AT528243B1

AT528243B1 - Bestimmungsvorrichtung für eine Bestimmung wenigstens eines Abgasparameters eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: AT528243B1
Application number: ATA50336/2024A
Authority: AT
Inventors: Reiter Dipl -Ing Bsc Markus; Klug Dipl -Ing Dr Mba Andreas; Lacedelli BSc Alberto
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-04-22
Filing date: 2024-04-22
Publication date: 2026-04-15
Also published as: AT528243A1; WO2025222226A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestimmungsvorrichtung (10) für eine Bestimmung wenigstens eines Abgasparameters (AP) eines Abgasstroms (ABS) eines Brennstoffzellensystems (200), wobei ein Abtrennabschnitt (20) mit einer Abtrennschnittstelle (22) für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einer Gegen-Abtrennschnittstelle (222) eines Abgasabschnitts (220) des Brennstoffzellensystems (200) für ein Abtrennen eines Analysestroms (ANS) aus dem Abgasstrom (ABS) vorgesehen ist, wobei stromabwärts des Abtrennabschnitts (20) ein Kondensatorabschnitt (30) angeordnet ist mit einer Kondensatorvorrichtung (100) für eine Abtrennung von flüssigem Analysekondensat (ANK) aus dem Analysestrom (ANS), wobei weiter stromabwärts des Kondensatorabschnitts (30) ein Analyseabschnitt (40) angeordnet ist mit einer Analysevorrichtung (42) zur Analyse des Analysekondensats (ANK) und Bestimmung des wenigstens einen Abgasparameters (AP) im Analysekondensat (ANK), wobei stromabwärts der Abtrennschnittstelle (22) und stromaufwärts des Kondensatorabschnitts (30) eine Sensorvorrichtung (24) angeordnet ist für eine sensorische Bestimmung einer relativen Feuchte des Analysestroms (ANS).

Description

Beschreibung

BESTIMMUNGSVORRICHTUNG FÜR EINE BESTIMMUNG WENIGSTENS EINES ABGASPARAMETERS EINES ABGASSTROMS EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestimmungsvorrichtung für ein Bestimmen wenigstens eines Abgasparameters eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems, ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung eines solchen Abgasparameters sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Bestimmungsvorrichtung.

[0002] Es ist bekannt, dass eine möglichst genaue Information über die Zustände in einem Brennstoffzellensystem es erlauben, mit einer höheren Genauigkeit das Brennstoffzellensystem auszulegen und zu betreiben. Insbesondere bei der Konstruktion und Überprüfung von Prototypen auf Prüfstanden ist ein möglichst genaues Überwachen der Brennstoffzellensysteme von Vorteil. Ein Teil dieser entscheidenden Informationen beruht auf einem möglichst genauen Wissen über die Zusammensetzung eines oder mehrerer Abgasströme aus dem Brennstoffzellensystem. So können Abgasströme hinsichtlich ihrer chemischen Bestandteile, ihrer physikalischen Parameter, aber auch hinsichtlich weiterer Parameter, beispielsweise biologischer Parameter, ausgewertet werden, um Hinweise auf die Betriebseffizienz und Sicherheit des Brennstoffzellensystems zu geben. Ein wesentlicher Informationsvorteil liegt darin, dass beispielsweise auf Basis des Wissens über die Leitfähigkeit oder mit dem Wissen über chemische Bestandteile im Abgasstrom eine Aussage über den aktuellen Degradationszustand der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel getroffen werden kann. Insbesondere kann durch eine solche Analyse ein Feedback erhalten werden, ob und wenn ja, welche Vorgänge tatsächlich aktuell im Brennstoffzellensystem laufen.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass eine Überprüfung der Abgasströme nur dezentral erfolgen kann. Wird ein Brennstoffzellensystem beispielsweise auf einem Prüfstand betrieben, so kann zum Beispiel Abgas abgeführt, das darin enthaltene Wasser kondensiert und anschließend entsprechend analysiert werden. Auch ist es möglich, dass Produktwasser, welches bei Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht, über einen längeren Zeitraum gesammelt und anschließend analysiert wird.

[0004] Die Nachteile der bekannten Lösungen liegen insbesondere darin, dass keine zeitliche Korrelation zwischen der Probennahme und der Probenanalyse besteht. Insbesondere ist es bisher nicht möglich, eine kontinuierliche oder im Wesentlichen kontinuierliche Überprüfung und Analyse eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen. Damit ist es bisher nur möglich grundsätzlich abzuschätzen, ob und wenn ja, welche Inhaltstoffe oder Abgasparameter beim vorangegangenen Betrieb des Brennstoffzellensystems grundsätzlich entstanden sind. Ein Rückschluss auf einzelne spezifische Betriebssituationen ist bisher nicht möglich.

[0005] Eine weitere Bestimmungsvorrichtung ist beispielsweise aus der EP 4350819 A1 bekannt.

[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 Bestimmungsmöglichkeiten des Abgasstroms für ein Brennstoffzellensystem zu verbessern.

[90007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Bestimmungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Bestimmungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12. 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 Bestimmungsvorrichtung erläutert sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kondensatorvorrichtung, dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen

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wird beziehungsweise werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß dient eine Bestimmungsvorrichtung der Bestimmung wenigstens eines Abgasparameters eines Abgasstroms in einem Brennstoffzellensystem. Eine solche Bestimmungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Abtrennabschnitt mit einer Abtrennschnittstelle für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einer Gegen-Abtrennschnittstelle eines Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist. Dieser Abtrennabschnitt dient dem Abtrennen eines Analysestroms aus dem Abgasstrom des Abgasabschnitts. Stromabwärts des Abtrennabschnitts ist ein Kondensatorabschnitt angeordnet mit einer Kondensatorvorrichtung. Diese Kondensatorvorrichtung dient dem Abtrennen von flüssigem Analysekondensat aus dem Analysestrom. Weiter stromabwärts des Kondensatorabschnitts befindet sich ein Analyseabschnitt mit einer Analysevorrichtung zur Analyse des Analysekondensats. Auf Basis dieser AnaIyse erfolgt die Bestimmung des wenigstens einen Abgasparameters im Analysekondensat.

[9009] Auch wenn die vorliegende Erfindung in Rahmen einer Nutzung der Bestimmungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem beschrieben wird, kann eine solche Bestimmung grundsätzlich auch für Abgasströme anderer Vorrichtungen eingesetzt werden. Bei einer solchen Anwendung erfolgt die fluiıdkommunizierende Verbindung mit einer Gegen-Abtrennschnittstelle eines Abgasabschnitts dieser anderen Vorrichtung, wobei der Ablauf der Bestimmung im Wesentlichen unverändert bleibt.

[0010] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, dass eine im Wesentlichen kontinujerliche fludkommunizierende Anbindung an den Abgasabschnitt eine kontinuierliche fluidkommunizierende Analysemöglichkeit für den Abgasstrom bietet. Dies wird durch die fluidkommunizierende Verbindung der Bestimmungsvorrichtung über die Abtrennschnittstelle gewährleistet. Somit wird es möglich, einen Teil des Abgasstroms, insbesondere in kontrollierter Weise hinsichtlich der Menge, aus dem Abgasstrom abzutrennen. Der Abtrennabschnitt ist dafür fluidkommunizierend mit einer entsprechenden Gegen-Abtrennschnittstelle des Abgasabschnitts des Brennstoffzellensystems verbunden. So wird es möglich, qualitativ, aber insbesondere auch quantitativ, eine definierte Menge des Abgasstroms als Analysestrom in gasförmigem Phasenzustand abzutrennen.

[0011] Nach diesem Abtrennen wird der gasförmige Analysestrom nun im Kondensatorabschnitt und dort der Kondensatorvorrichtung zugeführt. Die Kondensatorvorrichtung dient einem Abkühlen des Analysestroms unter eine definierte Kondensationstemperatur zu kondensierenden AnaIysekondensats. Beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen wird üblicherweise die relative Feuchte des Abgasstroms durch einen entsprechenden Anteil an Produktwasser zur Verfügung gestellt. Durch Abkühlen des Analysestroms auf eine Temperatur von unter 100 Grad Celsius als Kondensationstemperatur kondensiert das enthaltene Produktwasser aus und es bildet sich entsprechend das Analysekondensat. Ein wesentlicher Teil weiterer Komponenten des Analysestroms und damit durch das vorherige Abtrennen auch Teile des Abgasstroms, werden nun im auskondensierten Wasser und damit im Analysekondensat gelöst. Damit kann nicht nur das Produktwasser als reines Wasser abgetrennt werden, sondern auch die darin enthaltenen weiteren Inhaltsstoffe des Analysestroms und damit des Abgasstroms.

[0012] Aufgrund der nun möglichen Phasentrennung, wie sie später noch näher erläutert wird, kann das Analysekondensat nun dem Analyseabschnitt zugeführt werden. Der Analyseabschnitt kann ein oder mehrere Analysevorrichtungen aufweisen, welche in bekannter, insbesondere kontinuierlicher Weise, eine Analyse des Analysekondensats durchführen können. Dabei kann es sich um eine chemische Analyse, eine physikalische Analyse, eine biologische Analyse oder anderweitige Analysemöglichkeiten handeln. Insbesondere ist diese Analysemöglichkeit kontinuierlich ausgebildet, sodass ein kontinuierliches Abtrennen, ein kontinuierliches Kondensieren und ein kontinuierliches Analysieren eine kontinuierliche Bestimmungsmöglichkeit zur Verfügung stellt.

[0013] Der erfindungsgemäße Vorteil liegt nun darin, dass insbesondere ein kontinuierliches oder im Wesentlichen kontinuierliches Bestimmen möglich wird. Selbst für diskontinuierliche Analyseverfahren bleibt jedoch der direkte Bezug auf die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellen-

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systems erhalten. Insbesondere führt dies dazu, dass die Bestimmung der Abgasparameter sogar eine quantitative Bestimmungsmöglichkeit beinhalten kann. So kann insbesondere spezifisch zur jeweiligen Einsatzsituation oder Betriebssituation des Brennstoffzellensystems das Abtrennen stattfinden und über ein direkt zeitlich zugeordnetes und/oder dynamisch zeitlich aufgelöstes Bestimmen der ein oder mehreren Abgasparameter im Analysekondensat, die Zuordnung dieser Bestimmungsergebnisse zur aktuellen Betriebssituation gewährleistet sein.

[0014] Mit anderen Worten wird es im Vergleich zu den bekannten Lösungen nun möglich, dynamisch und zeitaufgelöst zu einzelnen Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems eine Bestimmung durchzuführen und damit eine Korrelation zwischen den Bestimmungsergebnissen der Abgasparameter und der aktuellen Betriebssituation zu ziehen. Wird eine solche Bestimmungsvorrichtung zum Beispiel auf einen Prüfstand für Brennstoffzellensysteme eingesetzt, so ist ein deutlich genauerer Zusammenhang zwischen Betriebssituation und bestimmten Abgasparametern zur Verfügung zu stellen, sodass im anschließenden Iterationsschritt eine genauere Analyse der aktuellen Situation und Betriebsweise, insbesondere hinsichtlich der Betriebseffizienz, gezogen werden kann. Hinsichtlich Degradationsvorgängen innerhalb des Brennstoffzellensystems bietet eine solche kontinuierliche Analyse einen direkten Rückschluss darauf, welche Betriebssituation hinsichtlich der chemischen Erzeugung von chemischen Degradationsbestandteilen im Abgasstrom, eine verstärkende Degradationswirkung auf das Brennstoffzellensystem ausüben.

[0015] Es kann also zusammengefasst werden, dass durch die kontinuierliche oder im Wesentlichen kontinuierliche Analysemöglichkeit, insbesondere hinsichtlich einer zeitaufgelösten und spezifisch zur Betriebssituation erfolgenden Bestimmung, ein genaueres Feedback und damit eine verbesserte und optimierte Konstruktionsweise von Brennstoffzellensystemen ermöglicht wird.

[0016] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung der bestimmte wenigstens eine Abgasparameter zumindest eine der folgenden Ausbildungen aufweist:

- chemischer Abgasparameter, - physikalischer Abgasparameter, - biologischer Abgasparameter.

[0017] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Hinsichtlich der mehrfach beschriebenen Degradationsvorgänge und der Überprüfung, ob solche innerhalb eines Brennstoffzellensystems aktuell stattfinden, ist insbesondere der chemische Abgasparameter von entscheidender Bedeutung. So ist es hier möglich, einzelne lonen nicht nur hinsichtlich der Leitfähigkeit des Analysekondensats, sondern auch hinsichtlich der tatsächlichen lonenart, beispielsweise hinsichtlich Fluorid-lonen, zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ sind auch physikalische Abgasparameter, wie die relative Feuchte, die Temperatur, der Druck, aber insbesondere Werte, wie die aktuelle Leitfähigkeit des Analysekondensats, erfassbar. Insbesondere bei längeren Betriebssituationen können auch biologische Abgasparameter grundsätzlich von Bedeutung sein.

[0018] Es kann darüber hinaus Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung zwischen dem Kondensatorabschnitt und dem Analyseabschnitt wenigstens einer der folgenden Zusatzabschnitte angeordnet ist:

- Phasen-Trenn-Abschnitt mit einer Trennvorrichtung für eine Trennung des flüssigen AnaIysekondensats von gasförmigen Bestandteilen des Analysestroms,

- Massenstrom-Kontrollabschnitt mit einem Kontrollventil für eine Kontrolle des Massenstroms an Analysekondensat zum Analyseabschnitt.

[0019] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich ebenfalls um eine nicht abschließende Liste. Ein Phasen-Trenn-Abschnitt dient dazu mit Hilfe der Trennvorrichtung eine Phasentrennung durchzuführen. Je nach aktueller Situation kann durch die Kondensatorvorrichtung ein Auskondensieren der relativen Feuchte und damit des enthaltenen gasförmigen Wassers aus

dem abgetrennten Analysestrom erfolgen. Damit bildet sich stromabwärts der Kondensatorvorrichtung eine Mischung aus flüssigem Analysekondensat und verbleibenden Restgasbestandteilen des Analysestroms. Grundsätzlich ist es möglich, auch diese Mischung aus gasförmigem Analysestrom und flüssigem Analysekondensat dem Analyseabschnitt und der Analysevorrichtung zuzuführen. Je nach durchgeführten Analyseschritten kann es jedoch Vorteile mit sich bringen, das Analysekondensat vollständig oder im Wesentlichen vollständig von den verbleibenden Gasbestandteilen des Abgasstroms abzutrennen. In einem solchen Fall kann insbesondere auch ein quantitatives Erfassen des Analysekondensats relativ zum Abgasstrom zur Verfügung gestellt werden. Ein Massenstrom-Kontrollabschnitt erlaubt es zusätzlich oder alternativ noch dem AnaIyseabschnitt in definierter kontrollierter Weise eine Strömungsmenge an Analysekondensat oder Analysestrom zuzuführen. Dies erlaubt es, in definierter und vor allem quantifizierbarer Weise die Analyse durchzuführen. Mit anderen Worten wird es möglich, spezifisch und quantifizierbar den Abgasparameter zu bestimmen und damit neben rein qualitativen Bestimmungsmöglichkeiten auch quantitatives Feedback hinsichtlich des Abgasparameters zu erhalten.

[0020] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung stromabwärts des Kondensatorabschnitts ein Rückführabschnitt angeordnet ist für eine Rückführung wenigstens eines Teils des gasförmigen Analysestroms zu einer Rückführschnittstelle für eine fluiıdkommunizierende Verbindung mit einer Gegen-Rückführschnittstelle des Abgasabschnitts. Dies kann mehrere Vorteile mit sich bringen. Im einfachsten Fall kann auf diese Weise ein Druckausgleich stattfinden, um sicherzustellen, dass Teile der Bestimmungsvorrichtung sich im Druckausgleich mit dem fluidkommunizierend verbundenen Abgasabschnitt befinden. Insbesondere dann, wenn der bereits beschriebene Phasen-Trenn-Abschnitt vorgesehen ist, kann auch ein Rückführen der gasförmigen Restbestandteile des Analysestroms in den Abgasstrom vorgesehen sein. Für Brennstoffzellensysteme und vor allem für Abgasabschnitte, welche eine Nachbehandlung für das geförderte Abgas beinhalten, ist dies von entscheidendem Vorteil, da die verbleibenden Restgasbestandteile des Analysestroms dann ebenfalls dieser Nachbehandlung zugeführt werden. Insbesondere dann, wenn in dem Abgasabschnitt Reste an Brenngas erwarten sind, kann dies große Vorteile hinsichtlich der Betriebssicherheit der Bestimmungsvorrichtung mit sich bringen. Nicht zuletzt wird auf diese Weise auch die Strömungsmenge auf das Analysekondensat durch die Analysevorrichtung begrenzt, sodass diese entsprechend kleiner und kostengünstiger ausgebildet werden kann.

[0021] Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung die Abtrennschnittstelle für eine kontinuierliche oder im Wesentlichen kontinuierliche Abtrennung des Analysestroms ausgebildet ist. Insbesondere erfolgt dies in kontrollierter Weise, sodass spezifisch, vorzugsweise kontinuierlich, eine exakte Menge an Analysestrom aus dem Abgasstrom abgetrennt werden kann. Eine mögliche konstruktive Lösung ist hier zum Beispiel ein Nadelventil. Die Verwendung einer solchen Abtrennschnittstelle mit der Gegen-Abtrennschnittstelle erlaubt es, einen möglichst geringen Einfluss auf die Strömungsparameter im Abgasstrom zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig eine möglichst repräsentative Menge an Analysestrom aus dem Abgasabschnitt abzutrennen.

[0022] Darüber hinaus ist bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung stromabwärts der Abtrennschnittstelle und stromaufwärts des Kondensatorabschnitts, eine Sensorvorrichtung angeordnet ist für eine sensorische Bestimmung der relativen Feuchte des Analysestroms. Grundsätzlich kann auch ein andere physikalischer Strömungsparameter wie beispielsweise die Temperatur, der Druck, oder Ähnliches bestimmt werden. Es können hier physikalische Strömungsparameter erfasst werden, welche die Kondensationsfunktionalität der Kondensatorvorrichtung beeinflussen. Beispielsweise kann durch die Informationen der physikalisch erfassten Strömungsparameter nun ein verbesserter und gezielter und damit kontrollierter Betrieb der Kondensatorvorrichtung stattfinden. In Abhängigkeit der erfassten relativen Feuchte, kann entsprechend die Kühlleistung der Kondensatorvorrichtung effizient so eingestellt werden, dass ein vollständiges oder im Wesentlichen vollständiges Auskondensieren des Produktwassers aus dem Analysestrom und damit ein vollständiges oder im Wesentlichen vollständiges Abtrennen des möglichen Analysekondensats, zur Verfügung gestellt wird.

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[0023] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung die Analysevorrichtung wenigstens ein Mischmodul aufweist für ein Vermischen des Analysekondensats mit wenigstens einem Analysereagenz. Es ist möglich, dass für bestimmte Analysevorgänge ein Vermischen mit Analysereagenzien notwendig ist. Eine Analysevorrichtung kann entsprechend einen Behälter, entweder als einmalig befüllten Behälter oder als nachfüllbaren Behälter, mit einem Analysereagenz vorhalten. Mit Hilfe des Mischmoduls kann nun das flüssige Analysekondensat mit einem vorzugsweise ebenfalls flüssigen Analysereagenz vermischt werden, um anschließend komplexere, aufwendigere und damit jedoch auch deutlich aussagekräftigere Analysevorgänge durchführen zu können. Hier ist bereits gut zu erkennen, dass auch ein Aufteilen des Analysekondensats denkbar ist, sodass zeitlich und/oder örtlich parallel verschiedene Analysevorrichtungen für verschiedene Abgasparameter eine entsprechende Analytik vorhalten und durchführen können.

[0024] Die Kondensatorvorrichtung der Bestimmungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Führungskanal mit einem Kanaleingang und einem Kanalausgang für eine Führung des Analysestroms aufweist. Der Führungskanal steht in wärmeübertragendem Kontakt mit wenigstens einem Kühlraum, welcher für eine Kühlung des durch den Führungskanal geführten Analysestroms unter eine Kondensationstemperatur des Analysekondensats ausgebildet ist. Der Führungskanal weist dabei einen wenigstens abschnittsweise spiralförmigen Verlauf auf.

[0025] Damit kann die Kondensatorvorrichtung eine sehr kostengünstige und vor allem effiziente wie auch zielgerichtete Kondensationsmöglichkeit zur Verfügung stellen, um die erfindungsgemäßen Vorteile, wie sie mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung erläutert worden sind, besonders vorteilhaft zu erzielen. Durch die spiralförmige Anordnung des Führungskanals und den entsprechenden wärmeübertragenden Kontakt erfolgt die Kondensation, sodass am Kanalausgang des Führungskanals entsprechend im Wesentlichen vollständig auskondensiertes Wasser mit den entsprechenden Inhaltsstoffen gelöst im Analysekondensat in einer Mischung mit den verbleibenden Restgasbestandteilen des Analysestroms ausgegeben wird. Nachfolgend und stromabwärts einer solchen Kondensatorvorrichtung kann die bereits erläuterte Trennvorrichtung eines Phasen-Trenn-Abschnitts vorgesehen sein. Eine solche Kondensatorvorrichtung ist insbesondere aus einem Material gebildet, welches wasserstoffundurchlässig ist, um eine entsprechende Sicherheitsrelevanz für den Betrieb zur Verfügung zu stellen. Auch kann hier ein additives Fertigungsverfahren vorzugsweise unter Nutzung eines Metallmaterials eingesetzt werden, um insbesondere die relativ komplexe Konstruktionsweise der spiralförmigen Anordnung des Führungskanals gewährleisten zu können. Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei der Kondensatorvorrichtung der Kühlraum eine Gitterstruktur mit gitterförmig ausgebildeten Kühlrippen aufweist. Eine solche Gitterstruktur kann einfache oder gekreuzte Kühlrippen aufweisen. Sie dient insbesondere der Führung eines Kühlmittels. So kann beispielsweise Luft in passiver Weise durch diese Kühlkanäle der Kühlgitter des Kühlgitters strömen. Auch ein aktives Fördern des Kühlmittels, insbesondere der Umgebungsluft, beispielsweise mit Hilfe eines Ventilators, ist denkbar. Auch es ist es möglich, Peltierelemente oder ähnliche Bauteile einzusetzen, um ein aktives Kühlen durchzuführen. Es ist sogar ein Anschluss an eine Kühlvorrichtung des Brennstoffzellensystems denkbar, sodass entsprechend ein Kühlmittelfluss verwendet werden kann, um auch die Kondensatorvorrichtung zu betreiben. Auch eine Verwendung eines separaten Kühlmittelkreislaufs spezifisch für den Betrieb der Kondensatorvorrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Nicht zuletzt ist es auch denkbar, dass ein manuelles Kühlen, beispielsweise durch Eintauchen der Kondensatorvorrichtung in Eiswasser, verwendet wird.

[0026] Vorteile kann es mit sich bringen, wenn der Kühlraum der Kondensatorvorrichtung fluidkommunizierend in einen Kühlkreislauf eines Kühlmittels eingebunden ist. We bereits angedeutet wurde, kann ein solcher Kühlkreislauf insbesondere der Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems sein, sodass die bereits vorhandene Peripherie und die bereits vorhandenen Komponenten eines solchen Kühlkreislaufs auch für den Betrieb der Kondensatorvorrichtung verwendet werden können.

[0027] Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn der Führungskanal der Kondensatorvorrichtung einen vom Kanaleingang zum Kanalausgang hin sich veränderten Kanalquerschnitt aufweist, ins-

besondere der Kanalquerschnitt vom Kanaleingang zum Kanalausgang abnimmt. Die Reduktion des Kanalquerschnitts führt dazu, dass nun eine verbesserte Kondensationswirkung erzielt wird. Die verbesserte Kondensationswirkung führt dazu, dass die verbliebene Restfeuchte reduziert wird, insbesondre ein vollständiges oder im Wesentlichen vollständiges Auskondensieren des Analysekondensats gewährleistet ist.

[0028] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung von wenigstens einem Abgasparameter eines Abgasstroms eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung. Ein solches Bestimmungsverfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Abtrennen eines Analysestroms aus einem Abgasstrom eines Abgasabschnitts des Brennstoffzellensystems,

- Kondensation von Analysekondensat aus dem abgetrennten Analysestrom,

- Bestimmen des wenigstens einen Abgasparameters durch Analyse des Analysekondensats.

[0029] Ein Bestimmungsverfahren wird insbesondere bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung eingesetzt und bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung, wie auch die erfindungsgemäße Kondensatorvorrichtung, erläutert worden sind.

[0030] Beim erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren wird die Strömungsmenge des Abgasstroms im Abgasabschnitt erfasst und bei der Bestimmung des wenigstens einen Abgasparameters berücksichtigt wird. Im einfachsten Fall kann die Strömungsmenge einen quantitativen Bezug herstellen, sodass der Abgasparameter quantifizierbar bestimmt und ausgegeben werden kann. Auch ist es möglich, auf diese Weise den Betrieb des Abtrennabschnitts zu kontrollieren und beispielsweise die abgetrennte Menge an Analysestrom an die aktuell geförderte Menge an Abgasstrom im Abgasabschnitt anzupassen. Nicht zuletzt wird es auf diese Weise möglich, auch Kalibrierschritte durchzuführen, um insbesondere eine Kalibrierung der Analysevorrichtung zu gewährleisten.

[0031] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel zur Durchführung einer Brennstoffzellenfunktion. Der Brennstoffzellenstapel ist in einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt aufgeteilt. Ein Anodenzuführabschnitt führt Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und ein Anodenabführabschnitt führt Anodenabgas von diesem Anodenabschnitt weg. Ein Kathodenzuführabschnitt führt Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt und der Kathodenabführabschnitt führt Kathodenabgas von diesem wieder weg. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass der Anodenabführabschnitt und/oder der Kathodenabführabschnitt wenigstens eine Gegen-Abtrennschnittstelle aufweist. Diese ist mit wenigstens einer Bestimmungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung fluidkommunizierend über die Abtrennschnittstelle und die wenigstens eine Gegen-Abtrennschnittstelle verbunden. Damit bringt ein auf diese Weise ausgestattetes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung, eine erfindungsgemäße Kondensatorvorrichtung sowie ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren erläutert worden sind.

[0032] 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:

[0033] Fig. 1 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,

[0034] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

[0035] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

[0036] Fig. 4 eine mögliche Ausführungsform einer Analysevorrichtung,

[0037] Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Kondensatorvorrichtung,

[0038] Fig. 6 eine Draufsicht auf die Kondensatorvorrichtung der Figur 5,

[0039] Fig. 7 ein seitlicher Querschnitt durch die Kondensatorvorrichtung der Figuren 5 und 6 und

[0040] Fig. 8 ein seitlicher Querschnitt durch die Einbausituation einer Kondensatorvor-

richtung der Figuren 5 bis 7.

[0041] In der Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Auf die Darstellung von weiteren Betriebskomponenten wird hier der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Grundsätzlich wird das Brennstoffzellensystem 200 durch ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel 210 gebildet. Der hier dargestellte eine Brennstoffzellenstapel 210 ist aufgeteilt in einen Anodenabschnitt 230 und einen Kathodenabschnitt 240. Der Anodenabschnitt 230 wird über einen Anodenzuführabschnitt 232 mit Anodenzuführgas AZG versorgt. In gleicher Weise erfolgt eine Versorgung des Kathodenabschnitts 240 mit Kathodenzuführgas KZG über den Kathodenzuführabschnitt 242. Unter zur Verfügungstellung der Brennstoffzellenfunktionalität, beispielsweise durch die entsprechenden Membranfunktionen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 210, erfolgt ein Umsetzen des Anodenzuführgases AZG und des Kathodenzuführgases KZG zu Anodenabgas AAG und Kathodenabgas KAG. Das Anodenabgas AAG wird über den Anodenabführabschnitt 234 ausgebracht. Das Kathodenabgas KAG erfolgt hinsichtlich der Abfuhr über den Kathodenabführabschnitt 244.

[0042] In der Figur 1 ist nun eine Bestimmungsvorrichtung 10 in dem Kathodenabführabschnitt 244 als Abgasabschnitt 220 integriert. Das Kathodenabgas KAG bildet hier den Abgasstrom ABS im Abgasabschnitt 220 aus. Die Bestimmungsvorrichtung 10 ist nun in der Lage, über die GegenAbtrennschnittstelle 222 einen Teil des Abgasstroms ABS in Form des Analysestroms ANS in gasförmiger Weise abzutrennen. Der Abtrennabschnitt 20 weist hier bereits eine Ventilvorrichtung 26 auf, welche qualitativ oder quantitativ kontrollierbar die Strömungsmenge und damit die abgetrennte Menge an Analysestrom ANS kontrollieren kann. Stromabwärts ist weiter der Kondensatorabschnitt 30 ausgebildet. Dieser Kondensatorabschnitt 30 weist nun eine Kondensatorvorrichtung 100 auf, welche zumindest teilweise ein Analysekondensat ANK auskondensieren lässt. Das Analysekondensat ANK wird stromabwärts dem Analyseabschnitt 40 und dort der Analysevorrichtung 42 zugeführt und kann dort hinsichtlich wenigstens eines Abgasparameters AP analysiert werden. In der Figur 1 ist zusätzlich noch eine erste Rückkopplungsmöglichkeit dargestellt, welche es erlaubt, einen Druckausgleich über einen Druckausgleichsabschnitt 80 mit dem Abgasabschnitt 220 durchzuführen.

[0043] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Hier ist nun zusätzlich vorgelagert stromaufwärts der Kondensatorvorrichtung 100 eine Sensorvorrichtung 24 vorgesehen. Diese ist in der Lage den physikalischen Strömungsparameter SP in Form der relativen Feuchte des abgetrennten Analysestroms ANS zu erfassen. Auch zeigt die Figur 2 eine Lösung, bei der stromaufwärts des Analyseabschnitts 40 noch ein Phasen-Trenn-Abschnitt 50 vorgesehen ist. Dieser weist eine Trennvorrichtung 52 auf, um im Wesentlichen vollständig die verbleibenden Gasbestandteile des Analysestroms ANS abzutrennen und diese sogar an den Abgasabschnitt 220 rückzuführen. Bei dieser Ausführungsform wird nun im Wesentlichen ausschließlich das flüssige Analysekondensat ANK ohne Restgasbestandteile an die Analysevorrichtung 42 des Analyseabschnitts 40 weitergegeben.

[0044] Die Figur 3 bildet die Ausführungsform der Figur 2 noch dahingehend weiter, dass nun zusätzlich eine Kontrollmöglichkeit für das Analysekondensat ANK gegeben ist. Dies wird durch den Massenstrom-Kontrollabschnitt 60 zur Verfügung gestellt, welcher insbesondere ein Kontrollventil 62 aufweist. Damit wird es möglich, in quantifizierbarer und kontrollierbarer Weise die AnaIysevorrichtung mit dem Analysekondensat ANK zu versorgen und entsprechend quantifizierbar die Bestimmung des wenigstens einen Abgasparameters AP durchzuführen.

[0045] Die Figur 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Analysevorrichtung 42. So ist hier 7118

ein Analysereagenz ANR in einem zugehörigen Behälter vorgesehen, sodass nun ein Vermischen in einem Mischmodul 44 mit dem Analysekondensat ANK möglich wird. Über hier nicht näher dargestellte Sensorik wird es nun möglich, die durch die Mischung mit dem Analysereagenz ANR analysierbaren Teilbestandteile der Mischung so auszugeben, dass entsprechend in komplexerer Weise auch aufwendiger messbare Abgasparameter AP hier bestimmbar werden.

[0046] Die Figuren 5 bis 8 zeigen eine mögliche Ausführungsform einer Kondensatorvorrichtung 100. Diese ist hier beispielsweise mittels aufbauendem Verfahren aus einem Metallmaterial gefertigt. In einer spiralweisen Ausgestaltung ist ein Führungskanal 110 vorgehen, welcher sich von einem äußeren Ende der Spirale angeordneten Kanaleingang 112 zu einem inneren Kanalausgang 114 erstreckt. Dabei nimmt der Querschnitt des Führungskanals 110 im Wesentlichen kontinuierlich ab, um die Kondensatorwirkung zu verbessern. Um eine Reduktion der Temperatur unter die Kondensationstemperatur zu ermöglichen, befindet sich der Führungskanal 110 in einem Kühlraum 120. Für ein verbessertes Kühlen ist der Kühlraum 120 hier mit einer Gitterstruktur 122 ausgebildet, welcher eine Vielzahl von Kühlrippen 124 aufweist. Die Kühlrippen 124 sind überkreuzt angeordnet und bilden entsprechend Kühlkanäle aus, welche in Verschneidung mit dem Führungskanal 110 eine sehr effiziente und effektive Kühlfunktionalität zur Verfügung stellen. In der Figur 8 ist gut zu erkennen, dass durch die Einbindung um ein umfassendes Gehäuse auch eine Einbindung in einen externen Kühlmittelkreislauf möglich ist, um diese Kühlfunktionalität noch weiter zu verbessern.

[0047] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Bestimmungsvorrichtung 20 Abtrennabschnitt

22 Abtrennschnittstelle

24 Sensorvorrichtung

26 Ventilvorrichtung

30 Kondensatorabschnitt

40 Analyseabschnitt

42 Analysevorrichtung

44 Mischmodul

50 Phasen-Trenn-Abschnitt

52 Trennvorrichtung

60 Massenstrom-Kontrollabschnitt 62 Kontrollventil

70 Rückführabschnitt

72 Rückführschnittstelle

80 Druckausgleichsabschnitt

100 Kondensatorvorrichtung

110 Führungskanal 112 Kanaleingang 114 Kanalausgang 120 Kühlraum

122 Gitterstruktur 124 Kühlrippen

200 Brennstoffzellensystem 210 Brennstoffzellenstapel

220 Abgasabschnitt

222 Gegen-Abtrennschnittstelle 224 Gegen-Rückführschnittstelle 230 Anodenabschnitt

232 Anodenzuführabschnitt 234 Anodenabführabschnitt 240 Kathodenabschnitt

242 Kathodenzuführabschnitt 244 Kathodenabführabschnitt

ABS Abgasstrom

ANS Analysestrom

ANK Analysekondensat

ANR Analysereagenz

AP Abgasparameter

SP physikalischer Strömungsparameter

AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas

KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas

Claims

Patentansprüche

1. Bestimmungsvorrichtung (10) für eine Bestimmung wenigstens eines Abgasparameters (AP) eines Abgasstroms (ABS) eines Brennstoffzellensystems (200), wobei die Bestimmungsvorrichtung (10) einen Abtrennabschnitt (20) mit einer Abtrennschnittstelle (22) für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einer Gegen-Abtrennschnittstelle (222) eines Abgasabschnitts (220) des Brennstoffzellensystems (200) für ein Abtrennen eines Analysestroms (ANS) aus dem Abgasstrom (ABS) aufweist, wobei stromabwärts des Abtrennabschnitts (20) ein Kondensatorabschnitt (30) angeordnet ist mit einer Kondensatorvorrichtung (100) für eine Abtrennung von flüssigem Analysekondensat (ANK) aus dem Analysestrom (ANS), wobei weiter stromabwärts des Kondensatorabschnitts (30) ein Analyseabschnitt (40) angeordnet ist mit einer Analysevorrichtung (42) zur Analyse des Analysekondensats (ANK) und Bestimmung des wenigstens einen Abgasparameters (AP) im Analysekondensat (ANK) dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Abtrennschnittstelle (22) und stromaufwärts des Kondensatorabschnitts (30) eine Sensorvorrichtung (24) angeordnet ist für eine sensorische Bestimmung einer relativen Feuchte des Analysestroms (ANS).

2. Bestimmungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte wenigstens eine Abgasparameter (AP) zumindest eine der folgenden Ausbildungen aufweist:

- Chemischer Abgasparameter (AP) - Physikalischer Abgasparameter (AP) - Biologischer Abgasparameter (AP)

3. Bestimmungsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensatorabschnitt (30) und dem Analyseabschnitt (40) wenigstens einer der folgenden Zusatzabschnitte angeordnet ist:

- Phasen-Trenn-Abschnitt (50) mit einer Trennvorrichtung (52) für eine Trennung des flüssigen Analysekondensats (ANK) von gasförmigen Bestandteilen des Analysestroms (ANS),

- Massenstrom-Kontrollabschnitt (60) mit einem Kontrollventil (62) für eine Kontrolle des Massenstroms an Analysekondensat (ANK) zum Analyseabschnitt (40).

4. Bestimmungsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Kondensatorabschnitts (30) ein Rückführabschnitt (70) angeordnet ist für eine Rückführung wenigstens eines Teils des gasförmigen Analysestroms (ANS) zu einer Rückführschnittstelle (72) für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einer Gegen-Rückführschnittstelle (224) des Abgasabschnitts (220).

5. Bestimmungsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennschnittstelle (22) für eine kontinuierliche oder im Wesentlichen kontinuierliche Abtrennung des Analysestroms (ANS) ausgebildet ist.

6. Bestimmungsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung (42) wenigstens ein Mischmodul (44) aufweist für ein Vermischen des Analysekondensats (ANK) mit wenigstens einem Analysereagenz (ANR).

7. Bestimmungsvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorvorrichtung (100) einen Führungskanal (110) mit einem Kanaleingang (112) und einem Kanalausgang (114) für eine Führung des Analysestroms (ANS) aufweist, wobei der Führungskanal (110) in wärmeübertragendem Kontakt mit wenigstens einem Kühlraum (120) angeordnet ist für eine Kühlung des durch den Führungskanal (110) geführten Analysestroms (ANS) unter eine Kondensationstemperatur des Analysekondensats (ANK), wobei weiter der Führungskanal (110) einen wenigstens abschnittsweise spiralförmigen Verlauf aufweist.

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8. Bestimmungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum (120) der Kondensatorvorrichtung (100) eine Gitterstruktur (122) mit gitterförmig ausgebildeten Kühlrippen (124) aufweist.

9. Bestimmungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum (120) der Kondensatorvorrichtung (100) fluidkommunizierend in einen Kühlkreislauf eines Kühlmittels eingebunden ist.

10. Bestimmungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskanal (110) der Kondensatorvorrichtung (100) einen vom Kanaleingang (112) zum Kanalausgang (114) hin sich verändernden Kanalquerschnitt aufweist, insbesondere der Kanalquerschnitt vom Kanaleingang (112) zum Kanalausgang (114) abnimmt.

11. Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung wenigstens eines Abgasparameters (AP) eines Abgasstroms (ABS) eines Brennstoffzellensystems (200) mit einer Bestimmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

- Abtrennen eines Analysestroms (ANS) aus einem Abgasstrom (ABS) eines Abgasabschnitts (220) des Brennstoffzellensystems (200),

- Kondensation von Analysekondensat (ANK) aus dem abgetrennten Analysestrom (ANS),

- Bestimmung des wenigstens einen Abgasparameters (AP) durch Analyse des Analysekondensats (ANK),

- dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmenge des Abgasstroms (ABS) im Abgasabschnitt (220) erfasst wird und bei der Bestimmung des wenigstens einen Abgasparameters (AP) berücksichtigt wird.

12. Brennstoffzellensystem (200) aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (210) zur Durchführung einer Brennstoffzellenfunktion, wobei der Brennstoffzellenstapel (210) einen Anodenabschnitt (230) mit einem Anodenzuführabschnitt (232) für eine Zuführung von Anodenzuführgas (AZG) und einem Anodenabführabschnitt (234) für eine Abfuhr von Anodenabgas (AAG) und weiter einen Kathodenabschnitt (240) mit einem Kathodenzuführabschnitt (242) für eine Zufuhr von Kathodenzuführgas (KZG) einem Kathodenabführabschnitt (244) für eine Abfuhr von Kathodenabgas (KAG) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenabführabschnitt (234) und/oder der Kathodenabführabschnitt (244) wenigstens eine Gegen-Abtrennschnittstelle (222) aufweist, wobei wenigstens eine Bestimmungsvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 fluiudkommunizierend über die Abtrennschnittstelle (22) mit der wenigstens einen Gegen-Abtrennschnittstelle (222) verbunden ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen