AT528126B1

AT528126B1 - Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer Gaszusammensetzung in einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: AT528126B1
Application number: ATA50495/2024A
Authority: AT
Inventors: Markus Reiter Dr Techn Anton
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-06-17
Filing date: 2024-06-17
Publication date: 2025-10-15
Also published as: AT528126A4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer Gaszusammensetzung (GZ) in einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: − Erfassen eines Anodendrucks (AD) für den Anodenabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110), − Erfassen einer elektrischen Ist-Leistung (IL) einer Rezirkulationsvorrichtung (140) für eine Rezirkulation eines Anodenabgases (AAG) aus einem Anodenabführabschnitt (124) über einen Rezirkulationsabschnitt (140) in einen Anodenzuführabschnitt (122) des Anodenabschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110), − Bestimmen einer aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) des Anodenabgases (AAG) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AD) und der erfassten elektrischen Ist-Leistung (IL).

Description

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Beschreibung

BESTIMMUNGSVERFAHREN FÜR EINE BESTIMMUNG EINER GASZUSAMMENSETZUNG IN EINEM ANODENABSCHNITT EINES BRENNSTOFFZELLENSTAPELS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer Gaszusammensetzung in einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Bestimmungsverfahrens, eine Kontrollvorrichtung zur Durchführung eines solchen Bestimmungsverfahrens, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Kontrollvorrichtung sowie ein Kalibrierverfahren für ein Kalibrieren eines Bestimmungsschrittes eines Bestimmungsverfahrens.

[0002] Es ist bekannt, dass bei einem Betrieb von Brennstoffzellensystemen eine möglichst genaue Kenntnis der Gaszusammensetzung, insbesondere auf der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels von Vorteil ist. Insbesondere dient dieser Wert dazu, den Effizienzgrad beim Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steigern und/oder zur Diagnose eines aktuellen Abnutzungsgrades der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel. Bei bekannten Lösungen erfolgt daher eine Annahme oder eine Abschätzung dieser Gaszusammensetzung, wobei jedoch bisher keine direkte, in ein Brennstoffzellensystem integrierte Messung dieses Wertes möglich ist. Diese Annahme ist daher ausschließlich eine Abschätzung und damit mit den entsprechenden Schätzfehlern verbunden.

[0003] Aufgrund der reinen Abschätzung der Gaszusammensetzung fehlt den bisherigen Kontrollmöglichkeiten bei Brennstoffzellensystemen die gewünschte Genauigkeit. Im Betrieb ist daher bisher darauf zu achten, dass mit einem Sicherheitsfaktor die gewünschten Grenzen für die Gaszusammensetzung eingehalten werden. Dies führt zwar zu der gewünschten und benötigten Betriebssicherheit, jedoch zu einem Verlust an Effizienz im Betrieb.

[0004] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine möglichst genaue Information über die Gaskonzentration auf der Anodenseite in einem Brennstoffzellenstapel zu erhalten.

[0005] Die vorstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Bestimmungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 12, eine Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie ein Kalibrierverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0006] Ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren dient einer Bestimmung einer Gaszusammensetzung in einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Ein solches Bestimmungsverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Erfassen eines Anodendrucks für den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels,

- Erfassen einer elektrischen Ist-Leistung einer Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation eines Anodenabgases aus einem Anodenabführabschnitt über einen Rezirkulationsabschnitt in einen Anodenzuführabschnitt des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels,

- Bestimmen einer aktuellen Gaszusammensetzung des Anodenabgases auf Basis des erfassten Anodendrucks und der erfassten elektrischen Ist-Leistung.

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[0007] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, dass nun eine Art virtueller Sensor für eine direkte Bestimmung der Gaszusammensetzung eingesetzt wird. Es wird also kein realer Gassensor verwendet, sondern unter Nutzung der Erfassung anderer Betriebsparameter die Bestimmung durchgeführt. Dies ist deutlich einfacher möglich, als wenn explizit Gaszusammensetzungen gemessen werden müsste. Eine exakte Analyse einer Gaszusammensetzung erfordert üblicherweise aufwändige Messmethoden. Beispielsweise ist die Gaschromatographie bekannt, wobei durch eine entsprechende Vorrichtung der jeweilige Gasstrom geleitet werden muss. Solche aufwändigen Messmethoden sind zwar am Prüfstand einsetzbar, sind jedoch für den täglichen Betrieb am Einsatzort an einem Brennstoffzellensystem ineffizient und nicht zu verwenden.

[0008] Das entsprechende Brennstoffzellensystem ist insbesondere als PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet.

[0009] Der Anodendrucks für den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und/oder die elektrischen Ist-Leistung einer Rezirkulationsvorrichtung werden insbesondere physikalisch gemessen.

