstofzellensystem weist einen Brennstoffzeilenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf, Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt für ein Zuführen von Anodenzuführgas sowie einem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas ausgebildet, Ein solches Brennstoffzeillensystem zeichnet sich dadurch aus, dass im Anodenabführabschnitt ein Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist zum Sammeln von abgeschliedener Flüssigkeit aus dem Anodenabgas mit einem Ablassventil zum Ablassen der gesammelten Flüssigkeit. Ebenfalls ist dort eine Kontrolivorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet, Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäß es Konftroilverfahren erläutert worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Eräindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, In der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ÄAusführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung,

Fig. 4 ein möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßRen Verfahrens,

12 Fig. 5 ein weiterer möglicher Durchlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 6 ein weiterer möglicher Durchlauf eins erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzeilensystem 100 mit einem Brennstoffzeilenstapel 110. Dieser Brennstoffzeilenstapel 110 Ist schematisch unterteilt in einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130. Über einen Anodenzuführabschnitt 122 wird Anodenzuführgas AZG dem Anodenabschnitt 120 zugeführt. Das Anodenzuführgas AZG weist hier insbesondere einen definierten Anteil an Brennstoff auf, weicher innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1710 nun mit über den Kathodenzuführabschnitt 132 zugeführtem Kathodenzuführgas KZG in definierter Weise unter Erzeugung von Strom chemisch reagieren kann, Dabei entsteht Kathodenabgas KAG, weiches über den Kathodenabführabschnitt 134 insbesondere an die Umgebung abgeführt werden kann. Das entstehende Anodenabgas AAG wird über den Anodenabführabschnitt 124 aus dem Anodenabschnitt 120 des Brennstoffzeilenstapels 110 hinausgeführt und über einen Rezirkulationsabschnitt 128 zurückgeführt Das rezirkulierte Anodenabgas AAG, weiches auch als Rezirkulationsgas bezeichnet werden kann, ist durch die chemischen Reaktionsvergänge innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 mit Wasser beladen. Dieses Wasser kann sowohl in flüssiger als auch In gasförmiger Phase vorliegen. Um nun zumindest das Aüssige Wasser abzuscheiden ist ein Wasserabscheider (nicht dargestellt) vorgesehen, weicher insbesondere in den Flüssigkeitsbehälter 140 integriert ist. Der Flüssigkeitsbehälter 140 dient also zumindest dem Aufnehmen und Sammeln der Flüssigkeit F, insbesandere jedoch auch dem Abscheiden dieser Flüssigkeit aus dem Anodenabgas AAG in dem Rezirkulationsabschnitt 128. Da der Flüssigkeitsbehälter 140 ein endiiches Sammelvolumen aufweist, kann die gesammelte Flüssigkeit F über ein Ablassventi! 142 hier an die Umgebung abgelassen werden. Um diesen Vorgang, welcher auch als Drain-Vorgang bezeichnet werden kann, zu kontrollieren, ist eine Kontrollvorrichtung 10 vorgesehen, weiche zum Beispiel gemäß der Figur 3 ausgebildet sein kann. Als ein Eingangsparameter ist daher die Kontrollvorrichtung 10 hier signalkommunizierend nicht nur mit dem Ablassventil 142, sondern darüber hinaus auch

mit einem Anodendruck-Sensor 126 verbunden.

Anhand einer Kontrollvorrichtung 10 der Figur 3 wird nun schematisch der Durchlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Das links und rechts dargestellte Ablassventil 142 ist hier jeweils dasselbe, wobei auf der linken Seite der Figur 3 der Öffnungsvorgang und auf der rechten Seite der Figur 3 der Schließvorgang dargestellt ist.

Gemäß der Figur 3 startet die Kontroflvorrnichtung 10 damit, dass zum Beispiel auf externe Vorgabe, beispielsweise auf Basis eines definierten maximalen Füllstandes innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 140, das Öffnungsmodul 20 das Ablassventil 142 öffnet. So kann nun zum Beispiel mittels Schwerkraft oder durch den Überdruck im Anodenabführabschnitt 124 die Flüssigkeit F über das Ablassventil 142 den FIüssigkeitsbehälter 140 verlassen. Zu diesem Zeitpunkt, nämlich exakt zum Zeitpunkt des Öffnens mithilfe des Öffnungsmoduls 20, wird der Anodendruck AP hier über den Anodendruck-Sensor 126 vom Erfassungsmodul 30 erfasst, Dieser erfasste Anodendruck AP wird weitergegeben an ein Setzmodul 40 und dort entweder direkt oder mit einem Sicherheitsaufschlag als Anodendruck-Referenzwert APR gesetzt.

Über den weiteren Öffnungsvorgang erfolgt ein vorzugsweise kontinulerliches Überwachen des Anodendrucks AP wieder über den Anodendruck-Sensor 126 nun mit Hilfe des Überwachungsmoduls 50. Das Überwachungsmodul 50 übergibt den erfassten und kontinulerlich überwachten Anodendruck AP nun an ein Bestimmungsmodul SO, weiches im Vergleich mit dem gesetzten Anodendruck-Referenzwert APR eine Anodendruck-Abweichung APA ebenfalls in kontinulerlicher Weise bestimmen kann, Im abschließenden Schritt wird nun mit Hilfe des SchlieRmoduls ein Vergleich

In der Figur 4 ist ein möglicher Verlauf der Parameter bei einem erfindungsgemäßen Kontroilverfahren dargestellt. Von links nach rechts sind jeweils die Zeitachsen auf getragen, wobei unterschiedliche Parameter betrachtet sind. Im oberen Diagramm ist der Verlauf des Anodendrucks AP dargestellt, Die linke gestrichelte senkrechte Linie stellt den Start des Öffnungsvorgangs und damit den Beginn der Öffnungsdauer OD dar. Zu diesem Zeitpunkt wird der exakt zum Öffnungszeitpunkt erfasste Anodendruck AP hier ohne jeglichen Aufschlag als Anodendruck-Referenzwert APR gesetzt, wie dies im oberen Diagramm zu erkennen ist. Über den weiteren Verlauf steigt der Anodendruck AP leicht an und sinkt dann ab einer gewissen Dauer stark ab. Diese jeweilige Differenz wird als Anodendruck-Abweichung APA kontnulerlich überwacht und ist separat im unteren Diagramm über die gleiche Zeitdauer aufgetragen. Über den Beginn der Öffnungsdauer OD verläuft der Anodendruck AP knapp oberhalb beziehungsweise knapp unterhalb des Anodendruck-Referenzwert APR, sodass entsprechend auch die Anodendruck-Abweichung APA im Wesentlichen konstant bleibt. Sobald die Anodendruck-Abweichung APA deutlich größer wird, steigt diese so weiter an, sodass ein Abweichungsgrenzwert AG überschritten wird, wie dies im unteren Diagramm zu erkennen ist. Der Zeitpunkt des Überschreitens des Abweichungsgrenzwertes AG stellt nun das Signal dar, welches zum Schließen des Ablassventils 142 und damit zum Beenden der Öffnungsdauer OD führt. Hier ist gut zu erkennen, dass nach dem Schließen des Ablaufventils 142 der Anodendruck AP wieder ansteigt und entsprechend die Anodendruck-Abweichung APA wieder absinkt.

In der Figur 5 ist eine ähnliche Situation wie in der Figur 4 dargestellt, jedoch sinkt der Anodendruck AP nicht so weit ab, dass eine Anodendruck-Abweichung APA den Abweichungsgrenzwert AG übersteigen würde, Trotzdem schließt ein erfindungsgemäßes Kontroliverfahren nach einer definierten Öffnungsdauer OD nun das Ablassventi! 142, nämlich dann, wenn die maximale Öffnungsdauer von OD-MAX erreicht worden ist. Zusätzlich ist hier noch eine Mindestöfinungsdauer OD-MIN angegeben, sodass bei dieser Ausführungsform des Kontroliverfahrens eine minimale OD-MIN

und eine maximale Öffnungsdauer OD-MAX jeweils als eingrenzender Korridar für

das Kontroliverfahren vorgegeben sind.

Auch die Figur S zeigt eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens hinsichtlich mehrerer Merkmale, die selbstverständlich frei untereinander kombiniert werden können, So wird hier nun zu Beginn des Öffnungsvorgangs und damit beim Starten der Öffnungsdauer OD im oberen Diagramm nicht der zu diesem Öffnungszeitpunkt vorherrschende Anodendruck AP direkt als AnodendruckReferenzwert APR gesetzt. Vielmehr wird ein Sicherheitsaufschlag vorgesehen und der Anodendruck-Referenzwert APR legt entsprechend um diesen Sicherheitsaufschlag höher als der zu diesem Öffnungszeitpunkt erfasste Anodendruck AP, Dies führt dazu, dass sich über den gesamten Verlauf auch eine höhere AnodendruckAbweichung APA einstellt, welche diesen Sicherheitsaufschlag inkludiert und zu einem früheren Zeitpunkt gemäß dem unteren Diagramm in der Figur 6 den Anodengrenzwert AG, im Vergleich zur Figur 4, überschritten wird. Die Öffnungsdauer OD ist dementsprechend kürzer als in der Figur 4.

Darüber hinaus wird bei dieser Ausführungsform zusätzlich noch eine Nachlaufdauer ND erfasst, nämlich der Zeitraum, weicher nach dem Überschreiten der Abweichungsgrenze AG und dem damit einhergehenden Schließen des Ablassventils 142 verbleibenden Zeitdauer bis die Anodendruck-Abweichung APA den Abweichungsgrenzwert AG wieder unterschreitet.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

16 Bezugszeichenliste 10 Kontrofivorrichtung 20 Öffnungsmodul 30 Erfassungsmodul 40 Setzmodul 50 Überwachungsmodul SO Bestimmungsmadul 70 Schließmoadul 100 Brennstoffzellensystem 1710 Brennstoffzeilenstapel 120 Anodenabschnitt 122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 126 Anodendruck-Sensor 128 Rezirkulationsabschnitt 130 Kathodenabschnitt 132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Fliüssigkeitsbehälter 142 Ablassventil 144 Entgasungsventi OD Öffnungsdauer OD-MAX maximale Öffnungsdauer OD-MIN minimale Öffnungsdauer AP Anodendruck APR Anodendruck-Referenzwert APA Anodendruck-Abweichung AG Abweichungsgrenzwert ND Nachlaufdauer F Fiüssigkeit AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Kontrollverfahren für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer (OD) eines Ablaufventils (142) eines Flüssigkeitsbehälters (140) in einem Anodenabgasabschnitt (124) eines Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

   - Öffnen des Ablaufventis (142) zum Ablassen von Flüssigkeit (F} aus dem Fiüssigkeitsbehälter (140),

   - Erfassen des Anodendrucks (AP) im Anodenabgasabschnitt (124) zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142),

   - Setzen eines Anodendruck-Referenzwertes (APR) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AP),

   - Weiteres Überwachen des Anodendrucks (AP) während der Öffnungsdauer (OD) des Ablaufventiis (142),

   - Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung (APA) des überwachten Anodendrucks (AP) vom gesetzten Anodendruck-Referenzwert (APR),

   - Schließen des Ablaufventiis (142) wenn die bestimmte AnadendruckAbweichung (APA) einen Abweichungsgrenzwert (AG) überschreitet,

   2. Kontroliverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maximale Öffnungsdauer (OD-MAX) vorgegeben wird, wobei das Ablaufventil (142) geschlossen wird, wenn die maximale Öffnungsdauer (OD-MAX) erreicht

   wird.

   3. Kontroliverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Öffnungsdauer (OD-MAX) auf Basis wenigstens eines Betriebsparameters des Brennstoffzeilensystems (100) vorgegeben wird.

   4. Kontroiiverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine minimale Öffnungsdauer (QOD-MIN) vorgegeben wird, wobei das Ablaufventil (142) mindestens über die minimale Öffnungszeit (OD-MIN) geöffnet bleibt.

   8. Kontroilverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendruck-Referenzwert (APR) exakt dem erfassten Anodendruck (AF} zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142) entspricht.

   7. Kontroilverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendruck-Referenzwert (APR) dem erfassten Anodendruck {AP} zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142) mit einem Sicherheitsaufschlag entspricht.

   8. Kontroilverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendruck-Referenzwert (APR) über die Öffnungsdauer (OD) auf Basis eines Anodenzuführ-Drucks in einem Anodenzuführabschnitt (122) des Brennstoffzeilensystems (100) variiert wird.

   8. Kontroilverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachlaufdauer (ND) bestimmt wird, von dem Überschreiten des Abweichungsgrenzwerts (AG) bis zum wieder Unterschreiten des Abweichungsgrenzwerts (AG) nach dem Schließen des Ablaufventils (142), wobei insbesondere auf Basis der bestimmten Nachlaufdauer (ND) eine Verlustgasmenge an Anodenabgas (AAG) durch das geöffnete Ablaufventil (142) bestimmt wird.

   10. Kontrollvorrichtung (10) für eine Kontrolle einer Öffnungsdauer (OD) eines Ablaufventiis (142) eines Fiüssigkeitsbehälters (140) in einem Anodenabgasabschnitt (124) eines Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch ein Öffnungsmodul (20) zum Öffnen des Ablaufventils (142) zum Ablassen von Flüssigkeit {F} aus dem Flüssigkeitsbehälter (140), ein Erfassungsmodul (30) zum Erfassen des Anodendrucks (AP) im Anodenabgasabschnitt (124) zum Zeitpunkt des Öffnens des Ablaufventils (142), ein Setzmodul (40) zum Setzen eines Anodendruck-Referenzwertes (APR) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AP), ein Überwachungsmadul (SO) zum weiteren Überwachen des

   Anodendrucks (AP) während der Öffnungsdauer (OD) des Ablaufventils (142), ein Bestimmungsmodul (60) zum Bestimmen einer Anodendruck-Abweichung (APA) des überwachten Anodendrucks (AP) vom gesetzten AnodendruckReferenzwert (APR) und ein Schließmodul (70) zum Schließen des Ablaufventils (142) wenn die bestimmte Anodendruck-Abweichung (APA)} einen Abweichungsgrenzwert (AG) überschreitet, wobei das Öffnungsmodul (20), das Erfassungsmodul (30), das Setzmodul (40), das Überwachungsmodul (50), das Bestimmungsmoadul (S0) und/oder das Schließmadul (70) insbesondere für eine Ausführung eines der Kontrollverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.

   11. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Kontrollverfahrens mit Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

   12. Brennstoffzeilensystem (100) für die Erzeugung von elektrischem Strom, aufweisend einen Brennstofzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), wobei der Anodenabschnitt (120) einen Anodenzuführabschnitt (122) für ein Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG) aufweist, wobei weiter der Kathodenabschnitt (130) einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenabführabschnitt (124) ein Flüssigkeitsbehälter (140) angeordnet ist zum Sammeln von abgeschiedener Flüssigkeit (F} aus dem Anaodenabgas (AAG) mit einem Ablassventil (142) zum Ablassen der gesammelten Flüssigkeit (F}) und eine Kontrollvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 10.