AT522736A1 - Ermittlungsvorrichtung und Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Ermittlungsvorrichtung und Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ermittlungsvorrichtung (1; 1‘) für ein Brennstoffzellensystem (2; 2‘) mit einem Brennstoffzellenstapel (4), aufweisend einen virtuellen Feuchtesensor (7) zur Aufnahme vordefinierter Ermittlungswerte und eine Recheneinheit (10) zur Berechnung eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels (4) anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (2; 2‘) mit einer solchen Ermittlungsvorrichtung (1; 1‘), Verfahren zur Ermittlung des Feuchtewertes, ein Computerprogrammprodukt (11) sowie ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (11).

Description

Ermittlungsvorrichtung und Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ermittlungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines
Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zum Wassermanagement in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Hierbei gilt es unter anderem, einen Feuchtigkeitswert einer Elektrolyitmembran im Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems auf einem gewünschten Wert zu halten und insbesondere vor dem Austrocknen zu bewahren. Dazu werden in der Regel verschiedene Sensoren wie Feuchtigkeitssensoren zur Ermittlung entsprechender Messwerte verwendet. Anhand der Messwerte kann anschließend auf den Feuchtigkeitszustand der Elektrolyitmembran geschlossen werden. Außerdem kann anhand der Messwerte eine Vorhersage zu einem bevorstehenden Feuchtigkeitszustand der Elektrolyitmembran getroffen werden. Ferner ist es bekannt, den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran mit Hilfe einer Impedanzspektroskopie zu ermitteln. Hierbei kann anhand eines gemessenen Spannungsabfalls auf den
Feuchtigkeitszustand der Elektrolyitmembran geschlossen werden.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der Feuchte in einem Brennstoffzellensystem kann der US 2012/0148927 A1 entnommen werden. Gemäß dieser Patentanmeldung wird vorgeschlagen, die Feuchte anhand eines Massengleichgewichts und/oder anhand von Zustandswerten zu Temperaturen,
Drücken und/oder Flussraten im Brennstoffzellensystem zu ermitteln.
Die im Stand der Technik bekannten Systeme können dem Wunsch nach einem möglichst einfachen, kostengünstigen und flexibel einsetzbaren System zur Ermittlung der Feuchte im Brennstoffzellensystem jedoch noch nicht abschließend
Rechnung tragen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine entsprechend verbesserte Ermittlungsvorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen. Ferner ist es eine
Aufgabe, ein System sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchen eine Elektrolyitmembran zuverlässig vor dem Austrockenen geschützt werden kann. Die voranstehenden Aufgaben werden durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere werden die voranstehenden Aufgaben durch die Ermittlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, das Verfahren gemäß Anspruch 9, das Verfahren gemäß Anspruch 13, das Verfahren gemäß Anspruch 14, das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 15 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 16 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Ermittlungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, den erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, 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 eine Ermittlungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen. Die Ermittlungsvorrichtung umfasst einen virtuellen Feuchtesensor, der einen ersten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines StapelauslassWassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen dritten FeuchtesensorErmittlungswerteingang zur Aufnahme eines Stapelauslass-LuftmassenflussErmittlungswertes, einen vierten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines SystemeinlassLuftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen sechsten FeuchtesensorErmittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-TemperaturErmittlungswertes, einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-DruckErmittlungswertes, und einen neunten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur
Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, umfasst. Außerdem
weist die Ermittlungsvorrichtung eine Recheneinheit zur Berechnung eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels anhand der aufgenommenen
Ermittlungswerte auf.
Mit Hilfe des virtuellen Feuchtesensors und der erfindungsgemäß aufgenommenen bzw. berücksichtigten Ermittlungswerte lässt sich der gesuchte Feuchtewert relativ genau berechnen. Der berechnete Feuchtewert kann als relative Kathodeneinlass-
Feuchte betrachtet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass mit Hilfe der vorgenannten Ermittlungswerte auf einen spezifischen, physischen Feuchtesensor zur Bestimmung des Feuchtewertes verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß wird die ohnehin vorhandene Sensorik des Brennstoffzellensystems genutzt, um über den virtuellen Feuchtesensor die ausgewählten Ermittlungswerte zu erlangen, um basierend darauf den Feuchtewert zu berechnen. Die Ermittlungsvorrichtung kann
entsprechend als Feuchteberechnungseinheit verstanden werden.
Der virtuelle Feuchtesensor benötigt keine separaten, physischen Bauteile. Damit kann der virtuelle Feuchtesensor kostengünstig, gewicht- sowie platzsparend in einem Brennstoffzellensystem implementiert werden. Darüber hinaus können der virtuelle Feuchtesensor sowie die gesamte Ermittlungsvorrichtung flexibel in
bestehende Brennstoffzellensysteme integriert werden.
Unter dem Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert der relativen Feuchte, genauer gesagt einer relativen Feuchte eines Fluids, am Kathodenauslass zu verstehen. Unter dem Stapelauslass-WassermassenflussErmittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses bzw. Wassermassenstromes am Stapelauslass zu verstehen. Unter dem StapelauslassLuftmassenfluss-Ermittlungswertes ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses am Stapelauslass bzw. am Brennstoffzellenstapelauslass zu verstehen. Unter dem Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses am Systemeinlass bzw. an einem Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen. Unter dem SystemeinlassLuftmassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses
bzw. Luftmassenstromes am Systemeinlass bzw. am Brennstoffzellensystemeinlass
zu verstehen. Unter dem Systemeinlass kann ein Bereich des Brennstoffzellensystems verstanden werden, durch welchen Umgebungsluft in das Brennstoffzellensystem, insbesondere zum Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, eingebracht wird. Unter dem Kathodeneinlass-TemperaturErmittlungswert kann ein ermittelter Wert einer Temperatur, insbesondere einer Fluidtemperatur, am Kathodeneinlass verstanden werden. Unter einem Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert einer Temperatur, insbesondere einer Fluidtemperatur, am Kathodenauslass verstanden werden. Unter einem Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert eines Druckes, insbesondere eines Fluiddruckes, am Kathodeneinlass verstanden werden. Unter einem Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert eines Druckes, insbesondere eines Fluiddruckes, am Kathodenauslass verstanden werden. Die Werte können mit Hilfe von vorhandenen Sensoren oder Rechenmodellen ermittelt und am virtuellen Feuchtesensor
bereitgestellt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann die Ermittlungsvorrichtung ein virtuelles Sensorsystem mit mehreren virtuellen Sensoren, zu welchen der virtuelle Feuchtesensor gezählt werden kann, umfassen. Zur Berechnung des Feuchtewertes bzw. zur Übertragung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit steht der virtuelle Feuchtesensor mit der Recheneinheit in Signalverbindung. Die Recheneinheit kann in Form eines Computers, einer CPU oder eines anderen,
geeigneten Prozessors ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass eine Ermittlungsvorrichtung einen virtuellen Systemeinlasssensor umfasst, der einen ersten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, einen zweiten SystemeinlasssensorErmittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes, einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und einen vierten SystemeinlasssensorErmittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass-LuftmassenflussErmittlungswertes, aufweist. Die Recheneinheit ist in diesem Fall zur Berechnung des Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand dieser
aufgenommenen Ermittlungswerte, also anhand des aufgenommenen
Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, des aufgenommenen UmgebungsdruckErmittlungswertes, des aufgenommenen Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes sowie des aufgenommenen Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, konfiguriert. Damit können ein präziser Systemeinlass-WassermassenflussErmittlungswert berechnet und der Feuchtewert im Kathodeneinlassbereich entsprechend genau ermittelt werden. Unter dem UmgebungstemperaturErmittlungswert ist ein ermittelter Wert der Umgebungstemperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Unter dem UmgebungsdruckErmittlungswert ist ein ermittelter Wert des Umgebungsdrucks in der Umgebung des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Unter dem UmgebungsfeuchteErmittlungswert ist ein ermittelter Wert der Umgebungsfeuchte, insbesondere der relativen Umgebungsfeuchte, in der der Umgebung des Brennstoffzellensystems, insbesondere in der Luft in der Umgebung des Brennstoffzellensystems, zu verstehen. Unter dem Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses am Systemeinlass bzw. an einem wie
vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen.
Ferner ist es möglich, dass eine erfindungsgemäße Ermittlungsvorrichtung einen virtuellen Stapelsensor umfasst, der einen ersten StapelsensorErmittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-WassermassenflussErmittlungswertes, einen zweiten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines KathodenauslassTemperatur-Ermittlungswertes, einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, einen fünften Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-DruckErmittlungswertes, und einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, aufweist. Die Recheneinheit ist zur Berechnung des Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes anhand dieser Ermittlungswerte, also anhand des aufgenommenen KathodeneinlassWassermassenfluss-Ermittlungswertes, des Kathodeneinlass-TemperaturErmittlungswertes, des Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, des Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, des Kathodenauslass-DruckErmittlungswertes sowie des Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes,
konfiguriert. Damit können ein präziser Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert
berechnet und der Feuchtewert im Kathodeneinlassbereich entsprechend genau ermittelt werden. Unter dem Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses am Kathodeneinlass zu
verstehen.
Außerdem ist es bei einer Ermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Recheneinheit zur Berechnung des KathodeneinlassWassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand der gemäß dem ersten Aspekt aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist. Damit kann eine FeedbackSchleife geschaffen werden, mit welcher eine effiziente Ermittlung des
Feuchtewertes ermöglicht wird.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass zu einem Zeitpunkt Null mit Initialwerten gerechnet wird und/oder diese als Startwerte angenommen werden. Diese können dann von einem vorherigen Abschalten des Systems gespeichert werden. Für den Betrieb ist dies durch das Verwenden von Verzögerern geregelt, da sowohl Gas als auch Wasser erst durch die einzelnen Pfade strömen müssen und nicht unmittelbar
vom Systemeingang zum Kathodeneingang gelangen können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einer, wie vorstehend im Detail beschriebenen, Ermittlungsvorrichtung zur Ermittlung eines Feuchtewertes im Kathodeneinlassbereich stromaufwärts des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug
auf die erfindungsgemäße Ermittlungsvorrichtung beschrieben worden sind.
Von Vorteil ist es dabei, wenn das Brennstoffzellensystem einen Systemeingang aufweist, wobei stromabwärts des Systemeingangs ein Luftbefeuchter angeordnet ist. Insbesondere ist dem Luftbefeuchter ein virtueller Feuchtesensor zugeordnet. Der Luftbefeuchter kann als aktiver Luftbefeuchter oder als passiver Luftbefeuchter
ausgebildet sein. Günstig ist es, wenn der Brennstoffzellenstapel stromabwärts des Luftbefeuchters ist.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Bypass vorgesehen ist, wobei der Luftbefeuchter durch den Bypass umgehbar ist. Dabei ist der Luftbefeuchter insbesondere als passiver
Luftbefeuchter ausgebildet. Dabei wird bevorzugt das Signal zum Ansteuern eines entsprechenden Ventils im virtuellen Sensor implementiert und verarbeitet. Über den Bypass ist eine Befeuchtung steuerbar, wodurch eine Wassermenge, welche von der Kathode in den Luftbefeuchter gelangt, beinflussbar ist, weil der Bypass nasse Luft, welche von der Kathode kommt, am Befeuchter vorbei leitet. Weiter ist dadurch trockene Luft, welche vom Systemeinlass in den Luftbefeuchter strömen würde, mit bereits befeuchteter Luft von einem Luftbefeuchterausgang vermischbar wird. Dies
hat beides einen Einfluss auf die relative Feuchte am Kathodeneingang.
Zudem wird ein Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem geschaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, eines StapelauslassLuftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Systemeinlass-WassermassenflussErmittlungswertes, eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes, eines KathodenauslassTemperatur-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-DruckErmittlungswertes, und eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes durch
einen virtuellen Feuchtesensor, und
- Berechnen des Feuchtewertes anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte
durch eine Recheneinheit.
Damit bringt ein solches Verfahren ebenfalls die mit Bezug auf die
Ermittlungsvorrichtung beschrieben Vorteile mit sich.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass ein Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, ein Umgebungsdruck-Ermittlungswert, ein Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und ein Systemeinlass-LuftmassenflussErmittlungswert durch einen virtuellen Systemeinlasssensor aufgenommen werden, und der Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert anhand dieser Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit berechnet wird. Ferner ist es möglich, dass ein Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, ein
Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass-TemperaturErmittlungswert, ein Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, ein KathodenauslassDruck-Ermittlungswert und ein Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch einen virtuellen Stapelsensor aufgenommen werden, und der KathodenauslassFeuchte-Ermittlungswert anhand dieser Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit berechnet wird. Darüber hinaus kann anhand der einleitend zum Verfahren beschriebenen Ermittlungswerte der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-
Ermittlungswert durch die Recheneinheit berechnet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolyitmembran des Brennstoffzellenstapels anhand eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, wobei der Feuchtewert gemäß einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren berechnet wird. Erfindungsgemäß kann die Vorhersage des Feuchtigkeitszustandes
einfach, kostengünstig, platz- und gewichtssparend realisiert werden.
Außerdem wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Kontrolle der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem anhand eines vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolyitmembran des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren vorhergesagt wird. Mit Hilfe eines solchen Verfahrens können bevorstehende Probleme wie eine Austrocknung der Elektrolyitmembran rechtzeitig erkannt werden. Anschließend können entsprechend frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Hierzu können das Brennstoffzellensystem bzw. die einzelnen Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems entsprechend eingestellt werden. D. h., das Brennstoffzellensystem kann anhand des vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes der Elektrolyitmembran auf einen vordefinierbaren Sollzustand eingestellt werden. Damit kann die Elektrolyitmembran rechtzeitig vor dem Austrocknen sowie einem unerwünschten Feuchtigkeitszustand
geschützt werden.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch
einen Computer diesen veranlassen, ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren
auszuführen. Zudem kann ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt bereitgestellt werden. Das Speichermittel kann als Controller mit einem darin installierten, erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt werden. Damit bringen ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt und ein erfindungsgemäßes
Speichermittel ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte 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, d. h. mittels Software-Komponenten und
Hardware-Komponenten, realisiert werden bzw. sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen
erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem mit einer darin installierten Ermittlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur2 ein Brennstoffzellensystem mit einer darin installierten Ermittlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur3 einen virtuellen Feuchtesensor gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 einen virtuellen Systemeinlasssensor gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 einen virtuellen Stapelsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und
Figur6 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 2 mit einer darin installierten Ermittlungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 2 weist einen Systemeingang 6, einen stromabwärts des Systemeingangs 6 angeordneten Luftbefeuchter 3 und einen stromabwärts des Luftbefeuchters 3 angeordneten Brennstoffzellenstapel 4 auf. Der Brennstoffzellenstapel 4 weist einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt auf, wobei zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt eine Elektrolytmembran (nicht dargestellt) angeordnet ist. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Systemeingang 6 ein virtueller Systemeinlasssensor 8 zugeordnet. Dem Luftbefeuchter 3 ist ein virtueller Feuchtesensor / zugeordnet. Dem Brennstoffzellenstapel 4 ist ein virtueller Stapelsensor 9 zugeordnet. Der Systemeinlasssensor 8, der Feuchtesensor 7 und der Stapelsensor 9 stehen jeweils in Signalverbindung mit einer Recheneinheit 10 des Brennstoffzellensystems 2. In der Recheneinheit 10 ist ein
Computerprogrammprodukt 11 installiert.
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 2‘ mit einer Ermittlungsvorrichtung 1° gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im
Wesentlichen der ersten Ausführungsform. Unterscheidungsmerkmal ist eine
Rückführleitung 12, durch welche vom Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 4 Kathodenabgas und somit Wasserbestandteile in den
Luftbefeuchter 3 rückgeführt werden können.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist jeweils eine Systemübersicht dargestellt, deren Subsysteme
anschließend mit Bezug auf die Figuren 3 bis 5 im Detail erläutert werden.
Der in Fig. 3 dargestellte virtuelle Feuchtesensor 7 weist einen ersten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7a zur Aufnahme eines KathodenauslassFeuchte-Ermittlungswertes, einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7b zur Aufnahme eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen dritten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7c zur Aufnahme eines Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen vierten FeuchtesensorErmittlungswerteingang 7d zur Aufnahme eines Systemeinlass-WassermassenflussErmittlungswertes, einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7e zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen sechsten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang /f zur Aufnahme eines KathodeneinlassTemperatur-Ermittlungswertes, einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 79 zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7h zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, und einen neunten FeuchtesensorErmittlungswerteingang 7i zur Aufnahme eines Kathodenauslass-DruckErmittlungswertes, auf.
Der virtuelle Feuchtesensor 7 weist außerdem einen Signalausgang 7k zur Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Feuchtesensor 7 aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 einen Feuchtewert in einem Kathodeneinlassbereich 5
stromaufwärts des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels 4 berechnen.
Der in Fig. 4 dargestellte virtuelle Systemeinlasssensor 8 weist einen ersten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang 8a zur Aufnahme eines Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, einen zweiten SystemeinlasssensorErmittlungswerteingang 8b zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes, einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang 8c zur Aufnahme eines
Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und einen vierten Systemeinlasssensor-
Ermittlungswerteingang 8d zur Aufnahme eines Systemeinlass-LuftmassenflussErmittlungswertes, auf. Der virtuelle Systemeinlasssensor 8 weist außerdem einen Signalausgang 8e zur Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Systemeinlasssensor 8 aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 den Systemeinlass-
Wassermassenfluss-Ermittlungswert berechnen.
Der in Fig. 5 gezeigte virtuelle Stapelsensor 9 weist einen ersten StapelsensorErmittlungswerteingang 9a zur Aufnahme eines KathodeneinlassWassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen zweiten StapelsensorErmittlungswerteingang 9b zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-TemperaturErmittlungswertes, einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9c zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9d zur Aufnahme eines KathodeneinlassDruck-Ermittlungswertes, einen fünften Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9e zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, und einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9f zur Aufnahme eines SystemeinlassLuftmassenfluss-Ermittlungswertes, auf. Der virtuelle Stapelsensor 9 weist außerdem einen Signalausgang 9g zur Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Stapelsensor 9 aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 den Kathodenauslass-FeuchteErmittlungswert sowie den Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert
berechnen.
Mit Bezug auf Fig. 6 soll ein Verfahren zum Berechnen des Feuchtewertes im Kathodeneinlassbereich 5 erläutert werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt S1 zunächst der Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert, der StapelauslassWassermassenfluss-Ermittlungswert, der Stapelauslass-LuftmassenflussErmittlungswert, der Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-TemperaturErmittlungswert, der Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, und der Kathodenauslass-DruckErmittlungswert mittels des virtuellen Feuchtesensors 7 aufgenommen bzw. erkannt.
In einem zweiten Schritt S2 werden anschließend anhand dieser aufgenommenen
bzw. berücksichtigten Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 der Feuchtewert sowie der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert berechnet.
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.
So können im Rahmen des Verfahrens der Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, der Umgebungsdruck-Ermittlungswert, der Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und der Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch den virtuellen Systemeinlasssensor 8 aufgenommen werden. Der SystemeinlassWassermassenfluss-Ermittlungswert kann anschließend anhand dieser
Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 berechnet werden.
Außerdem können der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert, der Kathodenauslass-TemperaturErmittlungswert, der Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, der KathodenauslassDruck-Ermittlungswert und der Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch den virtuellen Stapelsensor 9 aufgenommen werden. Der KathodenauslassFeuchte-Ermittlungswert kann anschließend anhand dieser Ermittlungswerte durch
die Recheneinheit 10 berechnet werden.
Mit anderen Worten, anhand von Signalen des Luftmassenflusses am Systemeingang 6, sowie den Drücken, den Temperaturen und der relativen Feuchtewerte am Brennstoffzellenstapel 4 kann der Wassermassenanteil des Luftstromes im Kathodenpfad berechnet werden. Die relative Luftfeuchtigkeit am Kathodenauslass sowie der Wassermassenfluss am Systemeingang 6 werden als ergänzende Eingangssignale für den virtuellen Feuchtesensor verwendet. Der Feuchteübergang kann anschließend dynamisch über Parameter des Luftbefeuchters 3 wie eine Membrandicke, eine Membranfläche und/oder eine Membrandichte des Luftbefeuchters 3 sowie die relativen Feuchten auf der trockenen und der feuchten Seite des Luftbefeuchters 3 ermittelt werden. Mithilfe der explizit ausgewählten Temperaturwerte, Druckwerte und Massenflusswerte kann der Wert der relativen Feuchte am Kathodeneingang relativ genau berechnet werden. Der gesamte Massenfluss an Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 2, 2‘ wird im
Brennstoffzellensystem 2, 2‘ durch das einströmende Wasser, das erzeugte Wasser
und den Teil des Wassers, der zur Anode diffundiert, berechnet. Als zusätzlicher Signaleingang kann neben der erzeugten Wassermasse auch eine
Stromanforderung an das System verwendet werden.
Das Verfahren kann in einem Befeuchtermodell außerdem einfach zu einem System mit externer Befeuchtung mittels Wasserinjektion adaptiert werden. Das Befeuchtermodell ist insbesondere derart aufgebaut, dass dieses nicht auf eine passive Befeuchtung beschränkt ist, sondern dieses auch auf Systeme mit einer
aktiven Befeuchtung anwendbar ist.
Zudem kann das Verfahren auch zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolyitmembran des Brennstoffzellenstapels 4 anhand des Feuchtewertes im Kathodeneinlassbereich 5 stromaufwärts des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels 4 im Brennstoffzellensystem 2 weiterentwickelt werden, wobei der Feuchtewert, wie vorstehend beschrieben, berechnet wird. Darüber hinaus ist es möglich, dass ein Verfahren zur Kontrolle der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem 2 anhand eines vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes in einer Elektrolyitmembran des Brennstoffzellenstapels 4 durchgeführt wird, wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren
vorhergesagt wird.
Die erfindungsgemäße Berechnung des Feuchtewertes kann ferner abhängig von der aktuellen Leistungsanforderung des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. D. h., wird viel Leistung benötigt kann von einem entsprechend erhöhten
Lufteingang ausgegangen werden.
Abhängig von diesem Leistungsbedarf oder Strombedarf steigt auch die produzierte Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 4, was sich auf die Menge an Wasser, die die Kathode verlässt und in den Befeuchter fließt, niederschlägt. Dies hat im
Befeuchter eine bessere Befeuchtung und damit wieder eine höhere Luftfeuchte am
Kathodeneingang zur Folge.
Bezugszeichenliste
1, 1° Ermittlungsvorrichtung
2,2‘ Brennstoffzellensystem
3 Luftbefeuchter
4 Brennstoffzellenstapel
5 Kathodeneinlassbereich
6 Systemeingang
7 Virtueller Feuchtesensor
7a-/i Feuchtesensor-Ermittlungswerteingänge 8 Virtueller Systemeinlasssensor
8a-8d Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingänge 9 Virtueller Stapelsensor
9a-9g Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 10 Recheneinheit
11 Computerprogrammprodukt
12 Rückführleitung

Claims (16)

Patentansprüche
1... Ermittlungsvorrichtung (1; 1‘) für ein Brennstoffzellensystem (2; 2‘) mit einem
Brennstoffzellenstapel (4), aufweisend einen virtuellen Feuchtesensor (7), der
- einen ersten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7a) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes,
- einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7b) zur Aufnahme eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes,
- einen dritten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7c) zur Aufnahme eines Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes,
- einen vierten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7d) zur Aufnahme eines Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes,
- einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7e) zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes,
- einen sechsten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7f) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes,
- einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7g) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes,
- einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7h) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, und
- einen neunten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7i) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, umfasst,
und eine Recheneinheit (10) zur Berechnung eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts des
Brennstoffzellenstapels (4) anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte.
2. Ermittlungsvorrichtung (1; 1‘) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen virtuellen Systemeinlasssensor (8), der
- einen ersten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8a) zur Aufnahme eines Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes,
- einen zweiten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8b) zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes,
- einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8c) zur Aufnahme eines Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und - einen vierten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8d) zur
Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes
aufweist, wobei die Recheneinheit (10) zur Berechnung des SystemeinlassWassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand der gemäß Anspruch 2 aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist.
3. Ermittlungsvorrichtung (1; 1°) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen virtuellen Stapelsensor (9), der
- einen ersten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9a) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes,
- einen zweiten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9b) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes,
- einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9c) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes,
- einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9d) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes,
- einen fünften Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9e) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, und
- einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9f) zur Aufnahme
eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes,
aufweist, wobei die Recheneinheit (10) zur Berechnung des KathodenauslassFeuchte-Ermittlungswertes anhand der gemäß Anspruch 3 aufgenommenen
Ermittlungswerte konfiguriert ist.
4. Ermittlungsvorrichtung (1; 1‘) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (10) zur Berechnung des KathodeneinlassWassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand der gemäß Anspruch 1
aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist.
5. Brennstoffzellensystem (2; 2°) mit einer Ermittlungsvorrichtung (1; 1‘) nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Ermittlung eines Feuchtewertes im Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts des Kathodenabschnitts des
Brennstoffzellenstapels (4).
6. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2, 2‘) einen Systemeingang (6) aufweist, wobei stromabwärts des Systemeingangs (6) ein Luftbefeuchter (3) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennstoffzellenstapel (4) stromabwärts des Luftbefeuchters (3) ist.
8. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass vorgesehen ist, wobei der Luftbefeuchter (3) durch den Bypass umgehbar ist.
9. Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels (4) in einem Brennstoffzellensystem (2; 2‘), aufweisend die Schritte:
- Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, eines Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines SystemeinlassWassermassenfluss-Ermittlungswertes, eines SystemeinlassLuftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-TemperaturErmittlungswertes, eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, und eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes durch einen virtuellen Feuchtesensor (7), und
- Berechnen des Feuchtewertes anhand der aufgenommenen
Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit (10).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, ein UmgebungsdruckErmittlungswert, ein Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und ein
Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch einen virtuellen Systemeinlasssensor (8) aufgenommen werden, und der SystemeinlassWassermassenfluss-Ermittlungswert anhand der aufgenommenen
Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit (10) berechnet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, ein KathodeneinlassTemperatur-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert, ein Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass-DruckErmittlungswert und ein Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch einen virtuellen Stapelsensor (9) aufgenommen werden, und der Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert anhand der aufgenommenen
Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit (10) berechnet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der gemäß Anspruch 1 aufgenommenen Ermittlungswerte der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert durch die Recheneinheit (10) berechnet wird.
13. Verfahren zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolyitmembran des Brennstoffzellenstapels (4) anhand eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels (4) in einem Brennstoffzellensystem (2; 2‘), wobei der Feuchtewert gemäß einem Verfahren
nach Anspruch 9 berechnet wird.
14. Verfahren zur Kontrolle der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem (2; 2‘) anhand eines vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels (4), wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein
Verfahren gemäß Anspruch 13 vorhergesagt wird.
15. Computerprogrammprodukt (11), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (11) durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14 auszuführen.
16. Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (11) nach Anspruch 15.
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US17/625,797 US20220255096A1 (en) 2019-07-09 2020-07-09 Determination device and method for calculating a moisture value in a fuel cell system
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021213328A1 (de) * 2021-11-26 2023-06-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
CN115954509B (zh) * 2023-02-16 2023-06-02 江苏重塑能源科技有限公司 一种电堆入口湿度的计算方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2930842A1 (fr) * 2008-05-02 2009-11-06 Renault Sas Pile a combustible et procede de regulation de l'humidite
US20100304234A1 (en) * 2009-05-27 2010-12-02 Hyundai Motor Company Method for controlling amount of air supplied to fuel cell

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8470479B2 (en) * 2005-12-15 2013-06-25 GM Global Technology Operations LLC Sensorless relative humidity control in a fuel cell application
KR101293961B1 (ko) 2010-12-09 2013-08-07 기아자동차주식회사 연료전지용 상대습도 및 응축수 추정기
US9153828B2 (en) * 2012-12-28 2015-10-06 GM Global Technology Operations LLC Method to diagnose fuel cell humidification problems
US10290880B2 (en) * 2014-04-23 2019-05-14 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell cathode balance of plant freeze strategy
DE102017215255A1 (de) * 2017-08-31 2019-02-28 Audi Ag Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Kathodenbetriebsgases am Eingang eines Befeuchtermoduls eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug
CN108520968B (zh) * 2018-03-23 2020-06-19 武汉理工大学 一种多应力组合影响的燃料电池堆性能测试系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2930842A1 (fr) * 2008-05-02 2009-11-06 Renault Sas Pile a combustible et procede de regulation de l'humidite
US20100304234A1 (en) * 2009-05-27 2010-12-02 Hyundai Motor Company Method for controlling amount of air supplied to fuel cell

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Publication number Publication date
CN114041221A (zh) 2022-02-11
AT522736B1 (de) 2021-10-15
US20220255096A1 (en) 2022-08-11
WO2021003511A1 (de) 2021-01-14
DE112020003266A5 (de) 2022-04-21

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