AT523373B1

AT523373B1 - Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: AT523373B1
Application number: ATA51114/2019A
Authority: AT
Inventors: Krusch Bsc Ulla-Valentina
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-10-15
Also published as: EP4078706A1; US20230022392A1; AT523373A1; CN114762155A; WO2021119714A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Bestimmung eines Spülparameters (SP) für eine Kontrolle eines Spülvorgangs des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen ersten Strömungskanal (20) für eine Anordnung in einem Anodenzuführabschnitt (122) eines Anodenabschnitts (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) und einen zweiten Strömungskanal (130) für eine Anordnung in einem Rezirkulationsabschnitt (126) des Anodenabschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110), welche voneinander wenigstens abschnittsweise mittels einer gasdichten Membran (40) getrennt sind, wobei die Membran (40) permeabel für Protonen ausgebildet ist und beidseitig einen Elektrodenabschnitt (42, 44) aufweist, weiter aufweisend eine Messvorrichtung (50) zum Bestimmen eines Konzentrationsunterschiedes von Brennstoff zwischen dem ersten Strömungskanal (20) und dem zweiten Strömungskanal (30) als Spülparamater (SP) auf Basis einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenabschnitten (42, 44).

Description

Beschreibung

SENSORVORRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Sensor sowie ein Verfahren für die Kontrolle eines Spülvorgangs eines Brennstoffzellensystems.

[0002] Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen im Betrieb eine Rezirkulation von Brennstoff durchführen. Dabei handelt es sich bei dem Brennstoff beispielsweise um Wasserstoff, welcher einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt und dort chemisch umgesetzt wird. Bei der üblichen Betriebsweise verbleibt jedoch ein Rest des Brennstoffs nach der Anode im Anodenabgas. Um diesen noch vorhandenen Restbrennstoff wieder nutzen zu können, ist es bekannt, zumindest einen Teil des Anodenabgases in einem Rezirkulationsabschnitt wieder dem Anodenzuführabschnitt zuzuführen.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass durch die voranstehend beschriebene Rezirkulation Verunreinigungen im Anodenzuführabschnitt und damit in der Anode des Brennstoffzellenstapels stattfinden können. Durch Diffusionsvorgänge ist es möglich, dass Stickstoff in das Anodenabgas gelangt und durch die Rezirkulation wieder dem Anodenzuführabschnitt zugeführt wird und sich dadurch auch anreichert. Auch ist Wasser beziehungsweise Wasserdampf in einem Anodenabgas zu finden, welches ebenfalls in flüssiger Form als Tropfen durch die Rezirkulation dem Anodenzuführabschnitt zugeführt wird und dort auch Pfade im Wasserstoffpfad blockieren kann. Des Weiteren kann es auf Grund von Schädigungsmechanismen zur Bildung von geringen Mengen an Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid auf der Anodenseite kommen. Um ein zu großes Maß an Verunreinigung im Gas des Anodenzuführabschnitts zu vermeiden, wird daher bei den bekannten Brennstoffzellensystemen ein Spülvorgang durchgeführt. Dabei wird insbesondere zwischen Purge- und Bleed-Vorgängen unterschieden. Bei Purge-Vorgängen handelt es sich um kurzfristiges Auslassen beziehungsweise Spülen des Anodenzuführabschnittes, während unter einem Bleed-Vorgang ein längerfristiges Auslassen oder Spülen mit geringen Volumenströmen zu verstehen ist.

[0004] Der Zeitpunkt des Spülvorgangs wird bei den bekannten Lösungen entweder bei unterschreiten einer gewissen Zellspannung von einzelnen Zellen des Brennstoffzellestapels veranlasst oder algorithmisch auf Basis eines Simulationsmodells ermittelt.