[0010] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden nun deutlich einfacher bestimmbare Betriebsparameter erfasst. Dabei handelt es sich zum einen um einen Druckwert, nämlich den Druck im Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. Da für den üblichen Betrieb eines Brennstoffzellensystems Informationen über den Druck notwendig sind, verfügen bekannte Brennstoffzellenstapel bereits über entsprechende Drucksensoren. Mit anderen Worten kann ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren damit auf bestehende Sensorelemente zurückgreifen. We später noch erläutert wird, ist damit ein Einsatz eines solchen Bestimmungsverfahrens deutlich einfacher und vor allem auch bei bereits bestehenden Brennstoffzellensystemen grundsätzlich nachrüstbar.

[0011] Als weiterer Betriebsparameter wird hier die aktuell bezogene elektrische Leistung an einer Rezirkulationvorrichtung bestimmt. Es ist bekannt, dass bei Brennstoffzellensystemen für ein möglichst exaktes Einstellen der Stöchiometrie im Anodenabschnitt zumindest ein Teil des entstehenden Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt zurückgeführt wird. Diese Rückführung nennt man Rezirkulation. Da diese Rückführung üblicherweise aktiv durchgeführt wird, sind Rezirkulationsvorrichtungen im Einsatz, beispielsweise in Form von Rezirkulationsgebläsen. Für die aktive Rückführung ist ein Energiebedarf bestimmbar, welcher in Form der elektrischen Leistung der jeweiligen Rezirkulationsvorrichtung definiert sein kann. Ähnlich der bekannten und sehr einfachen Druckbestimmung für den ersten Betriebsparameter, ist auch eine sehr einfache und kostengünstige Bestimmung dieses elektrischen Leistungsbedarf in Form der elektrischen IstLeistung der Rezirkulationvorrichtung möglich.

[0012] Wie aus den beiden vorstehenden Absätzen ersichtlich wird, können nun zwei Betriebsparameter bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren sozusagen als Eingangswerte erfasst werden, welche auf Basis vorhandener Sensorelemente erfasst werden können. Für diese beiden Erfassungsschritte sind demnach insbesondere keine neuen oder ergänzenden Sensorelemente notwendig.

[0013] Im letzten Schritt eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren erfolgt das abschlieBende Bestimmen der aktuellen Gaszusammensetzung. Für diese Bestimmung wird als Basis der erfasste Anodendruck sowie die erfasste elektrische Ist-Leistung der Rezirkulationvorrichtung verwendet. Für diesen Schritt des Bestimmens kommt insbesondere eine Bestimmungsbeziehung zum Einsatz, wie sie mit verschiedenen Ausführungsformen später noch näher erläutert wird. Diese Bestimmungsbeziehung oder andere Bestimmungsmöglichkeiten für den Bestimmungsschritt basieren insbesondere auf Informationen aus Versuchen auf einem Prüfstand. So kann ein Brennstoffzellensystem auf einem Prüfstand betrieben werden, welcher insbesondere eine Analysemöglichkeit für die Gaszusammensetzung aufweist. Beispielsweise kann hier die Gaschromatographie eingesetzt werden. Zusätzlich zu der am Prüfstand erfassten tatsächlichen Gaszusammensetzung werden für den jeweiligen Betriebszeitpunkt auch die zugehörigen Betriebsparameter in Form des Anodendrucks und in Form der Ist-Leistung der Rezirkulationvorrichtung erfasst. Damit entsteht ein einheitliches Bild für den Zusammenhang zwischen diesen

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drei Datensätzen. Dieser Zusammenhang kann Eingang in die erwähnte Bestimmungsbeziehung finden. Alternativ dazu ist es auch möglich, auf Simulationsbasis und/oder auf Basis von physikalisch basierten Zusammenhängen, den Bestimmungsschritt durchzuführen.

[0014] Auf Basis der bekannten Zusammenhänge, zwischen den nun einfach und kostengünstig erfassbare Eingangswerten in Form des Anodendrucks und in Form der elektrischen Ist-Leistung, kann nun einfach, genau und vor allem auch rechenarm die Bestimmung der aktuellen Gaszusammensetzung erfolgen. Durch die Nutzung der möglichen Zusammenhänge aus den Prüfstandsversuchen wird auf diese Weise eine deutlich genauere Bestimmung der Gaszusammensetzung möglich, als dies bei den bekannten Lösungen und der Abschätzung der Gaszusammensetzung der Fall war. Alle weiteren Kontrolleingriffe, beispielsweise eines Kontrollsystems für den Betrieb des Brennstoffzellensystems, können damit auf genauere und aussagekräftigere Werte der Gaszusammensetzung zurückgreifen.

[0015] Neben einer Nutzung für die Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems ist auch eine Nutzung zur Diagnose möglich. Für den Betrieb und vor allem auch die Erfassung möglicher Schädigungsmechanismen an Brennstoffzellensystemen ist die Information über die Gaszusammensetzung von wesentlicher Bedeutung. So kann zum Beispiel auf Basis bestimmter Gaskonzentrationen eine bestimmte oder mehrere, unterschiedliche bestimmte Schädigungssituationen genau erkannt werden. Auch ist es möglich, die Dauer dieser jeweiligen Schädigungssituationen zu erfassen und einer Schädigungsdiagnose zu Grunde zu legen. Somit wird nicht nur der aktuelle Betrieb des Brennstoffzellensystems effizienter möglich, sondern auch ein genaueres Nachführen des aktuellen Schädigungszustandes der einzelnen Brennstoffzellen.

[0016] Bei einer Bestimmung der Gaszusammensetzung im Anodenabgas werden insbesondere die erwartbaren drei Hauptbestandteile bestimmt. Dabei handelt es sich um Wasserstoff, Stickstoff und Wasser. Weist das Brennstoffzellensystem eine kontrollierbare und damit veränderbare Rezirkulationsrate auf, kann die entsprechend eingestellte Rezirkulationsrate als zusätzlicher erfasster Betriebsparameter für die Bestimmung verwendet werden.

[0017] Durch ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren wird es in einem ersten Schritt vor allem möglich, die Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems zu optimieren. Die Optimierung zielt dabei insbesondere auf eine Steigerung der Effizienz und/oder eine Reduktion von unerwünschten Schädigungsmechanismen. Ein weiterer Vorteil ist die Nutzungsmöglichkeit in den genannten Diagnoseverfahren. Eine genauere Information und Diagnose der Schädigungsrate kann zu einem rechtzeitigen Austausch von Komponenten und/oder einem längeren Betrieb des Brennstoffzellensystems führen. Nicht zuletzt für dies zu einer gesteigerten Lebensdauer der einzelnen Komponenten, wie auch das gesamten Brennstoffzellensystems.

[0018] Durch die Überwachbarkeit der Gaszusammensetzung kann darüber hinaus ein Rückschluss auf Komponentenfehler möglich sein. Insbesondere Komponenten, welche durch die Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems verwendet werden, um die Gaszusammensetzung einzustellen, können hier auf Ihre Funktionsfähigkeit überwacht und überprüft werden.

[0019] Ein weiterer Vorteil ist, dass Regenerationsvorgänge im Brennstoffzellensystem, wie beispielsweise das so genannte Purging, an die tatsächliche Situation angepasst werden können. Dies bezieht sich insbesondere auf die beschriebenen Diagnosemöglichkeiten und die beschriebene Schädigungsrate der Brennstoffzellen. Da solche Regenerationsvorgänge mit einer Reduktion der Betriebseffizienz einhergehen und im Falle des Purging auch einen Verlust an Brenngas mit sich bringen, ist eine zielgenaue und damit reduzierte Anzahl solcher Vorgänge mit Vorteilen versehen. Unter Purging ist im Rahmen der Erfindungen insbesondere das Ablassen von Wasser aus dem Anodenkreislauf zu verstehen. Purging kann mit Vorteil auch als Spülvorgang bezeichnet werden.

[0020] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren die Schritte des Erfassens des Anodendrucks, des Erfassens der elektrischen Ist-Leistung und des Bestimmens der aktuellen Gaszusammensetzung mehrfach wiederholt werden, insbesondere kontinuierlich durchgeführt werden. Dabei kann es sich insbesondere um eine laufende

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Überwachung des aktuellen Betriebs des Brennstoffzellensystems handeln. Die Ausgabe in Form der bestimmten Gaszusammensetzung kann in die Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems eingebunden werden. Damit wird es nicht nur möglich die genannten Diagnoseschritte durchzuführen, sondern auch eine Steuervorgabe und/oder eine Regelschleife auszubilden, welche die Gaszusammensetzung im Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems überwachbar macht. Mit anderen Worten wird es durch die virtuelle Sensorik des Bestimmungsverfahrens möglich, die Gaszusammensetzung aktiv in die Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems einzubinden.

[0021] Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren für den Anodendruck, die elektrische Ist-Leistung und/oder die aktuelle Gaszusammensetzung jeweils ein Änderungsgradient bestimmt wird. Darunter ist insbesondere die Änderung der Gaszusammensetzung oder der beiden erfassten Betriebsparameter über die Zeit zu verstehen. Damit wird es für die Betriebskontrolle möglich, die Kontrollgeschwindigkeit und damit die Geschwindigkeit des Einflusses einer Kontrolländerung zu erfassen. Hinsichtlich der Schädigungsdiagnose kann die Änderungsgeschwindigkeit ebenfalls zusätzliche Informationen mit sich bringen, um die Schädigungsrate und/oder eine Alterungsrate möglichst genau nachzuverfolgen. Auch wird es auf diese Weise möglich, Notsituationen exakt zu erkennen und ein rechtzeitiges Abschalten des Brennstoffzellensystems durchzuführen, um die Zerstörung und/oder irreversible Schädigung einzelner Komponenten zu vermeiden.

[0022] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren das Bestimmen der aktuellen Gaszusammensetzung unter Verwendung einer auf einem Prüfstand erstellten Bestimmungsbeziehung, insbesondere in Form eines Kennfelds erfolgt, welche eine Korrelation zwischen dem Anodendruck, der elektrischen Ist-Leistung und der Gaszusammensetzung enthält. Me bereits zum Anspruch 1 erläutert wurde, kann auf einem Prüfstand eine deutlich aufwändiger Sensorik eingesetzt werden. Diese erlaubt es insbesondere durch reale Messung die Gaszusammensetzung in zeitlichem Zusammenhang mit den Betriebsparametern in Form des Anodendrucks und der Ist-Leistung der Rezirkulationsvorrichtung zu erfassen. Somit sind auf dem Prüfstand für unterschiedliche Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems die entsprechenden Zusammenhänge dieser drei Parameter bekannt und können in der Bestimmungsbeziehung gespeichert werden. Eine besonders einfache Ausführung einer solchen Bestimmungsbeziehung ist ein Kennfeld für die genannten Parameter. Ein solches Kennfeld kann auch als Look-Up-Table bezeichnet werden. Hinsichtlich der Nutzung für die Bestimmung der Gaszusammensetzung kann ein solches Kennfeld eine sehr rechenarme Ausführungsform bieten. Alternativ oder zusätzlich können auch algorithmische Zusammenhänge als Bestimmungsbeziehung am Prüfstand oder separat ermittelt werden. Auch ist es möglich, dass physikalische Zusammenhänge in der Bestimmungsbeziehung mit verwendet werden.

[0023] Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäß en Bestimmungsverfahren zusätzlich eine aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems erfasst und beim Bestimmen der aktuellen Gaszusammensetzung berücksichtigt wird. Insbesondere können statische Betriebssituationen von dynamischen Betriebssituationen unterschieden werden. Dynamische Betriebssituationen sind beispielsweise Lastwechsel am Brennstoffzellensystem, Anfahrprozesse oder Ausschaltprozesse. In solchen dynamischen Betriebssituationen können entsprechend andere Zusammenhänge zwischen den genannten Betriebsparametern und der Gaszusammensetzung relevant sein, so dass insbesondere für unterschiedliche Betriebssituationen unterschiedliche Bestimmungsbeziehungen am Prüfstand ermittelt und im Bestimmungsverfahren eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich zu unterschiedlichen Bestimmungsbeziehungen sind auch Korrekturfaktoren bezüglich der erkannten Betriebssituation an einer einzigen Bestimmungsbeziehung einsetzbar.

[0024] Darüber hinaus kann das Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren das Erfassen der elektrischen Ist-Leistung mittels einer Leistungskontrolle der Rezirkulationsvorrichtung selbst und/oder mittels einer Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems erfolgt. Auch eine Kombination dieser beiden Erfassungsmöglichkeiten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. In beiden Fällen kann eine bestehende Leistungssen-

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sorik verwendet werden, nämlich die der Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems und/oder die Leistungskontrolle der Rezirkulationsvorrichtung. Damit kann auch hier auf bestehende Komponenten zurückgegriffen werden, so dass das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren auch bei bestehenden Brennstoffzellensystemen eingesetzt und sogar per Softwareupdate nachgerüstet werden kann.

[0025] Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren der Anodendruck im Anodenzuführabschnitt des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels erfasst wird. Dadurch, dass im Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels ein im Wesentlichen konstanter Druck herrscht, kann an unterschiedlichen möglichen Stellen der Anodendruck gemessen werden. Bei dieser Ausführungsvariante wird hierfür eine Position gewählt, an welcher üblicherweise bei bestehenden Brennstoffzellensystemen bereits ein Drucksensor vorhanden ist. Damit kann für die Druckmessung auf eine bestehende Komponente zurückgegriffen werden, wodurch der Aufwand für den Einsatz des Bestimmungsverfahrens bei bestehenden Brennstoffzellensystemen sinkt. Dies gilt sowohl für Brennstoffzellensysteme im regulären Betrieb als auch für solche auf dem Prüfstand.

[0026] Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren eine aktive Rekalibrierung für die Bestimmung der aktuellen Gaszusammensetzung durchgeführt wird, insbesondere mittels aktivem Erhöhen einer Brenngaskonzentration im Anodenabgas. Über eine längere Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems kann es vorkommen, dass das reale Verhalten der beiden Betriebsparameter für die Erfassung von den Prüfstandsversuchen abweicht. Um diese Abweichung auszugleichen, kann eine Rekalibrierung durchgeführt werden. Beispielsweise sind einmalige oder mehrfache Purgevorgänge denkbar. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Erhöhung der Brenngaszufuhr als Teil einer solchen Rekalibrierung möglich. Beide Schritte dienen insbesondere dazu, die Konzentration an Brenngas, also zum Beispiel in Form von Wasserstoff, zu maximieren. Dieser maximierte Konzentrationszustand kann auch als standardisierter Konzentrationszustand oder Rekalibrierungszustand bezeichnet werden. Das Ergebnis dieser Kalibrierung kann direkt in einer Bestimmungsbeziehung verwendet werden um diese Anzupassen, oder als Korrekturfaktor auf das Ergebnis aus einer Bestimmungsbeziehung angewendet werden.

[0027] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren nach dem voranstehenden Absatz die aktive Rekalibrierung in regelmäßigen Abständen und/oder auf Basis eines Auslösesignals durchgeführt wird. Beispielsweise kann aus Prüfstandsversuchen bekannt sein, nach welcher Einsatzdauer eine Rekalibrierung notwendig ist. Dieses Wissen kann für diese Ausführungsform verwendet werden, so dass rechtzeitig zum notwendigen Rekalibrierungszeitpunkt diese auch durchgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich können erfasste Betriebsparameter, insbesondere auf Basis erfasster Abweichungen von einem erwarteten Verhalten, ein Auslösesignal für die Durchführung der Rekalibrierung bieten. Insbesondere ist es möglich, für die erfassten Betriebsparameter eine Plausibilitätsprüfung durchzuführen, und ein negatives Ergebnis dieser Prüfung als Auslösesignal zu verwenden.

[0028] Darüber hinaus von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren auf Basis der aktuellen Gaszusammensetzung, insbesondere auf Basis eines Gradienten der aktuellen Gaszusammensetzung wenigstens einer der folgenden Parameter bestimmt wird:

- Diffusionsrate zwischen Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels,

- Leckagerate im Anodenabschnitt.

[0029] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Auch weitere Messwerte sind grundsätzlich verwendbar. Als Ergebnis dieser zusätzlichen Bestimmung kann zum Beispiel ein Alarmsignal ausgegeben werden. Insbesondere gilt dies dann, wenn für die Diffusionsrate und/oder die Leckagerate ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird. Die zusätzliche Bestimmung hinsichtlich der beiden Raten ist insbesondere für die mehrfach

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erläuterte Diagnosesystematik von Vorteil. So kann die Diffusionsrate zwischen den beiden Abschnitten des Brennstoffzellenstapels, insbesondere von der Abnutzung der Membran in den Brennstoffzellen abhängen. Damit kann in indirekter Weise aus der Diffusionsrate auf den Abnutzungsgrad und damit den Alterungszustand der Membran in den Brennstoffzellen rückgeschlossen werden.

[0030] Unter einer Leckagerate ist im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Rate für Wasserstoff zu verstehen, welcher aus dem System oder der Leitung austritt.

[0031] Weiter der Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren auf Basis der aktuellen Gaszusammensetzung wenigstens einer der folgenden Kontrolleingriffe für den Betrieb des Brennstoffzellensystems bestimmt wird:

- Purging Vorgang - Zufuhr an Brenngas in den Anodenabschnitt - Rezirkulationsrate durch den Rezirkulationsabschnitt

[0032] Auch bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Neben der Nutzung zur Diagnose des Brennstoffzellensystems sind die bei dieser Ausführungsform genannten, bestimmten Kontrolleingriffe, insbesondere für eine direkte Betriebskontrolle von Vorteil. So können mit unterschiedlichen Zielen, beispielsweise einer Reduktion der Abnutzung, einer Steigerung der Effizienz im Betrieb oder anderen Optimierungszielen, ein oder mehr Kontrolleingriffe bestimmt werden. Diese erlauben es nun im Vergleich zu den bekannten Lösungen auf die tatsächliche Gaszusammensetzung Rücksicht zu nehmen und entsprechend zu reagieren. Im Vergleich zu bekannten Lösungen ist damit eine zielgenauere und verbesserte Kontrolle möglich, welche entsprechend zu einem effizienteren Betrieb und reduzierter Abnutzung der Brennstoffzellen führt.

[0033] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens durchzuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einer erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren erläutert worden sind.

[0034] Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Kontrollvorrichtung für eine Bestimmung einer Gaszusammensetzung in einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Eine solche Kontrollvorrichtung zeichnet sich aus durch ein Druck-Erfassungsmodul für ein Erfassen eines Anodendrucks für den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. Weiter ist ein Leistungs-Erfassungsmodul vorgesehene für ein Erfassen einer elektrischen Ist-Leistung einer Rezirkulationsvorrichtung für eine Rezirkulation eines Anodenabgases aus einem Anodenabführabschnitt über einen Rezirkulationsabschnitt in einen Anodenzuführabschnitt des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels. Auch ist ein Bestimmungsmodul vorgesehen für ein Bestimmen einer aktuellen Gaszusammensetzung des Anodenabgases auf Basis des erfassten Anodendrucks und der erfassten elektrischen Ist-Leistung. Dabei ist das Druck-Erfassungsmodul, das Leistungs-Erfassungsmodul und/oder das Bestimmungsmodul für eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens ausgebildet. Eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie mit Bezug auf das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren ausführlich erläutert worden sind.

[0035] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel, aufweisend einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt. Der Anodenabschnitt weist einen Anodenzuführabschnitt für eine Zufuhr von Anodenzuführgas und einen Anodenabführabschnitt für eine Abfuhr von Anodenabgas auf. Weiter weist der Kathodenabschnitt einen Kathodenzuführabschnitt für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas und einen Kathodenabführabschnitt für eine Abfuhr von Kathodenabgas auf. Weiter ist ein Rezirkulationsabschnitt vorgesehen, welcher den Anodenabführabschnitt mit dem Anodenzuführabschnitt fluidkommunizierend verbindet für eine Rezirkulation von wenigstens einem Teil des

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Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt mittels einer Rezirkulationsvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass für eine Bestimmung der Gaszusammensetzung im Anodenabschnitt eine Kontrollvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Durchführung eines Bestimmungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Auch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren erläutert worden sind. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere als PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet.

[0036] Darüber hinaus ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Kalibrierverfahren für ein Kalibrieren eines Bestimmungsschrittes für eine aktuelle Gaszusammensetzung bei einem Bestimmungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Kalibrierverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, auf einem Prüfstand,

- Direktes Erfassen der Gaszusammensetzung im Anodenabschnitt, des Anodendrucks und der elektrischen Ist-Leistung der Rezirkulationsvorrichtung,

- Erstellen einer Bestimmungsbeziehung zwischen der direkt erfassten Gaszusammensetzung im Anodenabschnitt, dem Anodendruck und der elektrischen Ist-Leistung.

[0037] Auch ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug zu einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren erläutert worden sind. Die Bestimmungsbeziehung kann dabei zum Beispiel als Kennfeld ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ ist auch ein algorithmischer Zusammenhang möglich. Die detailliert am Prüfstand gemessenen Daten sowohl für die beiden Eingangs-Betriebsparameter, wie auch die zu bestimmende Gaszusammensetzung erlauben ein Bedaten dieser Bestimmungsbeziehung. Mit anderen Worten erfolgt das Kalibrieren durch das Erzeugen einer oder sogar mehrerer unterschiedlicher Bestimmungsbeziehungen, welche anschließend im Betrieb des Brennstoffzellensystems für das Bestimmungsverfahren eingesetzt werden können.

[0038] 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:

[0039] Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

[0040] Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäß en Kontrollvorrichtung,

[0041] Fig. 3 eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, und

[0042] Fig. 4 eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung,

[0043] In der Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses ist mit einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet. Der Brennstoffzellenstapel 110 weist einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130 auf. Für eine Zufuhr von Anodenzuführgas AZG zum Anodenabschnitt 120 ist ein Anodenzuführabschnitt 122 vorgesehen. Für die Abfuhr des im Brennstoffzellenstapel 110 entstehenden Anodenabgases AAG ist ein Anodenabführabschnitt 124 vorgesehen. In ähnlicher Weise ist der Kathodenabschnitt 130 mit einem Kathodenzuführabschnitt 132 für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas KZG und einem Kathodenabführabschnitt 134 für eine Abfuhr von Kathodenabgas KAG ausgestattet.

[0044] Je nach Betriebszustand kann zum definierten Einstellen der Gaszusammensetzung GZ im Brennstoffzellenstapel 110 ein Anteil des Anodenabgases AAG über einen Rezirkulationsabschnitt 140 in den Anodenabschnitt 122 rezirkuliert werden. Für eine zielgenaue Kontrolle dieser Rezirkulation und einen aktiven Eingriff auf die Rezirkulationsrate ist eine Rezirkulationsvorrich-

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tung 142, zum Beispiel in Form eines Rezirkulationsgebläses vorgesehen.

[0045] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun eine Kontrollvorrichtung 10 vorgesehen, um das Bestimmungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Wie in der Figur 1 zu erkennen ist, erfasst die Kontrollvorrichtung 10 daher den Anodendruck AD und die elektrische Ist-Leistung IL. Der weitere Ablauf des Bestimmungsverfahrens wird mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0046] Wie ebenfalls in der Figur 1 gut zu erkennen ist, erfolgt die Messung des Anodendrucks AD auf der Eingangsseite des Anodenabschnitts 120 des Brennstoffzellenstapels 110. Damit kann auf einen Drucksensor zurückgegriffen werden, welcher insbesondere bereits ein Teil der bestehenden Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems 100 ist.

[0047] Die Figur 2 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform einer Kontrollvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Hier sind zwei parallel angeordnete Erfassungsmodule, in Form des Druck-Erfassungsmoduls 20 sowie in Form des Leistungs-Erfassungsmoduls 30 vorgesehen. Diese beiden Erfassungsmodule können mit Sensorelementen des Brennstoffzellensystems 100 kommunizieren oder selbst solche Sensorelemente aufweisen. Damit sind sie in der Lage die beiden Betriebsparameter in Form den Anodendrucks AD und der Ist-Leistung IL als Eingangswerte für das Bestimmungsverfahren der vorliegenden Erfindung zu erfassen. AnschließBend werden die beiden erfassten Betriebsparameter an das Bestimmungsmodul 40 übergeben. Im Bestimmungsmodul 40 erfolgt die Bestimmung der Gaszusammensetzung GZ und die Ausgabe dieses Wertes. Die Art dieser Bestimmung wird mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0048] So zeigt die Figur 3 eine Möglichkeit, welche eine Bestimmungsbeziehung BB nutzt. Schematisch ist in dieser Figur die Bestimmungsbeziehung BB als Kennlinie oder Kennfeld ausgebildet. Mit den beiden Eingangswerten in Form des Anodendrucks AD auf der X-Achse und der elektrischen Ist-Leistung IL auf der Y-Achse, kann ein dazu passender, und dem Prüfstand ermittelten Wert für die Gaszusammensetzung GZ herausgelesen werden. Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Kennfeld kann die Bestimmungsbeziehung BB auch einen algorithmischen Zusammenhang aufweisen.

[0049] Auch die Figur 4 zeigt eine ähnliche Lösung, welche jedoch einen zusätzlichen Eingangswert berücksichtigt. Dabei handelt es sich um die aktuelle Betriebssituation BS. Diese Betriebssituation BS unterscheidet insbesondere zwischen einer dynamischen und einer statischen Betriebssituation BS. Wie die Figur 4 es zeigt, stehen hierfür jede der unterschiedlichen Betriebssituationen BS entsprechend spezifische Bestimmungsbeziehungen BB zur Verfügung. Im vorliegenden Fall sind es beispielsweise zwei unterschiedliche Bestimmungsbeziehungen BB. Je nach aktuell erfasster Betriebssituation BS wird die dafür passende und entsprechend auf dem Prüfstand für diese Betriebssituation BS kalibrierte Bestimmungsbeziehung BB verwendet. Als Alternative zu unterschiedlichen Betriebsbeziehungen BB sind auch Korrekturfaktoren denkbar, welche mit dem ausgelesen Wert der Gaszusammensetzung GZ aus einer einzigen Betriebsbeziehung BB multipliziert werden.

[0050] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 Kontrollvorrichtung 20 Druck-Erfassungsmodul 30 Leistungs-Erfassungsmodul

40 Bestimmungsmodul

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Rezirkulationsabschnitt

142 Rezirkulationsvorrichtung

AD Anodendruck

IL Ist-Leistung

GZ Gaszusammensetzung BS Betriebssituation

BB Bestimmungsbeziehung AZG Anodenzuführgas

AAG Anodenabgas

KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas

Claims

A ‚hes AT 528 126 B1 2025-10-15 Ss N Patentansprüche

1. Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer Gaszusammensetzung (GZ) in einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

- Erfassen eines Anodendrucks (AD) für den Anodenabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110),

- Erfassen einer elektrischen Ist-Leistung (IL) einer Rezirkulationsvorrichtung (140) für eine Rezirkulation eines Anodenabgases (AAG) aus einem Anodenabführabschnitt (124) über einen Rezirkulationsabschnitt (140) in einen Anodenzuführabschnitt (122) des Anodenabschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110),

- Bestimmen einer aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) des Anodenabgases (AAG) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AD) und der erfassten elektrischen Ist-Leistung

(IL).

2. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Erfassens des Anodendrucks (AD), des Erfassens der elektrischen Ist-Leistung (IL) und des Bestimmens der aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) mehrfach wiederholt werden, insbesondere kontinuierlich durchgeführt werden.

3. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Anodendruck (AD), die elektrische Ist-Leistung (IL) und/oder die aktuelle Gaszusammensetzung (GZ) jeweils ein Anderungsgradient bestimmt wird.

4. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) unter Verwendung einer auf einem Prüfstand erstellten Bestimmungsbeziehung (BB), insbesondere in Form eines Kennfelds erfolgt, welche eine Korrelation zwischen dem Anodendruck (AD), der elektrischen Ist-Leistung (IL) und der Gaszusammensetzung (GZ) enthält.

5. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine aktuelle Betriebssituation (BS) des Brennstoffzellensystems (100) erfasst und beim Bestimmen der aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) berücksichtigt wird.

6. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der elektrischen Ist-Leistung (IL) mittels einer Leistungskontrolle der Rezirkulationsvorrichtung (142) selbst und/oder mittels einer Betriebskontrolle des Brennstoffzellensystems (100) erfolgt.

7. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodendruck (AD) im Anodenzuführabschnitt (122) des Anodenabschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110) erfasst wird.

8. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Rekalibrierung für die Bestimmung der aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) durchgeführt wird, insbesondere mittels aktivem Erhöhen einer Brenngaskonzentration im Anodenabgas (AAG).

9. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Rekalibrierung in regelmäßigen Abständen und/oder auf Basis eines Auslösesignals durchgeführt wird.

10. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der aktuellen Gaszusammensetzung (GZ), insbesondere auf Basis eines Gradienten der aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) wenigstens einer der folgenden Parameter bestimmt wird:

- Diffusionsrate zwischen Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130) des Brennstoffzellenstapels (110), - Leckagerate im Anodenabschnitt (120).

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11. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) wenigstens einer der folgenden Kontrolleingriffe für den Betrieb des Brennstoffzellensystems (110) bestimmt wird:

- Purging Vorgang - Zufuhr an Brenngas in den Anodenabschnitt (120) - Rezirkulationsrate durch den Rezirkulationsabschnitt (140)

12. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diese veranlassen die Schritte eines Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.

13. Kontrollvorrichtung (10) für eine Bestimmung einer Gaszusammensetzung (GZ) in einem Anodenabschnitt (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch ein Druck-Erfassungsmodul (20) für ein Erfassen eines Anodendrucks (AD) für den Anodenabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110), eine Leistungs-Erfassungsmodul (30) für ein Erfassen einer elektrischen Ist-Leistung (IL) einer Rezirkulationsvorrichtung (142) für eine Rezirkulation eines Anodenabgases (AAG) aus einem Anodenabführabschnitt (124) über einen Rezirkulationsabschnitt (140) in einen Anodenzuführabschnitt (122) des Anodenabschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110) und ein Bestimmungsmodul (40) für ein Bestimmen einer aktuellen Gaszusammensetzung (GZ) des Anodenabgases (AAG) auf Basis des erfassten Anodendrucks (AD) und der erfassten elektrischen Ist-Leistung (IL), wobei das Druck-Erfassungsmodul (20), das Leistungs-Erfassungsmodul (30) und/oder das Bestimmungsmodul (40) für eine Ausführung eines Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet sind.

14. Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110), aufweisend einen Anodenabschnitt (120) und einen Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) für eine Zufuhr von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Kathodenabgas (KAG), wobei weiter ein Rezirkulationsabschnitt (140) den Anodenabführabschnitt (124) mit dem Anodenzuführabschnitt (122) fluidkommunizierend verbindet für eine Rezirkulation von wenigstens einem Teil des Anodenabgases (AAG) in den Anodenzuführabschnitt (122) mittels einer Rezirkulationsvorrichtung (142), dadurch gekennzeichnet, dass für eine Bestimmung der Gaszusammensetzung (GZ) im Anodenabschnitt (120) eine Kontrollvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 13 für eine Durchführung eines Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 vorgesehen ist.

15. Kalibrierverfahren für ein Kalibrieren eines Bestimmungsschrittes für eine aktuelle Gaszusammensetzung (GZ) bei einem Bestimmungsverfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere mit den Merkmalen des Anspruchs 14, auf einem Prüfstand,

- Direktes Erfassen der Gaszusammensetzung (GZ) im Anodenabschnitt (120), des Anodendrucks (AD) und der elektrischen Ist-Leistung (IL) der Rezirkulationsvorrichtung (142),

- Erstellen einer Bestimmungsbeziehung (BB) zwischen der direkt erfassten Gaszusammensetzung (GZ) im Anodenabschnitt (120), dem Anodendruck (AD) und der elektrischen Ist-Leistung (IL).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen