AT525865A1 - Method of determining an operating state of a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Zellenstapel (2) mit zumindest einem Ano- denabschnitt (3) und zumindest einem Kathodenabschnitt (4) aufweist, wobei strom- aufwärts des Anodenabschnitts (3) ein Zuführventil (5) angeordnet ist, aufweisend die Schritte: - variierendes Zuführen eines ersten Fluides zu dem Anodenabschnitt (3) durch das erste Zuführventil (5) mit einem Variationsmuster, wobei dem Fluidstrom das Variationsmuster durch das Zuführventil (5) aufgeprägt wird, - Ermitteln einer anodenspezifischen Spannungsantwort des Zellenstapels (2) während des variierenden Führens des ersten Fluides zum Anodenabschnitt (3), - Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems (1) anhand der anodenspezifischen Spannungsan- twort. Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem sowie die Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems.The invention relates to a method for determining an operating state of a fuel cell system (1) which has a cell stack (2) with at least one anode section (3) and at least one cathode section (4), with a feed valve upstream of the anode section (3). (5) is arranged, comprising the steps of: - varyingly supplying a first fluid to the anode section (3) through the first supply valve (5) with a variation pattern, wherein the fluid flow is imparted by the supply valve (5) with the variation pattern, - determining a anode-specific voltage response of the cell stack (2) during the varying routing of the first fluid to the anode section (3), - determining a hydrogen concentration in at least one anode section of the fuel cell system (1) based on the anode-specific voltage response. The invention further relates to a PEM fuel cell system and the use of such a PEM fuel cell system.
Description
Verfahren Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems Method of determining an operating state of a fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellensystems, das einen Zellenstapel mit zumindest einem Anodenabschnitt und zumindest einem Kathodenabschnitt aufweist, wobei stromaufwärts des The invention relates to a method for determining an operating state of a fuel cell system which has a cell stack with at least one anode section and at least one cathode section, with upstream of the
Anodenabschnitts ein Zuführventil angeordnet ist. Anode section is arranged a supply valve.
Weiter betrifft die Erfindung ein PEM-Brennstoffzellensystem, welches zur Durchfüh-The invention further relates to a PEM fuel cell system which is used to carry out
rung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist. tion of such a procedure.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen PEM-In addition, the invention relates to the use of such a PEM
Brennstoffzellensystems. fuel cell system.
PEM-Brennstoffzellensysteme und deren Verwendung in Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter ist es bekannt, dass jedes PEMBrennstoffzellensystem ein Spülventil umfassen soll, um einen Wasserstoffgehalt in einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels kontrollieren und regeln zu können. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems nimmt ein Wasserstoffgehalt üblicherweise kontinuierlich ab, weil Stickstoff und Sauerstoff in den Anodenabschnitt diffundieren. Um einen Wasserstoffgehalt wieder anzuheben und dadurch einen einwandfreien Betrieb des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, ist es bekannt, dass Spülventil für eine gewisse Zeitspanne, insbesondere periodisch zu öffnen, um Ano-PEM fuel cell systems and their use in motor vehicles are known from the prior art. Furthermore, it is known that each PEM cell system should include a purge valve in order to be able to control and regulate a hydrogen content in an anode section of the fuel cell stack. During operation of the fuel cell system, a hydrogen content usually decreases continuously because nitrogen and oxygen diffuse into the anode section. In order to raise a hydrogen content again and thereby ensure trouble-free operation of the fuel cell system, it is known that the flushing valve must be opened for a certain period of time, in particular periodically, in order to
dengas aus dem Anodenabschnitt abzuführen. dissipate dengas from the anode section.
Wann und wie lange das Spülventil geöffnet wird, ist folglich insbesondere von einem Wasserstoffgehalt im Anodenabschnitt abhängig. Um diesen bestimmen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zumindest einen Sensor im Anodenabschnitt anzuordnen, sodass der Wasserstoffgehalt unmittelbar gemessen werden kann. Diese Lösung hat den Nachteil, dass entsprechende Sensoren sehr kostenintensiv und zugleich jedoch nicht wirklich zuverlässig sind. Um diesen Nachteil zu überwinden sind aus dem Stand der Technik auch sensorlose Verfahren zur Bestimmung einer Wasserstoffkonzentration bekannt geworden. Beispielsweise wird hierfür ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal verwendet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass dabei eine Kalibration für einen ungünstigsten Fall durchgeführt werden muss, welche alle anderen Einflussfaktoren berücksichtigt. Dies kann zu einem zu hohen Wasserstoffgehalt im Anodenabschnitt führen, was zwar den Brenn-When and for how long the scavenging valve is opened is consequently dependent in particular on a hydrogen content in the anode section. In order to be able to determine this, it is known from the prior art to arrange at least one sensor in the anode section so that the hydrogen content can be measured directly. This solution has the disadvantage that corresponding sensors are very expensive and at the same time not really reliable. In order to overcome this disadvantage, sensorless methods for determining a hydrogen concentration have also become known from the prior art. For example, a pulse width modulated (PWM) signal is used for this. The disadvantage of this method is that a calibration must be carried out for a worst-case scenario, which takes all other influencing factors into account. This can lead to too high a hydrogen content in the anode section, which, although
stoffzellenstapel nicht schädigt, aber ineffizient ist. does not damage cloth cell stacks, but is inefficient.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders effizientes This is where the invention comes in. The object of the invention is a particularly efficient
Verfahren zur Ermittlung eines Betriebszustandes, insbesondere zur Ermittlung einer Method for determining an operating state, in particular for determining a
Wasserstoffkonzentration bereitzustellen, welches die oben beschriebenen Nachteile Provide hydrogen concentration, which has the disadvantages described above
überwindet. overcomes.
Weiter ist es ein Ziel, ein PEM-Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Next, it is a goal to specify a PEM fuel cell system, which for
Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist. Implementation of such a method is formed.
Ein weiteres Ziel ist es, eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems an-Another goal is to use such a fuel cell system
zugeben. admit.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verfahren der eingangs The object is achieved in that a method of the beginning
genannten Art folgende Schritte aufweist: mentioned type has the following steps:
- varilierendes Zuführen eines ersten Fluides zu dem Anodenabschnitt durch das erste Zuführventil mit einem Variationsmuster, wobei dem Fluidstrom das Varia-- Varyingly supplying a first fluid to the anode section through the first supply valve with a variation pattern, wherein the fluid flow is associated with the variable
tionsmuster durch das Zuführventil aufgeprägt wird, tion pattern is imposed by the supply valve,
- Ermitteln einer anodenspezifischen Spannungsantwort des Zellenstapels wäh-- Determination of an anode-specific voltage response of the cell stack during
rend des variierenden Führens des ersten Fluides zum Anodenabschnitt, rend the varying guidance of the first fluid to the anode section,
- Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems anhand der anodenspezifischen Spannungsant-- Determining a hydrogen concentration in at least one anode section of the fuel cell system based on the anode-specific voltage
wort. word.
Ein dadurch erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte eine Effizienz deutlich erhöht ist und weiter eine Kalibration einer erlaubter Wasserstoffkonzentration erleichtert wird, Insbesondere, An advantage achieved in this way can be seen in particular in the fact that the method steps according to the invention significantly increase efficiency and further facilitate calibration of a permitted hydrogen concentration, in particular
ohne dass hierfür ein physikalischer Wasserstoffsensor notwendig ist. without the need for a physical hydrogen sensor.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere der Wasserstoff, welcher zum Anodenabschnitt geführt wird, gepulst, wodurch auch dem Anodendruck ein Variationsmuster aufgeprägt wird. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass der so gepulste Anodendruck mit einem Wasserstoffgehalt oder einer Wasserstoffkonzentration korreliert. In the method according to the invention, in particular the hydrogen which is fed to the anode section is pulsed, as a result of which a variation pattern is also imposed on the anode pressure. Within the scope of the invention, it has been found that the anode pressure pulsed in this way correlates with a hydrogen content or a hydrogen concentration.
Vorteilhaft ist es, wenn das erste Fluid mit einer definierten Frequenz, insbesondere It is advantageous if the first fluid with a defined frequency, in particular
im Bereich von etwa 5 Hz bis etwa 50 Hz, pulsiert wird. Das erste Fluid ist dabei be-in the range from about 5 Hz to about 50 Hz. The first fluid is
sonders vorteilhaft Wasserstoff, welcher zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellen-particularly advantageous hydrogen, which to the anode section of the fuel cell
systems geführt wird. Hierfür arbeitet das Zuführventil, welches insbesondere als In-systems. The supply valve works for this purpose, which is used in particular as an internal
jektor oder Ejektor ausgebildet ist, mit einer Frequenz zwischen 5 Hz und 50 Hz, vor-jektor or ejector is formed, with a frequency between 5 Hz and 50 Hz, primarily
teilhaft zwischen 10 Hz und 40 Hz, besonders vorteilhaft zwischen 20 Hz und 30 Hz. advantageously between 10 Hz and 40 Hz, particularly advantageously between 20 Hz and 30 Hz.
Dabei ist es weiter günstig, wenn die Frequenz, mit welcher das erste Fluid geführt wird, während des Verfahrens verändert wird, um ein Signal der Spannungsantwort zu verbessern. Die Frequenz kann dabei einmal, mehrmals, insbesondere beliebig It is also advantageous if the frequency with which the first fluid is guided is changed during the method in order to improve a signal of the voltage response. The frequency can be once, several times, in particular arbitrarily
oft während der Durchführung des Verfahrens verändert werden. often changed during the performance of the procedure.
Von Vorteil ist es, wenn ein zweites Fluid zum Kathodenabschnitt geführt wird, wobei ausschließlich dem ersten Fluid ein Variationsmuster aufgeprägt wird. Als zweites Fluid wird insbesondere Luft oder ein sauerstoffhaltiges Fluid verwendet, welchem kein Variationsmuster aufgeprägt wird. It is advantageous if a second fluid is fed to the cathode section, with a variation pattern being imposed exclusively on the first fluid. In particular, air or an oxygen-containing fluid is used as the second fluid, on which no variation pattern is impressed.
Besonders günstig es, wenn die anodenspezifische Spannungsantwort des Zellenstapels bei der definierten Frequenz des ersten Fluids ermittelt wird. Dies kann auch dann erfolgen, wenn die Frequenz während des Verfahrens einmal oder mehrmals geändert wird. Wichtig ist es, dass die Spannungsantwort immer bei einer vorab definierten Frequenz ermittelt wird, sodass dieser auch immer ein dem gepulsten Ano-It is particularly favorable if the anode-specific voltage response of the cell stack is determined at the defined frequency of the first fluid. This can occur even if the frequency is changed one or more times during the procedure. It is important that the voltage response is always determined at a previously defined frequency so that it always corresponds to the pulsed anomaly.
dendruck entsprechend Wasserstoffkonzentration zuordenbar ist. dendruck can be assigned according to the hydrogen concentration.
Zweckmäßig ist es, wenn die Wasserstoffkonzentration im zumindest einen Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems anhand einer Amplitude der anodenspezifischen Spannungsantwort ermittelt wird. Die Amplitude der anodenspezifischen Spannungsantwort oder des Potenzials dieser Spannung korreliert mit der Wasserstoffkonzentration. Dadurch kann die Wasserstoffkonzentration noch besser be-It is expedient if the hydrogen concentration in at least one anode section of the fuel cell system is determined using an amplitude of the anode-specific voltage response. The amplitude of the anode specific voltage response or the potential of this voltage correlates with the hydrogen concentration. As a result, the hydrogen concentration can be
stimmt werden. be correct.
Vorteilhaft ist es, wenn durch die anodenspezifische Spannungsantwort der Öffnungszeitpunkt und/oder die Öffnungsdauer eines Spülventils mitbestimmt wird. Da die anodenspezifische Spannungsantwort über die Wasserstoffkonzentration Aufschluss gibt, wird durch diese auch bestimmt, wann und/oder wie oft und/oder wie lange das Spülventil geöffnet wird, um Wasserstoff abzulassen. Unter Öffnungsdauer des Spülventils ist im Rahmen jene Zeit zu verstehen, innerhalb welcher das Spülventil offen ist. Es kann vorgesehen sein, dass das Spülventil mehrmals hintereinan-It is advantageous if the opening time and/or the opening duration of a scavenging valve is also determined by the anode-specific voltage response. Because the anode specific voltage response is indicative of hydrogen concentration, it also determines when and/or how often and/or how long the purge valve is opened to vent hydrogen. The opening duration of the scavenging valve is to be understood within the framework of the time within which the scavenging valve is open. Provision can be made for the flushing valve to be operated several times in succession
der, insbesondere periodisch, geöffnet und geschlossen wird. Dabei kann auch vor-which is opened and closed, in particular periodically. It can also
ist bevorzugt unmittelbar stromabwärts des Anodenabschnittes angeordnet. is preferably located immediately downstream of the anode section.
Von Vorteil ist es, wenn das Brennstoffzellensystem frei von einem Wasserstoffsensor ist. Es wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ein virtuel-It is advantageous if the fuel cell system does not have a hydrogen sensor. The method according to the invention advantageously makes a virtual
ler Sensor gebildet. ler sensor formed.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn ein Brennstoffzellenstapelstrom kontinuierlich, sprich ein Strom, welcher vom Brennstoffzellenstapel gezogen wird, mitgeschrieben und/oder aufgezeichnet. Folglich steht eine Stromhistorie zur Verfügung. Aufgrund des aufgezeichneten Stroms über eine vorbestimmte Zeitdauer wird eine Öffnungsdauer des Spülventils eingestellt. Das Spülventil muss geöffnet werden, um den Stickstoff aus dem Anodenabschnitt zu spülen, sodass eine In the method according to the invention, it can be advantageous if a fuel cell stack current, ie a current which is drawn from the fuel cell stack, is written and/or recorded continuously. Consequently, a current history is available. An opening duration of the scavenging valve is set on the basis of the recorded current over a predetermined period of time. The purge valve must be opened to purge the nitrogen from the anode section so that a
notwendige Wasserstoffkonzentration im Anodenabschnitt wieder hergestellt wird. necessary hydrogen concentration is restored in the anode section.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche aufgezeichnete Daten wie den Strom und/oder eine Spannung weiterverarbeitet und eine Öffnungsdauer und/oder Öffnungsperiode des Spülventils vorgibt. Alternativ oder zusätzlich kann es von Vorteil sein, wenn die Steuereinrichtung das Zuführventil ansteuert bzw. das Variationsmuster, welches dem Anodenfluid aufgeprägt wird, vorgibt. In order to carry out the method according to the invention, a control device is provided in particular, which further processes recorded data such as the current and/or a voltage and specifies an opening duration and/or opening period of the flushing valve. Alternatively or additionally, it can be advantageous if the control device controls the supply valve or specifies the variation pattern that is impressed on the anode fluid.
Im Rahmen der Erfindung kann der Strom direkt durch einen oder mehrere Sensoren gemessen werden. Der Strom kann allerdings auch indirekt durch eine Spannungsund/oder Leistungsmessung festgestellt werden. Zur Zellmessung kann beispielsweise ein CVM-Verfahren verwendet (Cell Voltage Monitoring) werden, wofür bevorzugt jede einzelne Zelle mit einem Sensor zur Ermittlung einer Zellspannung verbun-Within the scope of the invention, the current can be measured directly by one or more sensors. However, the current can also be determined indirectly by measuring the voltage and/or power. For example, a CVM method (Cell Voltage Monitoring) can be used for cell measurement, for which each individual cell is preferably connected to a sensor for determining a cell voltage.
den wird. Es kann allerdings auch von Vorteil sein, wenn nicht die Spannung jeder the will. However, it can also be beneficial if not the tension everyone
einzelne Zelle, sondern Zellen paarweise vermessen oder beispielsweise eine Span-individual cell, but measure cells in pairs or, for example, a span
nung von vier oder fünf Zellen gemeinsam ermittelt wird. Wird die Spannung von voltage is determined jointly by four or five cells. Will the voltage of
mehr als einer Zelle gemeinsam gemessen, wird anschließend die Differenz davon more than one cell measured together, then the difference between them is measured
gebildet. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein DC/DC-educated. In particular, downstream of the fuel cell stack is a DC/DC
Wandler angeordnet, welcher Spannungswerte und/oder Stromwerte ausgibt. Arranged converter, which outputs voltage values and / or current values.
Das Spülvolumen wird insbesondere vom Brennstoffzellenstapel und/oder vom Brennstoffzellenstapelhersteller selbst vorgegeben. Das vorgegebene Spülvolumen bezeichnet ein Gasvolumen, welches vom Anodenabschnitt über das Spülventil ab-The flushing volume is specified in particular by the fuel cell stack and/or by the fuel cell stack manufacturer itself. The specified scavenging volume designates a gas volume which is discharged from the anode section via the scavenging valve.
gelassen werden soll. should be left.
Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels von zumindest einem Sensor gemessen wird. Vom Sensor wird dabei insbesondere eine Wasserstofftemperatur des Anodenabschnittes gemessen, wofür zumindest ein Sensor im Anodenabschnitt angeordnet ist. Es kann allerdings auch vorteilhaft sein, wenn eine Kühlmitteltemperatur gemessen wird. Kühlmittel durchströmt bevorzugt das Brennstoffzellensystem und insbesondere auch den Brennstoffzellenstapel, weshalb eine Temperatur des Kühlmittels im Wesentlichen gleich jener des Wasserstoffs ist. In principle, it can be advantageous if a temperature of the fuel cell stack is measured by at least one sensor. In particular, a hydrogen temperature of the anode section is measured by the sensor, for which purpose at least one sensor is arranged in the anode section. However, it can also be advantageous if a coolant temperature is measured. Coolant preferably flows through the fuel cell system and in particular also through the fuel cell stack, which is why the temperature of the coolant is essentially the same as that of the hydrogen.
Dabei kann es weiter auch günstig, wenn die Öffnungsdauer des Spülventils durch die gemessene Temperatur mitbestimmt wird, wobei insbesondere die Temperatur vorab mit einem vorbestimmten Faktor multipliziert wird. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere ein Hinweis darauf, wieviel Wasser sich im Brennstoffzellenstapel befindet. Je höher die Temperatur ist, d. h. je mehr Wasser im Brennstoffzellenstapel ist, desto öfter muss gespült oder ein Spülvolumen erhöht In this context, it can also be advantageous if the duration of the opening of the flushing valve is also determined by the measured temperature, with the temperature in particular being multiplied in advance by a predetermined factor. In particular, the temperature of the fuel cell stack is an indication of how much water is in the fuel cell stack. The higher the temperature, i. H. the more water there is in the fuel cell stack, the more often flushing has to be carried out or the flushing volume has to be increased
werden. become.
Es kann auch von Vorteil sein, wenn ein Anodendruck durch zumindest einem Sensor bestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch den Anodendruck mitbestimmt wird, da der Anodendruck wie oben beschrieben mit dem Wasserstoffgehalt korreliert. Zur Bestimmung des Anodendrucks ist insbesondere im Anodenabschnitt, bevorzugt in einer Anodenzuführleitung, ein Sensor angeordnet. Der Anodendruck wird bevorzugt direkt mit einem Drucksensor gemessen oder indirekt über beispielsweise eine Messung eines Massenstroms bestimmt. Es wurde festgestellt, dass ein Anodendruck Einfluss auf das Öffnen des Spülventils hat: Je höher der It can also be advantageous if an anode pressure is determined by at least one sensor, with the opening duration of the scavenging valve also being determined by the anode pressure, since the anode pressure, as described above, correlates with the hydrogen content. In order to determine the anode pressure, a sensor is arranged in particular in the anode section, preferably in an anode feed line. The anode pressure is preferably measured directly using a pressure sensor or determined indirectly, for example by measuring a mass flow. It was found that an anode pressure has an influence on the opening of the purge valve: the higher the
Anodendruck ist, desto kürzer kann die Öffnungsdauer des Spülventils sein, da in der Anode pressure is, the shorter the opening time of the purge valve can be, since in the
gleichen Zeit mehr Volumen durch den Anodenabschnitt gefördert wird. Der gemes-more volume is conveyed through the anode section at the same time. The measured
sene Anodendruck wird bevorzugt auch im zweidimensionalen Kennfeld gespeichert, This anode pressure is preferably also stored in the two-dimensional map,
welches in weiterer Folge für die Regelung des Spülventils verwendet. which is subsequently used to control the flushing valve.
Zweckmäßig ist es, wenn eine an eine Umgebung abgebbare Menge an Wasserstoff vorbestimmt wird, wobei die Öffnungsdauer des Spülventils durch die Menge an Wasserstoff mitbestimmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass eine Menge an Wasserstoff, welche an eine Umgebung insbesondere von einem BrennstoffzellenKraftfahrzeug abgegeben werden darf, durch Gesetze geregelt wird. Diese vorgegebene Menge wird insbesondere in einem weiteren Kennfeld gespeichert, wobei dieses weitere Kennfeld ein vom zweidimensionalen, oben beschriebenen, Kennfeld verschieden ist. Daten aus dem weiteren Kennfeld und dem zweidimensionalen Kennfeld werden in weiterer Folge bevorzugt zusammengeführt und dadurch wird It is expedient if a quantity of hydrogen that can be released to an environment is predetermined, with the duration of the opening of the flushing valve also being determined by the quantity of hydrogen. It can be provided that a quantity of hydrogen which may be emitted to an environment, in particular by a fuel cell motor vehicle, is regulated by law. This predetermined quantity is stored in particular in a further characteristic map, this further characteristic map being different from the two-dimensional characteristic map described above. Data from the additional characteristics map and the two-dimensional characteristics map are subsequently preferably combined, and as a result
eine Öffnungsdauer des Spülventils bestimmt. an opening duration of the flushing valve is determined.
Das weitere Ziel wird erreicht, wenn das PEM-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zumindest einen Zellenstapel, einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt, eine Steuereinrichtung, ein stromaufwärts des Anodenabschnitts angeordnetes Zuführventil und ein Spülventil umfasst, wobei das Spülventil an einem The further goal is achieved if the PEM fuel cell system of the type mentioned at least one cell stack, an anode section and a cathode section, a control device, an upstream of the anode section arranged feed valve and a purge valve, wherein the purge valve at a
Anodenausgang angeordnet ist. Anode output is arranged.
Damit ergeben sich die gleichen Vorteile, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausführlich beschrieben worden sind. Alle diesbezüglichen Merkmale, Vorteile und Wirkungen gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen PEM-Brennstoffzellensystem. Das erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem weist zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren 100 einzelnen Brennstoffzellen umfassend einen Kathoden- und einen Anodenabschnitt auf. Weiter ist vorteilhaft ein Anodenzuführabschnitt zum Einbringen von Anodenzuführgas (Wasserstoff) in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und ein Kathodenzuführabschnitt zum Einbringen von Kathodenzuführgas (Luft) in den Kathodenabschnitt vorgesehen. Die Luftfördereinrichtung ist insbesondere als Kompressor ausgebildet. Verbrauchtes Anodenabgas wird bevorzugt über einen Anodenabführabschnitt abgeführt und läuft durch einen Wasserabscheider. Neben einer Abfuhr über das Spülventil, ein sogenanntes Purgeventil, an die Umgebung und/oder in den Kathodenabführabschnitt kann auch eine Rezirkulation This results in the same advantages that have been described in detail in connection with the method according to the invention. All of the relevant features, advantages and effects naturally also apply in connection with the PEM fuel cell system according to the invention. The PEM fuel cell system according to the invention has at least one fuel cell stack with several hundred individual fuel cells, comprising a cathode section and an anode section. Furthermore, an anode feed section for introducing anode feed gas (hydrogen) into the anode section of the fuel cell stack and a cathode feed section for introducing cathode feed gas (air) into the cathode section are advantageously provided. The air conveying device is designed in particular as a compressor. Spent anode off-gas is preferably discharged via an anode discharge section and runs through a water separator. In addition to discharge via the flushing valve, a so-called purge valve, to the environment and/or into the cathode discharge section, recirculation is also possible
des Anodenabgases über eine passive Rezirkulationsvorrichtung, beispielsweise In of the anode off-gas via a passive recirculation device, e.g. In
Form einer Ejektorvorrichtung, erfolgen. Der Wasserabscheider kann auch im Rezir-Form of an ejector, take place. The water separator can also be
kulationsabschnitt oder im Anodenzuführabschnitt stromabwärts der der Ejektorvor-kulation section or in the anode feed section downstream of the ejector
richtung angeordnet sein. Weiter ist vorteilhaft ein Kompressor zur Förderung von direction. Next is advantageous for the promotion of a compressor
Kathodengas (Luft) vorgesehen. Cathode gas (air) provided.
Eine Verwendung eines solchen PEM-Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil in einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann dabei ein PKW sein, vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Kraftfahrzeug ein LKW, Bus oder dergleichen ist. Das PEMBrennstoffzellensystem kann vorteilhaft auch in einem Flugzeug, einem Schiff Such a PEM fuel cell system is advantageously used in a motor vehicle. The motor vehicle can be a car, but it is advantageous if the motor vehicle is a truck, bus or the like. The PEM cell system can also be used advantageously in an airplane, a ship
und/oder im Schienenverkehr verwendet werden. and/or used in rail transport.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Es zeigt schematisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which an exemplary embodiment of the invention is described in detail with reference to the drawing. It shows schematically:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys-Fig. 1 is a schematic representation of the fuel cell system according to the invention
tems; Fig. 2 Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahren. team 2 steps of a method according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine schematisch Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1, welches als PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Zellenstapel 2 mit einem Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4. Zum Anodenabschnitt 3 wird ein Fluidstrom von einer Brennstoffquelle 8 in Richtung des Anodenabschnittes 3 gefördert. Als Fluid wird hier insbesondere Wasserstoff verwendet, weshalb die Brennstoffquelle 8 beispielsweise als Wasserstofftank ausgebildet ist. Stromaufwärts des Anodenabschnittes 3 ist ein Zuführventil 5, welches als Injektor ausgebildet ist, vorgesehen, durch welches dem 1 shows a schematic representation of the fuel cell system 1 according to the invention, which is designed as a PEM fuel cell system. The fuel cell system 1 comprises a cell stack 2 with an anode section 3 and a cathode section 4 . Hydrogen in particular is used as the fluid here, which is why the fuel source 8 is designed, for example, as a hydrogen tank. Upstream of the anode section 3 is a supply valve 5, which is designed as an injector, provided through which the
Fluidstrom ein Variationsmuster aufgeprägt wird. Fluid flow a variation pattern is impressed.
Es ist eine weitere Fluidquelle 9 vorgesehen, von welcher ein zweites Fluid, insbesondere Luft, zum Kathodenabschnitt 4 geführt wird. Dem zweiten Fluid wird im Gegensatz zum ersten Fluid kein Variationsmuster aufgeprägt. A further fluid source 9 is provided, from which a second fluid, in particular air, is fed to the cathode section 4 . In contrast to the first fluid, no variation pattern is impressed on the second fluid.
Stromabwärts des Anodenabschnittes 3 ist ein Spülventil 6 vorgesehen, wobei eine vom aufgeprägten Variationsmuster abhängige anodenspezifische Spannungsant-A scavenging valve 6 is provided downstream of the anode section 3, with an anode-specific voltage response dependent on the impressed variation pattern
wort einen Öffnungszeitpunkt und eine Öffnungsdauer des Spülventils 6 bestimmt. word an opening time and an opening duration of the flushing valve 6 is determined.
vorgibt. pretends.
Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem 1 auch noch andere in der Fig. 1 nicht dargestellte Elemente umfassen. Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß Fig 1 ist Of course, the fuel cell system 1 can also include other elements that are not shown in FIG. 1 . The fuel cell system 1 according to FIG
frei von einem physischen Wasserstoffsensor. free of a physical hydrogen sensor.
Fig. 2 zeigt Messwerte von Spannungsamplitude, Injektorfrequenz und Strom. Es ist ersichtlich, dass die gemessene Spannungsamplitude eine Eingangsgröße ist, um eine Wasserstoffkonzentration als Ausgabewert auszugeben. Dadurch ist ein virtuel-2 shows measured values of voltage amplitude, injector frequency and current. It can be seen that the measured voltage amplitude is an input variable in order to provide a hydrogen concentration as an output value. As a result, a virtual
ler Wasserstoffsensor geschaffen. ler hydrogen sensor created.
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Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ATA50809/2022A AT525865A1 (en) | 2022-10-19 | 2022-10-19 | Method of determining an operating state of a fuel cell system |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20070141413A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-06-21 | American Power Conversion Corporation | Fuel cell sensors and methods |
| WO2019109120A1 (en) * | 2017-12-07 | 2019-06-13 | Avl List Gmbh | Method for determining an operating state of an electrochemical system |
-
2022
- 2022-10-19 AT ATA50809/2022A patent/AT525865A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
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