[0005] Somit wird simuliert über welche Betriebsdauer und unter welchen Betriebszuständen welche Verunreinigungen im Anodenzuführabschnitt entstehen. Auf Basis dieses Simulationsergebnisses wird anschließend der Spülvorgang durchgeführt. Um ein Aufsummieren von Simulationsfehlern zu vermeiden, wird zur Sicherheit eine größere Anzahl von Spülvorgängen durchgeführt. Dies ist zum einen von Nachteil, da dies den Betrieb der Brennstoffzelle einschränkt. Ein weiterer Nachteil ist auf diese Weise verlorengegangenes Anodenzuführgas, also verlorener Brennstoff, der nicht mehr der Stromerzeugung zur Verfügung steht.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kontrolle des Spülvorgangs bei einem Brennstoffzellensystem zu verbessern.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß ist eine Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Bestimmung eines Spülparameters für eine Kontrolle eines Spülvorgangs des Brennstoffzellensystems ausgebildet. Hierfür weist die Sensorvorrichtung einen ersten Strömungskanal für eine Anordnung in einem Anodenzuführabschnitt eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels auf. Weiter ist die Sensorvorrichtung mit einem zweiten Strömungskanal für eine Anordnung in einem Rezirkulationsabschnitt des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels ausgestattet. Der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal sind voneinander wenigstens abschnittsweise mittels einer gasdichten Membran getrennt. Diese Membran ist permeabel für Protonen ausgebildet und beidseitig mit einem Elektrodenabschnitt ausgestattet. Weiter weist die Sensorvorrichtung eine Messvorrichtung auf zum Bestimmen eines Konzentrationsunterschiedes von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal als Spülparameter auf Basis einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenabschnitten.

[0009] Im Rahmen dieser Anmeldung wird die Funktionsweise zum Teil anhand von Wasserstoff als Brennstoff erläutert. Selbstverständlich ist auch eine Verwendung anderer Brennstoffe im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.

[0010] Im Unterschied zu den bekannten Lösungen ist eine Sensorvorrichtung nun ausgebildet eine integrale Bestimmung des Konzentrationsunterschiedes von Brennstoff zwischen den beiden Strömungskanälen und damit zwischen dem Anodenzuführabschnitt und dem Rezirkulationsabschnitt durchzuführen. Dies basiert insbesondere auf der Idee, dass die Konzentration im Anodenzuführabschnitt grundsätzlich bekannt ist, da es sich hierbei um die Zufuhr des Brennstoffs handelt. Wird beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff verwendet, so ist davon auszugehen, dass im Anodenzuführabschnitt eine hundertprozentige oder nahezu hundertprozentige Wasserstoffkonzentration vorliegt. Die Wasserstoffkonzentration im Rezirkulationsabschnitt hängt davon ab, wie groß der Grad der Verunreinigung ist. Uber den Betrieb der Brennstoffzelle summieren sich die Verunreinigungen auf, so dass der Anteil der Verunreinigung ansteigt, wodurch der Anteil an Wasserstoff in dem Rezirkulationsabschnitt abnimmt.

[0011] Durch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist es nun möglich diesen Konzentrationsunterschied zu bestimmen. Dies basiert auf einem elektrischen Potenzial zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal. Herrscht ein Konzentrationsunterschied von Wasserstoff zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal, so hat dieser Auswirkungen auf die Membran und die darauf aufgesetzten Elektrodenabschnitte. Der Konzentrationsunterschied führt dazu, dass die aus dem Wasserstoff insbesondere an einer Katalysatorschicht gebildeten Protonen und Elektronen im ersten Strömungskanal durch die für Protonen permeabel ausgebildete Membran und für die Elektronen leitfähigen Elektroden bewegt werden, um einen chemischen Konzentrationsausgleich zum zweiten Strömungskanal herzustellen. Dadurch, dass sich diese Protonen für die Bewegung durch die Membran bewegen müssen, wie auch deswegen dass sich die Elektronen durch die beiden Elektrodenabschnitte bewegen müssen, wird ein elektrisches Potenzial erzeugt, zwischen dem Elektrodenabschnitt im ersten Strömungskanal und dem Elektrodenabschnitt im zweiten Strömungskanal. Dieses voranstehend beschriebene elektrische Potenzial kann über die Messvorrichtung zwischen den beiden Elektrodenabschnitten abgegriffen werden und als elektrische Spannung einen Spülparameter definieren. Dabei kann die gemessene elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden direkt als Spülparameter verwendet werden. Jedoch kann auch eine weitergehende Verarbeitung dieses bestimmten Spannungswertes stattfinden, um einen Rückschluss auf den Konzentrationsunterschied und insbesondere auf eine Bestimmung der tatsächlichen Konzentration von Wasserstoff im zweiten Strömungskanal zuzulassen.

[0012] Auf Basis der voranstehenden Erläuterung kann also die Sensorvorrichtung in das Brennstoffzellensystem integriert werden. Es ist damit möglich, integral innerhalb des Brennstoffzellensystems und insbesondere in kontinuierlicher oder im Wesentlichen kontinuierlicher Weise die Konzentrationsunterschiede zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal zu überwachen. Neben dem reinen Überwachen des Unterschiedes kann auf Basis einer bekannten Konzentration im Anodenzuführabschnitt sogar eine quantitative Bestimmung oder

zumindest eine quantitative Annäherung der Wasserstoffkonzentration im Rezirkulationsabschnitt stattfinden. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen muss also nicht mehr auf ein Simulationsmodell zurückgegriffen werden, um die Spülvorgänge zu starten. Vielmehr ist eine Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und damit auch ein Rückschluss auf den Grad der Verunreinigung im Rezirkulationsabschnitt möglich. Der Grad der Verunreinigung kann nun als Kontrollbarameter verwendet werden, um einen Spülvorgang auszulösen.

[0013] Die integrale Bestimmung eines Spülparameters auf Basis tatsächlich vorhandener und gemessener Konzentrationsunterschiede von Wasserstoff führt nun dazu, dass unnötige Spülvorgänge vermieden werden können. Vielmehr reicht es aus, zielgenau dann zu spülen, wenn der Verschmutzungsgrad des Rezirkulationsgases einen vordefinierten Grad, zum Beispiel einen Vorgabewert, überschreitet. Solche zielgenauen Spülvorgänge vermeiden also aus Sicherheitsgründen durchgeführte unnötige Spülvorgänge auf Basis von Simulationsergebnissen, so dass der Wasserstoffverlust durch solche unnötigen Spülvorgänge ebenfalls vermieden werden kann. Darüber hinaus ist durch die genaue Kenntnis der Konzentration insbesondere im Rezirkulationsabschnitt eine deutlich dynamischere Kontrolle der Wasserstoffzufuhr im Anodenzuführabschnitt, insbesondere von einer Wasserstoffquelle möglich. Die Lastanforderung an der Brennstoffzelle kann damit dynamischer und vor allem flexibler variiert werden. Nicht zuletzt ist noch darauf hinzuweisen, dass zielgenaue Spülvorgänge einen zu großen Grad an Verschmutzung, insbesondere einen zu großen Grad an Stickstoff für den Rezirkulationsabschnitt und damit auch in dem Anodenzuführabschnitt sicher vermeiden. Ein zu hoher Stickstoffanteil könnte ansonsten zur Degradation des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels führen.

[0014] Für die Anordnung der Sensorvorrichtung innerhalb des Anodenzuführabschnitts und innerhalb des Rezirkulationsabschnitts sind die jeweiligen Strömungskanäle vorzugweise mit entsprechenden Ein- und Ausgängen ausgestaltet, um fluidkommunizierend in den Anodenzuführabschnitt und den Rezirkulationsabschnitt eingebunden zu sein. Der erste Strömungskanal ist dabei gasdicht gegen den zweiten Strömungskanal ausgebildet.

[0015] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die Elektrodenabschnitte beidseitig die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Membran abdecken. Darunter ist zu verstehen, dass kein Bypass von Protonen neben den Elektroden möglich ist. Darüber hinaus kann auf diese Weise eine einfache Herstellung der Membran zur Verfügung gestellt werden, da diese auch großflächig produziert und anschließend zugeschnitten werden kann. Durch das Vermeiden des voranstehend beschriebenen Bypasses für Protonen ist eine deutlich genauere Messung und damit eine verbesserte Bestimmung des Spülparameters möglich.

[0016] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal identisch oder im Wesentlichen identisch, insbesondere hinsichtlich der Strömungsverhältnisse, ausgebildet sind. Darunter sind zum Beispiel gleiche Strömungsquerschnitte der beiden Strömungskanäle zu verstehen. Auch gleiche Gesamtvolumina der beiden Strömungskanäle können als identische oder im Wesentlichen identische Ausbildung verstanden werden. Insbesondere sind auch Wandoberflächen, welche die Strömung in den beiden Strömungskanälen beeinflussen sowie die entsprechend Eingangs- und Ausgangsquerschnitte identisch oder im Wesentlichen identisch. Dies führ dazu, dass eine vereinfachte Auswertung der bestimmten Konzentrationsunterschiede beziehungsweise der bestimmten elektrischen Spannung mittels der Messvorrichtung möglich ist.

[0017] Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung der erste Strömungskanal und/oder der zweite Strömungskanal wenigstens eine Stellvorrichtung aufweisen für eine Kontrolle der Strömungsverhältnisse im jeweiligen Strömungskanal. Eine solche Stellvorrichtung kann zum Beispiel als Ventil oder als Pumpe ausgebildet sein und führt dazu, die Strömungsverhältnisse auf beiden Seiten aneinander anzugleichen. Um eine verbesserte und vor allem eine vereinfachte Auswertung für den Spülparameter an der Messvorrichtung zu ermöglichen, können nun aktiv die Strömungsverhältnisse in den beiden Strömungskanälen angepasst werden. Insbesondere dann, wenn der Grad der Rezirkulation verändert wird, kann mit Hilfe

der Stellvorrichtung ein Angleichen der Strömungsverhältnisse in der Sensorvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Auch, wenn bei unterschiedlichen Lastverhältnissen beziehungsweise Lastanforderungen an dem Brennstoffzellensystem unterschiedliche Strömungsverhältnisse durch unterschiedliche Zufuhrgeschwindigkeiten beziehungsweise Zufuhrmassenströme im Anodenzuführabschnitt entstehen, kann durch die entsprechende Stellvorrichtung im zweiten Strömungskanal wieder ein Angleichen der Strömungsverhältnisse ermöglicht werden.

[0018] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die wenigstens eine Stellvorrichtung zumindest eines der folgenden Module aufweist:

[0019] - Druckmodul zum Variieren des Gasdrucks im jeweiligen Strömungskanal, [0020] - Massenstrommodul zum Varlieren des Massenstroms im jeweiligen Strömungskanal.

[0021] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Unter einem Druckmodul beziehungsweise unter einem Massenstrommodul können zum Beispiel Pumpvorrichtungen, Druckregelvorrichtungen oder Kontrollventile verstanden werden. Damit wird es möglich, den Gasdruck und/oder den Massenstrom, vorzugweise jedoch beides in dem jeweiligen Strömungskanal zu beeinflussen und an die entsprechenden Verhältnisse im anderen Strömungskanal anzupassen. Vorzugsweise sind solche Stellvorrichtungen für beide Strömungskanäle vorgesehen, um eine größere Flexibilität in der Variation der Strömungsverhältnisse und in der Möglichkeit des Angleichens zur Verfügung zu stellen.

[0022] Weiter von Vorteil ist, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die Membran auf wenigstens einer Seite, insbesondere auf beiden Seiten, vorzugsweise auf dem jeweiligen Elektrodenabschnitt, eine Katalysatorschicht aufweist für eine Oxidation von Gasbestandteilen, insbesondere von Wasserstoff. Unter dieser Oxidation ist eine chemische Oxidation zu verstehen, so dass zum Beispiel aus Wasserstoff Protonen und Elektronen erzeugt werden. Die katalytische Umsetzung durch chemische Oxidation von Gasbestandteilen führt dazu, dass noch weiter verbesserte Voraussetzungen für die Ausbildung einer elektrischen Spannung durch ein chemisches Potenzial zwischen den beiden Strömungskanälen zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere sind die Katalysatorschichten dabei auf beiden Elektrodenabschnitten identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet.

[0023] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die Membran elektrisch isolierend ausgebildet ist. Dies kann durch entsprechende Materialausgestaltungen der Membran zur Verfügung gestellt sein. Jedoch ist es grundsätzlich auch denkbar, dass die Membran über eine Schicht oder eine entsprechende Anbindung an Wandungen oder ein Gehäuse die elektrische Isolierung zur Verfügung stellt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Membran einen entsprechend elektrisch isolierenden Kontakt zu einer oder sogar zu beiden Elektrodenabschnitten aufweist.

[0024] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal entlang der Membran im Gleichstrom geführt sind. Dies führt dazu, dass durch Gegenstrom ansonsten möglicherweise vorhandene Konzentrationsverschiebungen vermieden werden und auch eine unerwünschte Variation durch Temperaturunterschiede innerhalb der beiden Strömungskanäle reduziert wird.

[0025] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend

[0026] - zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt,

[0027] - einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt,

[0028] - einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt,

[0029] - einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von wenigstens einem Teil des Anodenabgases,

[0030] - einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas,

[0031] - einen Rezirkulationsabschnitt zum Rückführen wenigstens eines Teils des Anodenabgases an den Anodenzuführabschnitt.

[0032] Dabei ist eine Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Der Anodenzuführabschnitt weist den ersten Strömungskanal der Sensorvorrichtung und der Rezirkulationsabschnitt den zweiten Strömungskanal der Sensorvorrichtung auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie auch ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung erläutert worden sind. Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem noch weitere Merkmale aufweisen. Zum Beispiel kann dem Sensorabschnitt vorgelagert eine Reformervorrichtung angeordnet sein, welche zugeführtes Reformerzuführgas in ein reformiertes Anodenzuführgas umsetzt. Auch weitere Bestandteile, wie Wärmetauscher, Nachbrenner oder auch Stabbrennervorrichtungen, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem solchen Brennstoffzellensystem einsetzbar.

[0033] Vorteilhaft kann es weiter sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Strömungsrichtung des rezirkulierten Anodenabgases ein Mischabschnitt nachgeordnet ist für ein Einbringen des rezirkulierten Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt. Mit anderen Worten wird im Mischabschnitt eine Vermischung des Rezirkulationsgases und des Anodenzuführgases durchgeführt. Damit kann eine einfache und kostengünstige Vermischung und Kombination dieser beiden Gase möglich sein. Durch die Nachordnung bezüglich des zweiten Strömungskanals findet das Vermischen statt, nachdem die erfindungsgemäße Bestimmung des Spülparameters erfolgt ist. Neben einer Vermischung wäre grundsätzlich auch eine separate Leitung zum Anodenabschnitt aus dem zweiten Strömungskanal im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0034] Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Mischabschnitt in dem Anodenzuführabschnitt dem ersten Strömungskanal der Strömungsrichtung des Anodenzuführgases nachgeordnet ist. Darunter ist zu verstehen, dass erst nachdem das Anodenzuführgas durch den ersten Strömungskanal hindurch geströmt ist, eine Vermischung mit dem Rezirkulationsgas stattfindet. Der Einfluss des Rezirkulationsgases und damit die sich einstellende Mischkonzentration findet also erst statt, wenn der erste Strömungskanal bereits passiert worden ist. Dies führt dazu, dass eine exakte Zusammensetzung insbesondere dann für das Rezirkulationsgas bestimmbar ist, wenn das reine Anodenzuführgas bekannt ist und dieses auch in reiner Form durch den ersten Strömungskanal strömt. Unerwünschte Quereinflüsse und über die Zeit sich aufbauende Abweichungen werden auf diese Weise für den ersten Strömungskanal vermieden.

[0035] Es kann auch vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Mischabschnitt in dem Anodenzuführabschnitt dem ersten Strömungskanal in Strömungsrichtung des Anodenzuführgases vorangestellt ist. Dies erlaubt es nicht den reinen Gasbestandteil des Anodenzuführgases, sondern vielmehr die bereits eingestellte Mischung mit dem Rezirkulationsgas zu vergleichen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn nicht nur eine Sensorvorrichtung, sondern zwei Sensorvorrichtungen vorgesehen sind. So bringt es große Vorteile mit sich, wenn eine erste Sensorvorrichtung vor dem Mischabschnitt und eine zweite Sensorvorrichtung nach dem Mischabschnitt angeordnet ist, so dass es möglich wird über chemische Potenzialerkennung und entsprechende Spülparameter sowohl einen Vergleich mit dem reinen Anodenzuführgas als auch mit dem gemischten Anodenzuführgas zur Verfügung zu stellen.

[0036] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kontrolle eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufweisend die folgenden Schritte:

[0037] - Bestimmen eines Spülparameters mittels der Sensorvorrichtung, [0038] - Vergleichen des bestimmten Spülparameters mit einem Vorgabewert,

[0039] - Durchführen eines Spülvorgangs auf Basis des Vergleichs.

[0040] Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Ein Spülvorgang kann dabei ein Purge-Vorgang oder auch ein Bleed-Vorgang sein. Es ist auch denkbar, dass der Spülparameter beziehungsweise der Grad der Abweichung vom Vorgabewert entscheidet, ob ein Purge-Vorgang oder ein Bleed-Vorgang durchgeführt werden soll.

[0041] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf Basis des Spülparameters ein Sekundärparameter, insbesondere in Form einer Stickstoffkonzentration im zweiten Strömungskanal, bestimmt wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich im ersten Strömungskanal reines oder im Wesentlichen reines Anodenzuführgas, zum Beispiel reiner Wasserstoff, befindet. Der Sekundärparameter kann damit als Differenz exakt den Prozentsatz an Verschmutzung, insbesondere in Form von Stickstoff, generieren, ohne dass der Stickstoff beziehungsweise der Stickstoffgehalt direkt bestimmt werden muss. Der Sekundärparameter kann dabei allein, aber auch kombiniert mit dem Spülparameter, für den Vergleichswert herangezogen werden, um den Spülvorgang zu kontrollieren.

[0042] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0043] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, [0044] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, [0045] Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

[0046] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

[0047] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

[0048] Fig. 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0049] In Figur 1 ist schematisch der Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung dargestellt. Die Sensorvorrichtung weist zwei Einzelzellen auf, welche sich durch einen ersten Strömungskanal 20 und einen zweiten Strömungskanal 30 auszeichnen. Der erste Strömungskanal 20 ist dabei Teil eines Anodenzuführabschnitts 122 und der zweite Strömungskanal 30 Teil eines Rezirkulationsabschnitts 126. Durch den ersten Strömungskanal 20 fließt dabei vorzugweise reines Anodenzuführgas, zum Beispiel reiner Wasserstoff. Durch den zweiten Strömungskanal 30 wird entsprechend von dem Anodenabgas verschmutztes Rezirkulationsgas geführt, so dass sich ein chemischer Konzentrationsunterschied zwischen Wasserstoff im ersten Strömungskanal 20 und im zweiten Strömungskanal 30 einstellt. Die beiden Strömungskanäle 20 und 30 sind gemäß der Figur 1 in dieser Ausführungsform durch eine gasdichte Membran 40 getrennt. Protonen können diese Membran 40 jedoch durchdringen, so dass ein chemischer Konzentrationsunterschied zu einer elektrisch messbaren Spannung zwischen dem ersten Strömungskanal 20 und dem zweiten Strömungskanal 30 führt. Diese Spannung wird über die beidseitig auf der Membran 40 angeordneten Elektrodenabschnitte 42 und 44 abgegriffen und kann an der Messvorrichtung 50 erkannt werden. In der Messvorrichtung 50 kann nun als Spülparameter SP der erkannte Konzentrationsunterschied oder aber auch direkt der gemessene Spannungswert ausgegeben werden. Wie der Figur 1 gut zu entnehmen ist, sind hier der erste Strömungskanal 20 und der zweite Strömungskanal 30 im Gleichstrom geführt.

[0050] Die Figur 2 ist eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Diese basiert grundsätzlich auf der Lösung der Figur 1. Jedoch sind hier zusätzlich Stellvorrichtungen 60 vorgesehen, welche aus Pumpvorrichtungen ausgebildet sind. Somit wird es möglich, die Strömungsverhältnisse im ersten Strömungskanal 20 und im zweiten Strömungskanal 30 zu variieren. Insbesondere bei unterschiedlichen Lastanforderungen, aber auch bei unterschiedlichen Rezirkulationsmengen kann auf diese Weise eine Anpassung des Strömungsverhältnisses im jeweils

anderen Strömungskanal 20 oder 30 erfolgen, so dass ein Angleichen und insbesondere ein Ausgleichen der Strömungsverhältnisse zwischen den beiden Strömungskanälen 20 und 30 möglich wird.

[0051] Figur 3 zeigt die Einbindung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 in ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100. Dieses ist hier schematisch mit einem Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt 120 und einem Kathodenabschnitt 130 dargestellt. Der Anodenabschnitt 120 ist mit einem Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und einem Anodenabführabschnitt 124 zum Abführen von Anodenabgas versehen. In gleicher Weise ist der Kathodenabschnitt 130 mit einem Kathodenzuführabschnitt 132 zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einem Kathodenabführabschnitt 134 zum Abführen von Kathodenabgas ausgestaltet. Wie bereits erläutert worden ist, ist im Anodenabgas des Anodenabschnitts 120 noch ein Rest an Wasserstoff vorhanden, welcher nicht der Umgebung zugeführt, sondern vielmehr wiederverwendet werden soll. Diese Wiederverwendung erfolgt über die Rezirkulation zumindest eines Teils des Anodenabgases mit Hilfe des Rezirkulationsabschnitts 126.

[0052] Die Figur 3 zeigt nun wie eine Sensorvorrichtung 10 in den Anodenzuführabschnitt 122 und den Rezirkulationsabschnitt 126 eingebunden ist. Das rezirkulierte Anodenabgas durch den Rezirkulationsabschnitt 126 wird in den zweiten Strömungskanal 30 geführt und befindet sich dort in einer Konzentrationsdifferenz zum Anodenzuführgas des ersten Strömungskanals 20. Selbstverständlich ist ein Zuführen des Rezirkulationsgases auch der Sensorvorrichtung 10 nachgelagert möglich. Hiermit wird die integrale Bestimmung der Konzentrationsunterschiede möglich, so dass zielgenau eine Purge- beziehungsweise ein Bleed-Vorgang durchgeführt werden kann.

[0053] Die Figur 4 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 3. In den Zuführ- und Abführwegen zur Sensorvorrichtung 10 sind bei dieser Ausführungsform Steuerventile beziehungsweise Kontrollventile als Stellvorrichtung 60 vorgesehen, um die Strömungsverhältnisse im ersten Strömungskanal 20 und im zweiten Strömungskanal 30 aneinander anzugleichen. Auch ist ein Mischabschnitt 140 vorgesehen, welcher es erlaubt zielgenau eine Vermischung des Rezirkulationsgases mit dem reinen Zuführgas durchzuführen. Der Mischabschnitt 140 kann selbstverständlich auch dem zweiten Strömungskanal 20 in dem Anodenzuführabschnitt 122 nachgelagert sein.

[0054] Figur 5 zeigt eine Ausbildung mit einer weiteren Verbesserung des Brennstoffzellensystems 100. So sind hier zwei Sensorvorrichtungen 10 vorgesehen, welche an zwei unterschiedlichen Stellen Bezug auf den Mischabschnitt 140 ihre Bestimmung durchführen. So ist die linke Sensorvorrichtung 10 in der Lage, den Konzentrationsunterschied zwischen dem reinen Anodenzuführgas und dem Rezirkulationsgas zu bestimmen. Die rechte Sensorvorrichtung 10 erlaubt eine Bestimmung zwischen dem Rezirkulationsgas und dem bereits vermischten Anodenzuführgas. Damit kann eine noch genauere integrale Bestimmung und damit eine noch genauere Kontrolle der Purge- und/oder der Bleed-Vorgänge zur Verfügung gestellt werden.

[0055] Figur 6 zeigt schematisch wie ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Im ersten Strömungskanal 20 ist dabei vorzugsweise eine hundertprozentige Wasserstoffkonzentration H2 vorhanden. In dem zweiten Strömungskanal 30 befindet sich eine Verschmutzung durch einen Rest, zum Beispiel durch Wasserdampf und/oder durch Stickstoff und/oder durch Kohlenmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid, so dass die Wasserstoffkonzentration H2 kleiner ist als im ersten Strömungskanal 20. Die Wasserstoffkonzentration kann nun als Spülparameter SP bestimmt werden. Beim Vergleich mit einem Vorgabewert VW gemäß der Figur 6 fällt nun auf, dass die Wasserstoffkonzentration als Spülparameter SP unter dem Vorgabewert VW gesunken ist, so dass der Rest und damit der Verschmutzungsgrad zu hoch und ein Spülvorgang notwendig ist. In gleicher, ergänzender oder auch alternativer Weise ist es möglich, für den Rest, zum Beispiel eine Stickstoffkonzentration, einen Sekundärparameter SE zu bestimmen. Auch dieser kann mit einem Vorgabewert VW verglichen werden, welcher gemäß der Figur 6 in diesem Beispiel zu groß ist, so dass eine zu große Verschmutzung vorliegt und ebenfalls ein Spülvorgang notwendig ist. Selbstverständlich können diese beiden Vergleichsschritte bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch miteinander kombiniert werden.

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[0056] Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der vorliegenden Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Sensorvorrichtung

20 erster Strömungskanal 30 zweiter Strömungskanal 40 Membran

42 Elektrodenabschnitt

44 Elektrodenabschnitt

50 _Messvorrichtung

60 Stellvorrichtung

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 126 Rezirkulationsabschnitt 130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Mischabschnitt

SP Spülparameter

SE Sekundärparameter

VW Vorgabewert

Claims

Patentansprüche

1. Sensorvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Bestimmung eines Spülparameters (SP) für eine Kontrolle eines Spülvorgangs des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen ersten Strömungskanal (20) für eine Anordnung in einem Anodenzuführabschnitt (122) eines Anodenabschnitts (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) und einen zweiten Strömungskanal (130) für eine Anordnung in einem Rezirkulationsabschnitt (126) des Anodenabschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110), welche voneinander wenigstens abschnittsweise mittels einer gasdichten Membran (40) getrennt sind, wobei die Membran (40) permeabel für Protonen ausgebildet ist und beidseitig einen Elektrodenabschnitt (42, 44) aufweist, weiter aufweisend eine Messvorrichtung (50) zum Bestimmen eines Konzentrationsunterschiedes von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, zwischen dem ersten Strömungskanal (20) und dem zweiten Strömungskanal (30) als Spülparamater (SP) auf Basis einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenabschnitten (42, 44).

2, Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenabschnitte (42, 44) beidseitig die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Membran (40) abdecken.

3. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (20) und der zweite Strömungskanal (30) identisch oder im Wesentlichen identisch, insbesondere hinsichtlich der Strömungsverhältnisse, ausgebildet sind.

4. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (20) und/oder der zweite Strömungskanal (30) wenigstens eine Stellvorrichtung (60) aufweisen für eine Kontrolle der Strömungsverhältnisse im jeweiligen Strömungskanal (20, 30).

5. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stellvorrichtung (60) zumindest eines der folgenden Module aufweist:

- Druckmodul zum Variieren des Gasdrucks im jeweiligen Strömungskanal (20, 30)

- Massenstrommodul zum Varilieren des Massenstroms im jeweiligen Strömungskanal (20, 30)

6. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (40) auf wenigstens einer Seite, insbesondere auf beiden Seiten, vorzugsweise auf dem jeweiligen Elektrodenabschnitt (42, 44), eine Katalysatorschicht aufweist für eine Oxidation von Gasbestandteilen, insbesondere von Wasserstoff.

7. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (40) elektrisch isolierend ausgebildet ist.

8. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (20) und der zweite Strömungskanal (30) entlang der Membran (40) im Gleichstrom geführt sind.

9. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130),

- einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt (120),

- einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (130),

- einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von wenigstens einem Teil des Anodenabgases,

- einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas,

- einen Rezirkulationsabschnitt (126) zum Rückführen wenigstens eines Teils des Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt (122),

wobei weiter eine Sensorvorrichtung (10) mit den Merkmalen wenigstens eines der Ansprüche 1 bis 8 vorgesehen ist und der Anodenzuführabschnitt (122) den ersten Strömungskanal (20) der Sensorvorrichtung (10) und der Rezirkulationsabschnitt (126) den zweiten Strömungskanal (30) der Sensorvorrichtung (10) aufweist.

10. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strömungskanal (30) in Strömungsrichtung des rezirkulierten Anodenabgases ein Mischabschnitt (140) nachgeordnet ist für ein Einbringen des rezirkulierten Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt (122).

11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt (140) in dem Anodenzuführabschnitt (122) dem ersten Strömungskanal (20) in Strömungsrichtung des Anodenzuführgases nachgeordnet ist.

12. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt (40) in dem Anodenzuführabschnitt (122) dem ersten Strömungskanal (20) in Strömungsrichtung des Anodenzuführgases vorangestellt ist.

13. Verfahren für eine Kontrolle eines Spülvorgangs eines Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 9 bis 12, aufweisend die folgenden Schritte:

- Bestimmen eines Spülparameters (SP) mittels der Sensorvorrichtung (10), - Vergleich des bestimmten Spülparameters (SP) mit einem Vorgabewert (VW), - Durchführen eines Spülvorgangs auf Basis des Vergleichs.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Spülparameters (SP) ein Sekundärparameter (SE), insbesondere in Form einer Stickstoffkonzentration im zweiten Strömungskanal (30), bestimmt wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen