WO2020247998A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum spülen eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum spülen eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, comprising a fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an anode feed line for conveying fuel from a fuel source to the anode section, a fuel feed device for feeding the fuel in the anode feed line to the anode section, an anode outlet line for discharging anode exhaust gas from the anode section into the environment, and a flushing unit for flushing the anode section.
  • the invention also relates to a method for setting a mode of operation of such a method
  • the invention also relates to a
  • Computer program product for performing such a method and a storage device for storing a computer program product.
  • a flushing unit of the generic type is used in a fuel cell system in an anode outlet line for flushing the anode section.
  • the flushing unit is used in particular to convey nitrogen in the anode section away from there into the environment.
  • the nitrogen can pass from the cathode section of the fuel cell stack through the membrane of the fuel cell stack into the anode section and from there into the anode outlet line. From there, the nitrogen can be used together with fuel, for example in the form of
  • the anode section can be flushed by the flushing unit, for example by opening a flushing valve of the flushing unit.
  • the flushing valve As soon as the flushing valve is opened or the flushing process is started, the pressure in the anode section drops.
  • Such a pressure drop can lead to a critical pressure difference between the anode section and the cathode section, which can damage the membrane.
  • the object of the present invention is that described above
  • the fuel cell system has at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an anode feed line for conducting fuel from a fuel source to the anode section
  • Fuel supply device for supplying the fuel in the
  • the procedure consists of the following steps: Determining a flush start time and / or a flush duration in which the
  • the anode section is to be rinsed by the rinsing unit, and
  • Flushing operation-specific fuel supply operation is carried out before and / or during the determined flushing duration.
  • the fuel supply device is accordingly already set in the fuel supply operation specific to the flushing operation when the flushing process has not yet taken place or at least has not yet taken place completely. That is, according to the invention, the
  • Fuel feed device with a view to the flushing operation-specific
  • Fuel supply operation can be set in advance. In the present case, this is implemented in particular with the aim of preventing a possible pressure difference between the anode section and the cathode section as preventively as possible and not, as was customary up to now, of correcting it subsequently.
  • the fuel feed device can switch from normal operation to the fuel feed operation specific to the purging operation based on the determined purging start time and / or purging duration for a preventive pressure equalization between the anode section and the
  • Cathode section can be adjusted.
  • the fuel supply device is preferably adjusted in such a way that a mass flow of the fuel is increased in the flushing operation-specific fuel supply operation compared to normal operation, whereby the desired flow rate is increased
  • the anode outlet mass flow increases and the stack outlet pressure decreases. This leads to the pressure on the fuel tape inlet decreasing.
  • the injection time of the anode supply device injector and / or ejector system, pressure regulator, etc.
  • the injection time of the anode supply device can be modified in order to ensure that the anode supply mass flow is increased and a stable anode inlet pressure is achieved.
  • the fuel supply unit is preferably arranged in and / or on the anode supply line. That is, the fuel supply unit can be part of the
  • the fuel supply unit can correspondingly be arranged upstream of the anode section and downstream of the fuel source.
  • the fuel source can be in the form of a fuel tank
  • the flushing unit is preferably in and / or on the anode outlet line
  • the flushing unit can form part of the anode outlet line.
  • the rinsing unit can correspondingly be arranged downstream of the anode section.
  • the flushing unit is preferably designed in the form of a flushing valve or outlet valve or has a corresponding valve.
  • the flushing valve can be switched from a blocking state to an open state in order to flush the anode section.
  • the anode supply line can be understood to mean an anode gas supply line through which an operating fluid such as hydrogen and / or a
  • Hydrocarbon-containing fuel optionally together with water vapor, can be passed to an inlet section of the anode section.
  • Anode outlet line can be understood to be an anode exhaust gas line which conducts anode gas or spent fuel through an outlet section of the anode section into the environment.
  • the anode gas supply line and the anode gas outlet line can each be understood to mean a corresponding line system. This means that the respective line does not have to be on a single one
  • Pipeline can be viewed to a limited extent, but can also have functional components through which the respective fluid can at least partially be passed.
  • Fuel feed device can also be switched to the purging operation-specific fuel feed operation at a start time of purging and / or shortly thereafter.
  • the at least one fuel cell stack each has an anode section, a cathode section and an electrolyte membrane which is sandwiched between the anode section and the cathode section.
  • the fuel feed device can switch from normal operation to the fuel feed operation specific to the purging operation based on the determined purging start time and / or purging duration for a preventive pressure equalization between the anode section and the
  • Cathode section can be adjusted to protect the electrolyte membrane.
  • the rinsing start time is to be understood as the point in time at which the rinsing process for rinsing the anode section and / or a
  • Anode path which at least partially the anode supply line, the
  • the flushing start time is understood to mean a point in time at which a valve (flushing valve) preferably opens in order to begin flushing.
  • the flushing duration is to be understood as the time in which the flushing process for flushing the anode section and / or an anode path, which at least partially includes the anode feed line, the anode outlet line and a recirculation line for recirculating anode exhaust gas into the
  • the flushing duration is understood to mean any time span during which a valve (flushing valve) is preferably open (in an open position).
  • both the flush start time and the flush duration are determined.
  • the fuel supply device has at least one injector and by adjusting the fuel supply device from normal operation to
  • Injection frequency of the injector can be adjusted.
  • the injector can be designed in the form of an injection nozzle, an ejector or preferably as an injector-ejector.
  • Under the Duty cycle is to be understood as a degree of control or a duty cycle that specifies the ratio of the pulse duration to the period duration for a periodic sequence of pulses according to standardization.
  • the duty cycle is in a range between 0 and 1 or
  • the value of the duty cycle can be increased by a predefinable and / or calculable value.
  • the injector is adjusted from normal operation to the fuel supply operation specific to the purging operation, the value of the duty cycle can be increased by a predefinable and / or calculable value.
  • the injection frequency can be increased by a predefinable value.
  • Adjusted anode section According to the invention, two, three or more injectors can also be provided. It is beneficial if one is included
  • Recirculation line is provided.
  • the fuel cell system has a recirculation line for conducting anode exhaust gas from the anode section to the fuel supply device and a recirculation pump for pumping the anode exhaust gas through the
  • Recirculation pump is adjusted based on the determined flushing start time and / or flushing duration from normal operation to flushing-specific pumping operation, and the shifting to flushing-specific pumping operation is performed before and / or during the determined flushing duration. It has been shown that it is advantageous for the desired pressure equalization, even if the
  • Operating mode for the controlled increase in the mass flow of the recirculated anode exhaust gas is set. This can also be implemented quickly, easily and reliably in terms of control and / or regulation technology.
  • Recirculation pump with pressure regulator is used, whereby these can also be combined. It is always an advantage if a recirculation line is provided. An injector-ejector and / or a recirculation pump with pressure regulator is then advantageously arranged in this.
  • a pressure difference between the anode section and the cathode section is determined, in particular continuously determined, the fuel supply operation specific to the flushing operation being the
  • Fuel supply device and / or the flushing operation-specific pump operation of the recirculation pump can be regulated on the basis of the determined pressure difference. This allows a differential pressure between the anode section and the
  • Cathode section can be kept continuously at the desired value in a simple and reliable manner.
  • the adjustment of the fuel feed device to the fuel feed operation specific to the purging operation therefore does not have to be limited to a one-time control step, but can rather be
  • Control loop can be understood.
  • the flushing operation-specific fuel supply operation can be determined before and / or during the
  • the flushing duration can be continuously regulated by various measurement parameters.
  • Fuel cell system provided.
  • the fuel cell system has a fuel cell stack with an anode section and a
  • Cathode section an anode feed line for conducting fuel from a fuel source to the anode section, a fuel feed device to the
  • the fuel cell system also has a
  • Purge time determination unit for determining a purge start time and / or a
  • Purge duration in which the anode section is to be purged by the purge unit and an adjustment unit for moving the fuel supply device from normal operation to a purge operation-specific fuel supply operation before and / or during the determined purge duration based on the determined purge start time.
  • a fuel cell system according to the invention thus brings the same advantages as have been described in detail with reference to the device according to the invention. According to the method described above, it is possible in a fuel cell system according to the invention that the
  • the fuel supply device has an injector or is designed as such and the adjusting unit has at least one adjusting means for adjusting the
  • the injector can be designed in the form of an injection nozzle, an ejector or an injector-ejector.
  • the injector can have a nozzle for supplying a primary fuel in the form of the fuel from the fuel source into a mixing chamber of the injector.
  • the injector can have a secondary fuel inlet for admitting secondary fuel in the form of recirculated anode exhaust gas into the mixing chamber.
  • the injector can have a diffuser downstream of the
  • the setting unit can have a key module for setting or controlling and / or regulating the duty cycle.
  • the setting unit can be a frequency module for setting or controlling and / or regulating the
  • the injector can be set efficiently and reliably.
  • Fuel cell system has a recirculation line for conducting anode exhaust gas from the anode section to the fuel supply device and a recirculation pump for pumping the anode exhaust gas through the recirculation line
  • Fuel supply device are configured, wherein the adjustment unit
  • the adjustment unit can preferably also be a pump module for adjusting the recirculation pump from normal operation to one based on the determined flushing start time and / or flushing duration
  • the recirculation pump can be in and / or on the
  • Recirculation line in particular downstream of an anode outlet of the anode section and upstream of an anode inlet of the anode section.
  • the recirculation line is preferably designed to return the anode off-gas from the anode section via the anode outlet line and the anode feed line back to the anode section. That is, the
  • Recirculation line can be designed as a connecting line for a fluid connection between the anode outlet line and the anode supply line.
  • the fuel cell system has a pressure determination unit for determining a pressure
  • the adjustment unit is a control unit for regulating the
  • Proposed computer program product that comprises instructions that are used in the
  • the computer program product can be used as a
  • the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium such as a data disc, a removable drive, a volatile or non-volatile memory, or a built-in memory / processor.
  • the instruction code can program a computer or other programmable device such as a controller to perform the desired functions.
  • the computer program product can be made available or be in a network such as the Internet, from which it can be downloaded by a user if necessary.
  • the computer program product can both by means of a computer program, ie software, and by means of one or more special electronic circuits, ie, in hardware, or in any hybrid form, ie by means of software components and hardware components.
  • a computer is to be understood as any playback device which is used for
  • a storage means is proposed with a computer program stored thereon and as described above.
  • the storage medium includes a non-volatile one
  • the storage means can be designed in the form of a data disc, a removable drive or a processor or controller.
  • a controller is also proposed with a computer program product installed therein, as described above.
  • the controller can include the pressure determination unit, the flushing time determination unit for determining the impending flushing start time and / or the flushing duration, as well as the adjustment unit with adjusting means, control unit for adjusting the
  • Functional units can be implemented in the form of software and / or hardware components of the controller.
  • Figure 1 is a block diagram for describing a fuel cell system
  • FIG. 2 shows a flow chart for explaining a method according to a first
  • FIG. 3 shows a flow chart to explain a method according to a second
  • FIG. 1 is a schematic block diagram for describing a
  • Fuel cell system 1 shown according to a preferred embodiment.
  • the fuel cell system 1 has a fuel cell stack 2 with a
  • the fuel cell system 1 has an anode supply line 5 for conducting fuel from a fuel source 6 to the anode section 3, a fuel supply device 7 for supplying the fuel through the anode supply line 5
  • Anode section 3 an anode outlet line 8 for discharging anode exhaust gas from the anode section 3 into the surroundings of the fuel cell system 1, and a flushing unit 9 for flushing the anode section 3.
  • the fuel cell system 1 has a cathode feed line 18 for conducting
  • Cathode gas in particular in the form of air, to the cathode section 4 and a cathode outlet line 19 for conducting cathode exhaust gas or cathode exhaust air away from the cathode section 4 into the surroundings of the fuel cell system 1.
  • Cathode gas in particular in the form of air, to the cathode section 4 and a cathode outlet line 19 for conducting cathode exhaust gas or cathode exhaust air away from the cathode section 4 into the surroundings of the fuel cell system 1.
  • the fuel source 6 is a pressure reduction unit 12 in the form of a shut-off valve for reducing pressure in the anode supply line 5 and, accordingly, in the
  • Anode section 3 arranged.
  • the fuel cell system 1 also has a controller 17 with a
  • Flushing time determination unit 14 for determining a flushing start time and / or a flushing duration in which the anode section 3 is to be or will be flushed by the flushing unit 9, as well as an adjustment unit 15 for adjusting the
  • Fuel feed device 7 from normal operation to one
  • the fuel supply device 7 is designed in the form of at least one injector-ejector. In principle, several injectors and / or ejectors and / or combinations thereof can also be provided.
  • the adjustment unit 15 has two adjusting means in the form of a duty cycle module 15a and a frequency module 15b for adjusting the fuel supply device 7 from normal operation to
  • Flushing operation-specific fuel supply operation by adjusting a
  • Duty cycle and / or an injection frequency of the injector I.e., around the
  • Injection frequency can be increased.
  • the fuel cell system 1 there is a recirculation line 10 for conveying anode exhaust gas from the anode section 3 to the fuel supply device 7 and a recirculation pump 11 for pumping the anode exhaust gas through the recirculation line 10 for conveying anode exhaust gas from the anode section 3 to the fuel supply device 7 and a recirculation pump 11 for pumping the anode exhaust gas through the recirculation line 10 for conveying anode exhaust gas from the anode section 3 to the fuel supply device 7 and a recirculation pump 11 for pumping the anode exhaust gas through the
  • Recirculation line 10 designed to fuel supply device 7, the adjustment unit 15 having a pump module 15c for adjusting the recirculation pump 11 based on the determined flushing start time and / or flushing duration from normal operation to a flushing operation-specific pumping operation before the determined flushing start time.
  • a pressure regulator and / or the recirculation pump 11 is provided instead of the injector-ejector.
  • controller 17 has a pressure determination unit 13
  • the adjustment unit 15 Determining a pressure difference between the anode section 3 and the cathode section 4, the adjustment unit 15 having a control unit 15d for regulating the fuel supply operation specific to the purging operation
  • a computer program product 16 is installed in the controller 17, which comprises commands which, when the computer program product 16 is executed by a computer, in the present case in the form of the controller 17, cause the computer to enter
  • a first step S1 an impending flushing duration is first determined in which the anode section is to be flushed by the flushing unit 9.
  • the fuel feed device 7 is adjusted or set from normal operation to a fuel feed operation specific to a purging operation on the basis of the determined purging duration, the shifting to the purging operation specific
  • Fuel supply operation before and / or during the determined purging time is carried out.
  • the fuel cell system 1 shown in FIG. 1 and the fuel supply device 7 built therein in the form of an injector-ejector when the fuel supply device 7 is adjusted from
  • FIG. 3 shows a flow diagram for explaining a method for setting the fuel cell system 1 according to a second embodiment.
  • Steps S10 and S20 here correspond to steps S1 and S2 of the method explained with reference to FIG. 2.
  • step S30 is also carried out, in which the recirculation pump 11 is switched from normal operation to a pumping operation-specific pumping operation based on the determined purging duration, the displacement to purging operation-specific pumping operation also being carried out before and / or during the determined purging duration.
  • a pressure difference between the anode section 3 and the cathode section 4 is then continuously determined in a step S40.
  • the flushing operation-specific fuel supply operation of the fuel supply device 7 and / or the washing operation-specific pumping operation of the recirculation pump 11 are regulated in a subsequent step S50.
  • the invention allows further embodiments in addition to the illustrated embodiments

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems (1), das wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), eine Anodenzuführleitung (5) zum Leiten von Brennstoff von einer Brennstoffquelle (6) zum Anodenabschnitt (3), eine Brennstoffzuführvorrichtung (7) zum Zuführen des Brennstoffs in der Anodenzuführleitung (5) zum Anodenabschnitt (3), eine Anodenauslassleitung (8) zum Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) in die Umgebung, und eine Spüleinheit (9) zum Spülen des Anodenabschnitts (3) umfasst, aufweisend die Schritte: Ermitteln einer Spül-Startzeit und/oder einer Spüldauer, in welcher der Anodenabschnitt (3) durch die Spüleinheit (9) gespült werden soll, und Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung (7) von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb anhand der ermittelten Spül-Startzeitpunktes und/oder Spüldauer, wobei das Verstellen in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (1), ein Computerprogrammprodukt (16) sowie ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (16) zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZUM SPÜLEN EINES
BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, eine Anodenzuführleitung zum Leiten von Brennstoff von einer Brennstoffquelle zum Anodenabschnitt, eine Brennstoffzuführvorrichtung zum Zuführen des Brennstoffs in der Anodenzuführleitung zum Anodenabschnitt, eine Anodenauslassleitung zum Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt in die Umgebung, und eine Spüleinheit zum Spülen des Anodenabschnitts. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einstellen einer Betriebsweise eines derartigen
Brennstoffzellensystems. Außerdem betrifft die Erfindung ein
Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie ein Speichermittel zum Speichern eines Computerprogrammprodukts.
Eine gattungsgemäße Spüleinheit wird in einem Brennstoffzellensystem in einer Anodenauslassleitung zum Spülen des Anodenabschnitts verwendet. Die Spüleinheit wird hierbei insbesondere dazu verwendet, um Stickstoff im Anodenabschnitt von dort weg in die Umgebung zu befördern. Der Stickstoff kann vom Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels durch die Membran des Brennstoffzellenstapels in den Anodenabschnitt und von dort in die Anodenauslassleitung gelangen. Von da aus kann der Stickstoff zusammen mit Brennstoff, beispielsweise in Form von
Wasserstoff, über eine Rezirkulationsleitung und eine Anodenzuführleitung wieder in den Anodenabschnitt gelangen. Um ein solches Gemisch zeitweise abzuführen, kann der Anodenabschnitt durch die Spüleinheit, beispielsweise durch Öffnen eines Spülventils der Spüleinheit, gespült werden. Sobald das Spülventil geöffnet wird bzw. der Spülvorgang gestartet wird, sinkt der Druck im Anodenabschnitt. Ein solcher Druckabfall kann zu einer kritischen Druckdifferenz zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt führen, durch welche die Membran beschädigt werden kann. Um dies zu verhindern, ist es im Stand der Technik bekannt, einen solchen Druckabfall mit Sensoreinheiten zu erkennen. Sobald der Druckabfall erkannt wird, kann beispielsweise durch eine geeignete Ansteuerung des Injektors dem
Druckabfall entgegengewirkt werden. Die Spülvorgänge finden im hochdynamischen Betrieb des Brennstoffzellensystems jedoch relativ häufig statt und durch die
Verzögerung zwischen dem Druckabfall und dem Ergreifen der Gegenmaßnahmen kann es trotzdem zu unerwünschten Druckabfällen und daraus resultierenden Spannungsschäden im Brennstoffzellenstapel kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen
Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems sowie ein solches Brennstoffzellensystem zu schaffen, mit welchen Spannungsschäden auf einfache und zuverlässige Weise verhindert werden können. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Computerprogrammprodukt sowie ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines solchen Verfahrens zur
Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, das Com puterprogramm produkt gemäß Anspruch 9 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 10 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
Com puterprogramm produkt, dem erfindungsgemäßen Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Einstellen einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, eine Anodenzuführleitung zum Leiten von Brennstoff von einer Brennstoffquelle zum Anodenabschnitt, eine
Brennstoffzuführvorrichtung zum Zuführen des Brennstoffs in der
Anodenzuführleitung zum Anodenabschnitt, eine Anodenauslassleitung zum
Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt in die Umgebung, und eine Spüleinheit zum Spülen des Anodenabschnitts, auf. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln einer Spül-Startzeit und/oder einer Spüldauer, in welcher der
Anodenabschnitt durch die Spüleinheit gespült werden soll, und
Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb anhand der ermittelten Spül- Startzeit und/oder Spüldauer, wobei das Verstellen in den
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer durchgeführt wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Brennstoffzuführvorrichtung demnach bereits dann in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb eingestellt, wenn der Spülvorgang noch gar nicht stattgefunden hat oder zumindest noch nicht vollständig stattgefunden hat. D.h., erfindungsgemäß kann die
Brennstoffzuführvorrichtung mit Blick auf den spülbetriebspezifischen
Brennstoffzuführbetrieb bzw. jeweils auf jeden spülbetriebspezifischen
Brennstoffzuführbetrieb vorausschauend eingestellt werden. Dies wird vorliegend insbesondere mit dem Ziel umgesetzt, einen etwaigen Druckunterschied zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt möglichst präventiv zu verhindern und nicht, wie bisher üblich, nachträglich zu korrigieren. Mit anderen Worten, die Brennstoffzuführvorrichtung kann vom Normalbetrieb in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb anhand der ermittelten Spül-Startzeit und/oder Spüldauer für einen präventiven Druckausgleich zwischen dem Anodenabschnitt und dem
Kathodenabschnitt verstellt werden.
Die Brennstoffzuführvorrichtung wird dafür vorzugsweise dahingehend verstellt, dass im spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb im Vergleich zum Normalbetrieb ein Massenstrom des Brennstoffs erhöht wird, wodurch der gewünschte
Druckausgleich entsprechend realisiert werden kann.
Aufgrund des hohen Massenstroms durch den Anodenstapeiauslass bei offenem Spüiventi! steigt der Anodenauslassmassenstrom an und der Stapeiauslassdruck nimmt ab. Dies führt dazu, dass ein Druck am Brennstoffze!ienstape!einlass ab nimmt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren, weiß man, wenn das Ventil öffnen wird. Dadurch ist die Einspritzzeit der Anodenversorgungsvorrichtung (Injektor und/oder Ejektorsystem, Druckregler usw.) modifizierbar, um sicherzustellen, dass der Anodenversorgungsmassenstrom erhöht wird und ein stabiler Anodeneiniass- druck erreicht wird.
Die Brennstoffzuführeinheit ist vorzugsweise in und/oder an der Anodenzuführleitung angeordnet. D.h., die Brennstoffzuführeinheit kann einen Teil der
Anodenzuführleitung bilden. Die Brennstoffzuführeinheit kann entsprechend stromaufwärts des Anodenabschnitts und stromabwärts der Brennstoffquelle angeordnet sein. Die Brennstoffquelle kann in Form eines Brennstofftanks
bereitgestellt sein.
Die Spüleinheit ist vorzugsweise in und/oder an der Anodenauslassleitung
angeordnet. D.h., die Spüleinheit kann einen Teil der Anodenauslassleitung bilden. Die Spüleinheit kann entsprechend stromabwärts des Anodenabschnitts angeordnet sein. Die Spüleinheit ist vorzugsweise in Form eines Spülventils bzw. Auslassventils ausgestaltet oder weist ein entsprechendes Ventil auf. Das Spülventil kann zum Spülen des Anodenabschnitts von einem Sperrzustand in einen Durchlasszustand geschaltet werden.
Unter der Anodenzuführleitung kann eine Anodengaszuführleitung verstanden werden, durch die ein Betriebsfluid wie Wasserstoff und/oder ein
kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, ggf. zusammen mit Wasserdampf, zu einem Eingangsabschnitt des Anodenabschnitts geleitet werden können. Unter der
Anodenauslassleitung kann eine Anodenabgasleitung verstanden werden, die Anodengas bzw. verbrauchten Brennstoff durch einen Ausgangsabschnitt des Anodenabschnitts in die Umgebung leitet. Unter der Anodengaszuführleitung und der Anodengasauslassleitung kann jeweils ein entsprechendes Leitungssystem verstanden werden. D.h., die jeweilige Leitung muss nicht auf eine einzige
Rohrleitung beschränkt betrachtet werden, sondern kann auch Funktionsbauteile aufweisen, durch welche das jeweilige Fluid zumindest teilweise geleitet werden kann.
Das Verstellen in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb wird
vorzugsweise ausschließlich zeitlich vor der ermittelten Spül-Startzeit, also noch vor Beginn des Spülvorgangs, durchgeführt. Gleichwohl kann die
Brennstoffzuführvorrichtung auch zu einem Startzeitpunkt des Spülens und/oder kurz darauf in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb geschaltet werden. Der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel weist jeweils einen Anodenabschnitt, einen Kathodenabschnitt sowie eine Elektrolytmembran, die sandwichartig zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt aufgenommen ist, auf. Die Brennstoffzuführvorrichtung kann vom Normalbetrieb in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb anhand der ermittelten Spül-Startzeit und/oder Spüldauer für einen präventiven Druckausgleich zwischen dem Anodenabschnitt und dem
Kathodenabschnitt zum Schutz der Elektrolytmembran verstellt werden.
Unter der Spül-Startzeit ist im Rahmen der Erfindung der Zeitpunkt zu verstehen, in welcher der Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts und/oder eines
Anodenpfades, welcher zumindest teilweise die Anodenzuführleitung, die
Anodenauslassleitung sowie eine Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation von
Anodenabgas in die Anodenzuführleitung und/oder in den Anodenabschnitt aufweist, startet. Insbesondere wird unter der Spül-Startzeit also ein Zeitpunkt verstanden, an welchem bevorzugt ein Ventil (Spülventil) öffnet, um mit dem Spülen zu beginnen.
Unter der Spüldauer ist im Rahmen der Erfindung die Zeit zu verstehen, in welcher der Spülvorgang zum Spülen des Anodenabschnitts und/oder eines Anodenpfades, welcher zumindest teilweise die Anodenzuführleitung, die Anodenauslassleitung sowie eine Rezirkulationsleitung zur Rezirkulation von Anodenabgas in die
Anodenzuführleitung und/oder in den Anodenabschnitt umfasst, durchgeführt wird. Insbesondere wird unter der Spüldauer also jede Zeitspanne verstanden, während welcher bevorzugt ein Ventil (Spülventil) offen (in einer geöffneten Stellung) ist.
Besonders bevorzugt werden sowohl die Spül-Startzeit und die Spüldauer ermittelt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Brennstoffzuführvorrichtung zumindest einen Injektor aufweist und durch das Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung vom Normalbetrieb in den
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb ein Tastgrad und/oder eine
Einspritzfrequenz des Injektors verstellt werden. Durch die Verstellung bzw.
Regelung des Tastgrades und/oder der Einspritzfrequenz des Injektors lässt sich auf einfache und zuverlässige Weise Einfluss auf den Brennstoffmassenstrom zum Anodenabschnitt nehmen. Entsprechend einfach und zuverlässig kann auf bevorstehende Druckdifferenzen reagiert werden und/oder kann der gewünschte Druckausgleich realisiert werden. Der Injektor kann in Form einer Einspritzdüse, eines Ejektors oder vorzugsweise als Injektor-Ejektor ausgestaltet sein. Unter dem Tastgrad ist ein Ansteuergrad bzw. ein Duty Cycle zu verstehen, der für eine periodische Folge von Impulsen gemäß Normung das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer angibt. Der Tastgrad liegt in einem Bereich zwischen 0 und 1 bzw.
0% und 100%. Bei einem Verstellen des Injektors vom Normalbetrieb in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb kann der Wert des Tastgrades um einen vordefinierbaren und/oder berechenbaren Wert erhöht werden. Außerdem kann bei einem Verstellen des Injektors vom Normalbetrieb in den
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb die Einspritzfrequenz um einen vordefinierbaren Wert erhöht werden. Durch ein Verstellen der Einspritzfrequenz wird eine Einspritzrate zum Einspritzen des Brennstoffs zum und/oder in den
Anodenabschnitt verstellt. Erfindungsgemäß können auch zwei, drei oder mehr Injektoren vorgesehen sein. Günstig ist es, wenn dabei auch eine
Rezirkulationsleitung vorgesehen ist.
Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung das Brennstoffzellensystem eine Rezirkulationsleitung zum Leiten von Anodenabgas vom Anodenabschnitt zur Brennstoffzuführvorrichtung sowie eine Rezirkulationspumpe zum Pumpen des Anodenabgases durch die
Rezirkulationsleitung zur Brennstoffzuführvorrichtung aufweist, wobei die
Rezirkulationspumpe anhand der ermittelten Spül-Startzeit und/oder Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb verstellt wird, und wobei das Verstellen in den spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, dass es für den gewünschten Druckausgleich von Vorteil ist, wenn auch der
Pumpbetrieb der Rezirkulationspumpe präventiv in einen vorbestimmbaren
Betriebsmodus zum geregelten Erhöhen des Massenstroms des rezirkulierten Anodenabgases eingestellt wird. Auch dies lässt sich steuerungs- und/oder regelungstechnisch schnell, einfach und zuverlässig realisieren. Die
Rezirkulationspumpe ist mit Vorteil in Kombination mit einem Druckregler eingebaut ist bzw. wir mit einem Druckregler verwendet
Grundsätzlich ist es günstig, wenn entweder die oben beschriebene, insbesondere als Injektor-Ejektor-Prinzip angewandte, Injektor-Lösung oder eine
Rezirkulationspumpe mit Druckregler verwendet wird, wobei diese auch kombiniert werden können. Von Vorteil ist es in jedem Fall, wenn eine Rezirkulationsleitung vorgesehen ist. In dieser ist dann günstigerweise ein Injektor-Ejektor und/oder eine Rezirkulationspumpe mit Druckregler angeordnet. Darüber hinaus ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass ein Druckunterschied zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt ermittelt, insbesondere kontinuierlich ermittelt wird, wobei der spülbetriebspezifische Brennstoffzuführbetrieb der
Brennstoffzuführvorrichtung und/oder der spülbetriebspezifische Pumpbetrieb der Rezirkulationspumpe anhand des ermittelten Druckunterschiedes geregelt werden. Damit kann ein Differenzdruck zwischen dem Anodenabschnitt und dem
Kathodenabschnitt auf einfache und zuverlässige Weise durchgehend auf dem gewünschten Wert gehalten werden. Das Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb muss sich demnach nicht auf einen einmaligen Steuerschritt beschränken, sondern kann vielmehr als
Regelschleife verstanden werden. Mit anderen Worten, der spülbetriebspezifische Brennstoffzuführbetrieb kann vor und/oder während der ermittelten
Spüldauerabhängig von verschiedenen Messparametern kontinuierlich geregelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem
Kathodenabschnitt, eine Anodenzuführleitung zum Leiten von Brennstoff von einer Brennstoffquelle zum Anodenabschnitt, eine Brennstoffzuführvorrichtung zum
Zuführen des Brennstoffs in der Anodenzuführleitung zum Anodenabschnitt, eine Anodenauslassleitung zum Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt in die Umgebung des Brennstoffzellensystems, und eine Spüleinheit zum Spülen des Anodenabschnitts, auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine
Spülzeitermittlungseinheit zum Ermitteln einer Spül-Startzeit und/oder einer
Spüldauer, in welcher der Anodenabschnitt durch die Spüleinheit gespült werden soll, und eine Verstelleinheit zum Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer anhand der ermittelten Spül- Startzeit, auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind. Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist es bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem möglich, dass die
Brennstoffzuführvorrichtung einen Injektor aufweist oder als ein solcher ausgestaltet ist und die Verstelleinheit wenigstens ein Stellmittel zum Verstellen der
Brennstoffzuführvorrichtung vom Normalbetrieb in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb durch ein Verstellen eines Tastgrades und/oder einer Einspritzfrequenz des Injektors aufweist. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann der Injektor in Form einer Einspritzdüse, eines Ejektors oder eines Injektor-Ejektors ausgestaltet sein. In letztgenannter Ausgestaltungsvariante kann der Injektor eine Düse zum Zuführen eines Primärbrennstoffs in Form des Brennstoffs von der Brennstoffquelle in eine Mischkammer des Injektors aufweisen. Ferner kann der Injektor einen Sekundärbrennstoffeinlass zum Einlassen von Sekundärbrennstoff in Form von rezirkuliertem Anodenabgas in die Mischkammer aufweisen. Darüber hinaus kann der Injektor in diesem Fall einen Diffusor stromabwärts der
Mischkammer sowie der Düse aufweisen, durch welchen ein Brennstoffgemisch bestehend aus Primärbrennstoff und Sekundärbrennstoff und unter einer
Druckerhöhung Richtung des Anodenabschnitts und/oder in den Anodenabschnitt ausgegeben werden kann. Die Stelleinheit kann ein Tastmodul zum Einstellen bzw. Steuern und/oder Regeln des Tastgrads aufweisen. Außerdem kann die Stelleinheit ein Frequenzmodul zum Einstellen bzw. Steuern und/oder Regeln der
Einspritzfrequenz aufweisen. Durch die separate Bereitstellung der jeweiligen Module kann der Injektor effizient und zuverlässig eingestellt werden.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem eine Rezirkulationsleitung zum Leiten von Anodenabgas vom Anodenabschnitt zur Brennstoffzuführvorrichtung sowie eine Rezirkulationspumpe zum Pumpen des Anodenabgases durch die Rezirkulationsleitung zur
Brennstoffzuführvorrichtung ausgestaltet sind, wobei die Verstelleinheit ein
Pumpmodul zum Verstellen der Rezirkulationspumpe anhand der ermittelten Spül- Startzeit und/oder Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen
spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb zeitlich vor und/oder nach dem ermittelten Spül-Startzeitpunkt aufweist. Grundsätzlich kann die Verstelleinheit bevorzugt auch ein Pumpmodul zum Verstellen der Rezirkulationspumpe anhand der ermittelten Spül-Startzeit und/oder Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen
spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb zeitlich genau beim ermittelten Spül- Startzeitpunkt aufweisen. Die Rezirkulationspumpe kann in und/oder an der
Rezirkulationsleitung, insbesondere stromabwärts eines Anodenausgangs des Anodenabschnitts und stromaufwärts eines Anodeneingangs des Anodenabschnitts, angeordnet sein. Die Rezirkulationsleitung ist vorzugsweise zum Rückführen des Anodenabgases vom Anodenabschnitt über die Anodenauslassleitung sowie die Anodenzuführleitung zurück zum Anodenabschnitt ausgestaltet. D.h., die
Rezirkulationsleitung kann als eine Verbindungsleitung für eine Fluidverbindung zwischen der Anodenauslassleitung und der Anodenzuführleitung ausgestaltet sein.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem eine Druckermittlungseinheit zum Ermitteln eines
Druckunterschiedes zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt auf, wobei die Verstelleinheit eine Regeleinheit zum Regeln des
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetriebs der Brennstoffzuführvorrichtung und/oder des spülbetriebspezifischen Pumpbetriebs der Rezirkulationspumpe anhand des ermittelten Druckunterschieds aufweist. Damit können die bereits vorstehend zum entsprechenden Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der
Ausführung des Com puterprogramm produkts durch einen Computer diesen veranlassen, das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die vorstehend
beschriebenen Vorteile mit sich. Das Com puterprogramm produkt kann als
computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, Matlab, Python, C# und/oder C++ implementiert sein. Das Com puterprogramm produkt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie einen Controller derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden bzw. 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, also mittels Software-Komponenten und Hardware- Komponenten, realisiert werden bzw. sein. Unter einem Computer ist im Rahmen der Erfindung eine beliebige Wiedergabevorrichtung zu verstehen, welche zur
Ausführung des Com puterprogramm Produktes ausgebildet ist.
Darüber hinaus wird im Rahmen der Erfindung ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten und wie vorstehend beschriebenen Com puterprogramm produkt vorgeschlagen. Unter dem Speichermittel ist insbesondere ein nichtflüchtiges
Speichermittel zu verstehen. Das Speichermittel kann in Form einer Datendisc, einem Wechsellaufwerk oder einem Prozessor bzw. Controller ausgestaltet sein.
D.h., erfindungsgemäß wird auch ein Controller mit einem darin installierten, wie vorstehend beschriebenen, Com puterprogramm produkt vorgeschlagen. Der
Controller kann die Druckermittlungseinheit, die Spülzeitermittlungseinheit zum Ermitteln der bevorstehenden Spül-Startzeit und/oder der Spüldauer sowie die Verstelleinheit mit Stellmittel, Regeleinheit zum Verstellen der
Brennstoffzuführvorrichtung vom Normalbetrieb in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb und Pumpmodul zum Verstellen der Rezirkulationspumpe anhand der ermittelten Spül-Startzeit und/oder Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb, aufweisen. Die jeweiligen
Funktionseinheiten können in Form von Software- und/oder Hardwarekomponenten des Controllers implementiert sein bzw. werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde, Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockschaltbild zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 3 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 ist schematisch ein Blockschaltbild zum Beschreiben eines
Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem
Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4 auf. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Anodenzuführleitung 5 zum Leiten von Brennstoff von einer Brennstoffquelle 6 zum Anodenabschnitt 3, eine Brennstoffzuführvorrichtung 7 zum Zuführen des Brennstoffs durch die Anodenzuführleitung 5 zum
Anodenabschnitt 3, eine Anodenauslassleitung 8 zum Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt 3 in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 , und eine Spüleinheit 9 zum Spülen des Anodenabschnitts 3, auf. Zudem weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Kathodenzuführleitung 18 zum Leiten von
Kathodengas, insbesondere in Form von Luft, zum Kathodenabschnitt 4 sowie eine Kathodenauslassleitung 19 zum Leiten von Kathodenabgas bzw. Kathodenabluft vom Kathodenabschnitt 4 weg in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 , auf. Stromaufwärts der Brennstoffzuführvorrichtung 7 und stromabwärts der
Brennstoffquelle 6 ist eine Druckreduzierungseinheit 12 in Form eines Sperrventils zur Druckreduzierung in der Anodenzuführleitung 5 und entsprechend im
Anodenabschnitt 3 angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Controller 17 mit einer
Spülzeitermittlungseinheit 14 zum Ermitteln einer Spül-Startzeit und/oder einer Spüldauer, in welcher der Anodenabschnitt 3 durch die Spüleinheit 9 gespült werden soll bzw. wird, sowie einer Verstelleinheit 15 zum Verstellen der
Brennstoffzuführvorrichtung 7 von einem Normalbetrieb in einen
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer anhand der ermittelten Spül-Startzeit , auf.
Die Brennstoffzuführvorrichtung 7 ist in Form von zumindest einem Injektor-Ejektor ausgestaltet. Grundsätzlich können auch mehrere Injektoren und/oder Ejektoren und/oder Kombinationen davon vorgesehen sein. Die Verstelleinheit 15 weist zwei Stellmittel in Form eines Tastgradmoduls 15a sowie eines Frequenzmoduls 15b zum Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung 7 vom Normalbetrieb in den
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb durch ein Verstellen eines
Tastgrades und/oder einer Einspritzfrequenz des Injektors auf. D.h., um den
Brennstoffmassenstrom zum Anodenabschnitt 3 zu erhöhen und damit dem Druckabfall während des Spülens entgegenzuwirken, können durch das Tastgradmodul 15a der Tastgrad und durch das Frequenzmodul 15b die
Einspritzfrequenz erhöht werden.
Ferner ist im Brennstoffzellensystem 1 eine Rezirkulationsleitung 10 zum Leiten von Anodenabgas vom Anodenabschnitt 3 zur Brennstoffzuführvorrichtung 7 sowie eine Rezirkulationspumpe 11 zum Pumpen des Anodenabgases durch die
Rezirkulationsleitung 10 zur Brennstoffzuführvorrichtung 7 ausgestaltet, wobei die Verstelleinheit 15 ein Pumpmodul 15c zum Verstellen der Rezirkulationspumpe 11 anhand der ermittelten Spül-Startzeit und/oder Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb zeitlich vor dem ermittelten Spül- Startzeitpunkt aufweist.
Erfindungsgemäß kann es auch günstig sein, dass entweder zumindest ein Injektor- Ejektor oder eine Rezirkulationspumpe 11 vorgesehen ist. Es ist nicht zwingend, dass diese wie in Fig. 1 kombiniert sind. Ist die Rezirkulationsleitung 10 ohne
Injektor-Ejektor ausgebildet, wird anstatt des Injektor-Ejektors ein Druckregler und/oder die Rezirkulationspumpe 11 vorgesehen.
Darüber hinaus weist der Controller 17 eine Druckermittlungseinheit 13 zum
Ermitteln eines Druckunterschiedes zwischen dem Anodenabschnitt 3 und dem Kathodenabschnitt 4 auf, wobei die Verstelleinheit 15 eine Regeleinheit 15d zum Regeln des spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetriebs der
Brennstoffzuführvorrichtung 7 anhand des ermittelten Druckunterschieds aufweist.
Im Controller 17 ist zudem ein Computerprogrammprodukt 16 installiert, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts 16 durch einen Computer, vorliegend in Form des Controllers 17, diesen veranlassen, ein
anschließend mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenes Verfahren auszuführen.
Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Flussdiagramm wird in einem ersten Schritt S1 zunächst eine bevorstehende Spüldauer ermittelt, in welcher der Anodenabschnitt durch die Spüleinheit 9 gespült werden soll. In einem darauffolgenden Schritt S2 wird die Brennstoffzuführvorrichtung 7 anhand der ermittelten Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb verstellt bzw. eingestellt, wobei das Verstellen in den spülbetriebspezifischen
Brennstoffzuführbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer durchgeführt wird. Mit Bezug auf das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 und der darin verbauten Brennstoffzuführvorrichtung 7 in Form eines Injektor- Ejektors werden beim Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung 7 vom
Normalbetrieb in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb ein Tastgrad sowie eine Einspritzfrequenz des Injektor-Ejektors verstellt.
In Fig. 3 wird ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Einstellen des Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die Schritte S10 und S20 entsprechen hierbei den Schritten S1 und S2 des mit Bezug auf Fig. 2 erläuterten Verfahrens. Neben Schritt S20 wird noch Schritt S30 durchgeführt, bei welchem die Rezirkulationspumpe 11 anhand der ermittelten Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb verstellt wird, wobei das Verstellen in den spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb zeitlich ebenfalls vor und/oder während der ermittelten Spüldauer durchgeführt wird. Daraufhin wird in einem Schritt S40 kontinuierlich ein Druckunterschied zwischen dem Anodenabschnitt 3 und dem Kathodenabschnitt 4 ermittelt. Anhand des ermittelten Druckunterschiedes werden in einem anschließenden Schritt S50 der spülbetriebspezifische Brennstoffzuführbetrieb der Brennstoffzuführvorrichtung 7 und/oder der spülbetriebspezifische Pumpbetrieb der Rezirkulationspumpe 11 geregelt. 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
1 Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzellenstapel
3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Anodenzuführleitung
6 Brennstoffquelle
7 Brennstoffzuführvorrichtung
8 Anodenauslassleitung
9 Spüleinheit
10 Rezirkulationsleitung
11 Rezirkulationspumpe
12 Druckreduzierungseinheit
13 Druckermittlungseinheit
14 Spülzeitermittlungseinheit
15 Verstelleinheit
15a Tastgradmodul (Stellmittel)
15b Frequenzmodul (Stellmittel)
15c Pumpmodul
15d Regeleinheit
16 Computerprogrammprodukt
17 Controller
18 Kathodenzuführleitung
19 Kathodenauslassleitung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einstellen einer Betriebsweise eines Brennstoffzellensystems (1 ), das wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), eine Anodenzuführleitung (5) zum Leiten von Brennstoff von einer Brennstoffquelle (6) zum Anodenabschnitt (3), eine Brennstoffzuführvorrichtung (7) zum Zuführen des Brennstoffs in der
Anodenzuführleitung (5) zum Anodenabschnitt (3), eine Anodenauslassleitung (8) zum Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) in die Umgebung, und eine Spüleinheit (9) zum Spülen des Anodenabschnitts (3) umfasst, aufweisend die Schritte:
Ermitteln eines Spül-Startzeitpunktes und/oder einer Spüldauer, in welcher der Anodenabschnitt (3) durch die Spüleinheit (9) gespült werden soll, und
Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung (7) von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb anhand des ermittelten Spül-Startzeitpunktes und/oder Spüldauer, wobei das Verstellen in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffzuführvorrichtung (7) zumindest einen Injektor aufweist und durch das Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung (7) vom Normalbetrieb in den spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb ein Tastgrad und/oder eine Einspritzfrequenz des Injektors verstellt werden.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Rezirkulationsleitung (10) zum Leiten von Anodenabgas vom Anodenabschnitt (3) zur Brennstoffzuführvorrichtung (7) sowie eine Rezirkulationspumpe (11 ) zum Pumpen des Anodenabgases durch die Rezirkulationsleitung (10) zur Brennstoffzuführvorrichtung (7) aufweist, wobei die Rezirkulationspumpe (11 ) anhand der ermittelten Spül- Startzeitpunktes und/oder Spüldauer von einem Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb verstellt wird, und wobei das Verstellen in den spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Druckunterschied zwischen dem Anodenabschnitt (3) und dem
Kathodenabschnitt (4) ermittelt wird und der spülbetriebspezifische
Brennstoffzuführbetrieb der Brennstoffzuführvorrichtung (7) und/oder der spülbetriebspezifische Pumpbetrieb der Rezirkulationspumpe (11 ) anhand des ermittelten Druckunterschiedes geregelt werden.
5. Brennstoffzellensystem (1 ), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), eine
Anodenzuführleitung (5) zum Leiten von Brennstoff von einer Brennstoffquelle (6) zum Anodenabschnitt (3), eine Brennstoffzuführvorrichtung (7) zum
Zuführen des Brennstoffs in der Anodenzuführleitung (5) zum Anodenabschnitt (3), eine Anodenauslassleitung (8) zum Auslassen von Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) in die Umgebung, und eine Spüleinheit (9) zum Spülen des Anodenabschnitts (3),
gekennzeichnet durch
eine Spülzeitermittlungseinheit (14) zum Ermitteln einer Spül-Startzeitpunktes und/oder Spüldauer, in welcher der Anodenabschnitt (3) durch die Spüleinheit (9) gespült werden soll, und eine Verstelleinheit (15) zum Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung (7) von einem Normalbetrieb in einen
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb zeitlich vor und/oder während der ermittelten Spüldauer anhand der ermittelten Spül-Startzeitpunktes und/oder Spüldauer.
6. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoffzuführvorrichtung (7) zumindest einen Injektor sowie die
Verstelleinheit (15) mit wenigstens einem Stellmittel (15a, 15b) zum Verstellen der Brennstoffzuführvorrichtung (7) vom Normalbetrieb in den
spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetrieb durch ein Verstellen eines Tastgrades und/oder einer Einspritzfrequenz des Injektors aufweist.
7. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 6,
gekennzeichnet durch
eine Rezirkulationsleitung (10) zum Leiten von Anodenabgas vom
Anodenabschnitt (3) zur Brennstoffzuführvorrichtung (7) sowie eine
Rezirkulationspumpe (11 ) zum Pumpen des Anodenabgases durch die
Rezirkulationsleitung (10) zur Brennstoffzuführvorrichtung (7), wobei die
Verstelleinheit (15) ein Pumpmodul (15c) zum Verstellen der
Rezirkulationspumpe (11 ) anhand der ermittelten Spülzeit von einem
Normalbetrieb in einen spülbetriebspezifischen Pumpbetrieb zeitlich vor und/oder nach des ermittelten Spül-Startzeitpunktes, aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Druckermittlungseinheit (13) zum Ermitteln eines Druckunterschiedes zwischen dem Anodenabschnitt (3) und dem
Kathodenabschnitt (4) aufweist, wobei die Verstelleinheit (15) eine Regeleinheit (15d) zum Regeln des spülbetriebspezifischen Brennstoffzuführbetriebs der Brennstoffzuführvorrichtung (7) und/oder des spülbetriebspezifischen
Pumpbetriebs der Rezirkulationspumpe (11 ) anhand des ermittelten
Druckunterschieds aufweist.
9. Com puterprogramm produkt (16), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (16) durch einen Computer diesen
veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
10. Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (16) nach Anspruch 9.
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