DE102008019874B4 - Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts oder Partialdrucks einer Gaskomponente einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts oder Partialdrucks einer Gaskomponente in einem Gasgemisch einer Brennstoffzelle (10), das neben der zu bestimmenden Gaskomponente gasförmiges Wasser und zumindest eine weitere Gaskomponente enthält, wobei- ein Anteil des gasförmigen Wassers des Gasgemischs in Abhängigkeit einer Stromstärke der Brennstoffzelle (10) und/oder eines zugeführten Luftverhältnisses rechnerisch bestimmt wird,- eine Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches erfasst wird und- in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit und unter Berücksichtigung des Anteils des gasförmigen Wassers der Gehalt oder Partialdruck der Gaskomponente ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts oder Partialdrucks einer Gaskomponente in einem Gasgemisch einer Brennstoffzelle sowie einer entsprechenden Brennstoffzelle, welche zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist.
  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. In der Regel wird ein Brennstoffzellenstapel (stack) durch eine Vielzahl gestapelt angeordneter Einzelzellen gebildet, die jeweils eine MEA und beidseitig an diese anschließende Bipolarplatten aufweisen und deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch dem Anodenraum zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Dem Kathodenraum wird ferner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H+ + O2- = H2O). Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber Wärmekraftmaschinen aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
  • Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem ionisch leitfähigen Polymer besteht. Die verbreitetste PEM basiert auf einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion®; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers) oder auf Nafion-analogen Kunststoffen. Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von flüssigem Wasser Bedingung ist: Hieraus ergibt sich eine Reihe von Nachteilen, insbesondere bei Anwendung der Brennstoffzelle in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen. So ist im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich, was einen hohen Systemaufwand bedeutet. Kommt es zu einem Ausfall des Befeuchtungssystems, sind Leistungsverluste und irreversible Schädigungen der Membran-Elektroden-Einheit die Folge. Ferner ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen - auch aufgrund der mangelnden thermischen Dauerstabilität der Membranen - bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt (weswegen dieser Brennstoffzellentyp vorwiegend auch als Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet wird. Für den mobilen wie auch den stationären Einsatz sind jedoch Betriebstemperaturen oberhalb von 100 °C erstrebenswert.
  • Zur Überwindung dieser Probleme sind Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen) entwickelt worden, die bei Betriebstemperaturen von 120 bis 180 °C arbeiten und die keine oder nur geringe Befeuchtung erfordern. Die elektrolytische Leitfähigkeit der in diesen Brennstoffzellen der zweiten Generation eingesetzten Membranen basiert auf flüssigen, durch elektrostatische Komplexbindung an das Polymergerüst gebundenen Elektrolyten die auch bei vollständiger Trockenheit der Membran oberhalb des Siedepunktes von Wasser die Protonenleitfähigkeit gewährleisten. Beispielsweise sind Hochtemperaturmembranen aus Polybenzimidazol (PBI), die mit Säuren, wie etwa Phosphorsäure, Schwefelsäure oder anderen komplexiert sind, in US 5 525 436 A , US 5 716 727 A , US 5 599 639 A , WO 01/18 894 A2 , WO 99/04 445 A1 , EP 0 983 134 B1 und EP 0 954 544 B1 beschrieben.
  • Viele Brennstoffzellen verfügen über eine Steuerung oder Regelung der zugeführten Gase. Insbesondere auf Anodenseite erfolgt häufig eine Steuerung der zugeführten Wasserstoffmenge, beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle. Zur Einstellung eines gewünschten Wasserstoffgehaltes im Anodenraum wird dann ein Umwälzelement, insbesondere ein im Wasserstoffleitungssystem angeordnetes Rezirkulationsgebläse, angesteuert. Die genaue Zudosierung des Brenngases wird jedoch dadurch erschwert, dass das auf der Kathodenseite erzeugte gasförmige Produktwasser über Diffusionsprozesse durch die Membran diffundiert und im Anodenraum das Wasserstoffgasgemisch verdünnt. Ebenso kann - sofern der Kathode Luft als Sauerstoffquelle zugeführt wird - in der Luft enthaltener Stickstoff durch die Membran in den Anodenraum diffundieren. Letztendlich liegt somit auf Seite der Anode ein Gasgemisch vor, das neben Wasserstoff auch Stickstoff und gasförmiges Wasser enthält (ungeachtet vernachlässigbarer Bestandteile, wie Kohlendioxid oder Edelgase). Desgleichen liegt im Kathodenraum ein Gemisch aus Sauerstoff, Stickstoff und gasförmigem Wasser vor, so dass auch hier eine Steuerung des Sauerstoffanteils erschwert ist.
  • DE 10 2007 003 938 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Gehalts von Wasserdampf (Istfeuchte) im Kathodengas einer Brennstoffzelle, um eine ausreichende Befeuchtung sicherzustellen. Hierzu wird mittels eines Ultraschallsensors die Schallgeschwindigkeit im Kathodengas gemessen und hieraus die Istfeuchte ermittelt.
  • JP 2006-071426 A offenbart eine mit einem flüssigen Gemisch aus Methanol und Wasser betriebene Brennstoffzelle. Mittels eines Ultraschallsensors wird die Methanolkonzentration im Anodenkreis bestimmt.
  • US 2005/0214603 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Gehalts von Wasserstoff im Anodengas einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit einer gemessenen Schallgeschwindigkeit.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine möglichst präzise und einfache Bestimmung eines Gehaltes oder Partialdruckes einer Gaskomponente in einem Gasgemisch einer Brennstoffzelle ermöglicht. Es soll ferner ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes Brennstoffzellensystem vorgeschlagen werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts oder eines Partialdrucks einer Gaskomponente in einem Gasgemisch einer Brennstoffzelle, das neben der zu bestimmenden Gaskomponente gasförmiges Wasser und zumindest eine weitere Gaskomponente enthält, sieht vor, dass ein Anteil des gasförmigen Wassers des Gasgemischs in Abhängigkeit einer Stromstärke der Brennstoffzelle und/oder eines zugeführten Luftverhältnisses rechnerisch bestimmt wird, eine Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches erfasst wird und in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit und unter Berücksichtigung des Anteils des gasförmigen Wassers der Gehalt oder der Partialdruck der Gaskomponente ermittelt wird. Über die Größe der Schallgeschwindigkeit kann auf die Gaskonzentration der zu bestimmenden Gaskomponente rechnerisch oder über abgespeicherte Kennfelder rückgeschlossen werden, da die Schallgeschwindigkeit von der Zusammensetzung des Gasgemisches abhängig ist. Besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass ein zur Messung der Schallgeschwindigkeit einsetzbarer Ultraschallsensor nicht-invasiv arbeitet. Ferner sind Ultraschallsensoren robust, sodass eine lange Lebensdauer auch unter hohen Temperaturen und aggressiven Gaszusammensetzungen gewährleistet ist. Ultraschallsensoren verfügen zudem über sehr schnelle Ansprechzeiten, sodass auch in hochdynamischen Prozessen die Konzentrationsbestimmung quasi in Echtzeit möglich ist. Darüber hinaus ist die Messung der Schallgeschwindigkeit medienverlustfrei möglich, das heißt ohne Verbrauch der zu bestimmenden Gaskomponente.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe „Gehalt“, „Anteil“, „Partialdruck“ oder „Konzentration“ der Gaskomponente synonym verwendet. Es versteht sich somit, dass das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, die relative Menge der Gaskomponente bezogen auf ein Volumen, eine Masse oder eine Stoffmenge des Gasgemisches unabhängig von einer Einheit zu ermitteln bzw. eine erfasste Größe in eine andere umzurechnen.
  • Entsprechend der bestimmungsgemäßen Anwendung des Verfahrens in Brennstoffzellen ist bevorzugt vorgesehen, dass das Gasgemisch neben der zu bestimmenden Gaskomponente auch gasförmiges Wasser und zumindest eine weitere Gaskomponente enthält.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der zu bestimmenden Gaskomponente um Wasserstoff in einem anodenseitigen Gasgemisch der Brennstoffzelle. Dieses weist neben dem Wasserstoff auch Stickstoff und gasförmiges Wasser auf, welche im Wege von Diffusionsprozessen durch die Membran vom Kathodenraum in den Anodenraum gelangt sind. Da die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff im Vergleich zu anderen Gasen sehr groß ist, entfaltet das Verfahren bei der Wasserstoffbestimmung eine besonders hohe Genauigkeit. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch ebenso möglich, den Gehalt oder Partialdruck von Sauerstoff in einem kathodenseitigen Gasgemisch der Brennstoffzelle zu bestimmen. Dieses weist neben dem Sauerstoff - sofern Luft als Sauerstoffquelle eingesetzt wird - auch Stickstoff auf sowie gasförmiges Wasser, das bei dem Betrieb der Brennstoffzelle als Produkt der Brennstoffzellenreaktion entsteht.
  • Erfindungsgemäß wird der Wasseranteil des Gasgemisches rechnerisch bestimmt wird. Da die Menge an Produktwasser direkt proportional zur bereitgestellten elektrischen Leistung der Brennstoffzelle ist, erfolgt der Wasseranteil in Abhängigkeit der Brennstoffzellenleistung und/oder des zugeführten Luftverhältnisses, insbesondere der Luftfeuchtigkeit. Durch Berücksichtigung des Wasseranteils im Gasgemisch wird die Genauigkeit des Verfahrens noch erhöht.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Gehalts oder des Partialdrucks der zu bestimmenden Gaskomponente unter Einsatz gespeicherter Kennlinien oder Kennfelder, welche den Gehalt oder den Partialdruck in Abhängigkeit von der erfassten Schallgeschwindigkeit darstellen. Alternativ ist eine rechnerische Bestimmung möglich, bei der mathematische Beziehungen zwischen Schallgeschwindigkeit und Gehalt oder Partialdruck genutzt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Berücksichtigung der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur und/oder dem Druck. Hierfür wird zumindest einer dieser Parameter (Druck und/oder Temperatur des Gasgemisches) erfasst und als Eingangsgröße neben der Schallgeschwindigkeit verwendet, um beispielsweise aus druck- und temperaturabhängigen Kennfeldern den Gehalt oder den Partialdruck der Gaskomponente herauszulesen. Auch hier ist alternativ denkbar, mathematische Beziehungen einzusetzen, welche die Druck- und Temperaturabhängigkeit bei der Berechnung des Gehaltes oder des Partialdrucks aus der Schallgeschwindigkeit berücksichtigen.
  • Gemäß einer anderen Weiterentwicklung des Verfahrens wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches innerhalb der Brennstoffzelle beziehungsweise innerhalb von Gasleitungen, welche dem Anodenraum zugeordnet sind, und/oder von Gasleitungen, welche dem Kathodenraum zugeordnet sind, erfasst. Dies kann insbesondere mithilfe mindestens eines Ultraschallsensors erfolgen, der gleichzeitig die Schallgeschwindigkeit misst. Somit kann zusätzlich zur Gaszusammensetzung mit dem selben Sensor auch die Strömungsgeschwindigkeit erfasst werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, ein Stellelement zur Regelung eines Soll-Gehaltes und oder Soll-Partialdrucks der Gaskomponente in Abhängigkeit von dem erfindungsgemäß bestimmten Ist-Gehalt oder Ist-Partialdruck der Gaskomponente anzusteuern. Dabei kann es sich bei dem Stellelement beispielsweise um ein Rezirkulationsgebläse handeln, das in einer Gasleitung, insbesondere in einer Wasserstoffleitung oder einer Wasserstoffrezirkulationsleitung, angeordnet ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das zumindest eine Einzelzelle aufweist, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum sowie Gasleitungen umfasst, die diesen zugeordnet sind. Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzelle zumindest einen Ultraschallsensor zur Erfassung einer Schallgeschwindigkeit eines dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum zugeführten Gasgemisches, der unmittelbar in dem Anodenraum beziehungsweise Kathodenraum angeordnet ist oder in zumindest einer der diesen zugeordneten Gasleitungen. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst ferner Mittel welche eingerichtet sind, das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Gehalts oder Partialdrucks der Gaskomponente in dem entsprechenden Gasgemisch auszuführen. Diese Mittel können beispielsweise die vorstehend bereits erwähnten gespeicherten Kennlinien oder Kennfelder umfassen, welche den Gehalt oder Partialdruck der Gaskomponente in Abhängigkeit von der erfassten Schallgeschwindigkeit darstellen. Optional können die mehrdimensionalen Kennfelder weitere Parameter wie die Temperatur und/oder den Druck und/oder den Drucktaupunkt des Gasgemisches berücksichtigen. In diesem Fall umfasst die Brennstoffzelle ferner Mittel zur Erfassung des Drucktaupunkts des Gasgemisches, einer Temperatur des Gasgemisches und/oder eines Druckes.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil bei einer einleitend beschriebenen Brennstoffzelle vom HT-PEM-Typ eingesetzt werden, die auf einer Membran basiert, die aus einem Elektrolyt-imprägnierten Polymermaterial besteht. Daneben kann es jedoch ebenso bei einer NT-PEM-Brennstoffzelle Einsatz finden, deren Membran auf einem ionisch leitfähigen (Nafion- oder Nafion-analogen) Polymermaterial beruht, oder bei einer Festoxidbrennstoffzelle (Solide-Oxide-Brennstoffzellen, SOFC) oder anderen Brennstoffzelltypen.
  • Die Brennstoffzelle kann insbesondere in mobilen Anwendungen Einsatz finden, etwa in Traktionssystemen von Kraftfahrzeugen oder zur Zusatzenergieversorgung als so genannte APU (für auxiliary power unit) in Kraftfahrzeugen. Selbstverständlich ist sie gleichfalls für stationäre Anwendungen einsetzbar, insbesondere für Kleinkraftwerke oder Hausenergieversorgungseinrichtungen.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung.
  • In der Figur ist eine Brennstoffzelle 10 dargestellt, die insbesondere ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Einzelzellen ist. Jede Einzelzelle weist eine nicht näher dargestellte Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auf, die jeweils eine protonenleitende Membran umfasst, insbesondere eine aus einem geeigneten Polymermaterial gebildete Polymerelektrolytmembran. Im Falle einer HT-PEM-Brennstoffzelle handelt es sich um eine mit einem Elektrolyten imprägnierte Membran, beispielsweise aus der Gruppe der Polyazole und Polyphosphazene, insbesondere PBI, welches mit Phosphorsäure oder anderen Elektrolyten imprägniert ist. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf HT-PEM-Brennstoffzellen beschränkt. Jede MEA umfasst ferner zwei ebenfalls nicht näher dargestellte an den beiden äußeren Membranflächen anschließende Elektroden, nämlich eine als Kathode geschaltete Elektrode auf Kathodenseite der Membran und eine als Anode geschaltete Elektrode auf Anodenseite. Diese umfassen jeweils eine mikroporöse Katalysatorschicht, die ein katalytisches Material als eigentlich reaktive Zentren der Elektroden enthalten, bei dem es sich in der Regel um ein Edelmetall als katalytisch wirksame Substanz handelt, wie Platin, Iridium oder Ruthenium oder um ein Übergangsmetall, wie Chrom, Cobalt, Nickel, Eisen, Vanadium oder Zinn oder Mischungen oder Legierungen von diesen. Die Elektroden sind mit einem äußeren Stromkreis (nicht dargestellt) elektrisch verbunden, in welchem eine elektrische Leistung abgenommen wird.
  • Die Brennstoffzelle 10 wird über einen Brennstofftank 12 über eine Gasleitung 14 mit Wasserstoff versorgt, welcher den Anodenräumen der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Ein in der Gasleitung 14 angeordnetes Ventil 16 erlaubt die Zu- und Abschaltung der Wasserstoffzufuhr sowie seine Dosierung. Eine zweite Gasleitung 18 führt das restwasserstoffhaltige Gasgemisch aus dem Anodenraum ab und über eine dritte Gasleitung 20 wieder der zuführenden Gasleitung 14 zu. Die Förderung des Gasgemisches in dem Kreislauf innerhalb der Leitungen 14, 18 und 20 erfolgt über ein Rezirkulationsgebläse 22, das in dem Leitungssystem angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß verfügt das dargestellte Brennstoffzellensystem über einen Ultraschallsensor 24, der im dargestellten Beispiel in der Gasleitung 20 angeordnet ist. Abweichend von dem dargestellten Beispiel kann der Ultraschallsensor 24 auch in einem anderen Bereich der Rezirkulationsleitungen 14, 18, 20 angeordnet sein oder in einem Anodenraum einer der Einzelzellen der Brennstoffzelle 10. Der Sensor 24 misst in bekannter Weise die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines von dem Sensor ausgesendeten Ultraschalls in dem Gasmedium und stellt ein entsprechendes Signal einer Steuereinheit 26 zur Verfügung. Diese verarbeitet das Signal und ermittelt in Abhängigkeit des erfassten Signals einen Gehalt oder Partialdruck einer ausgewählten Gaskomponente in dem Gasgemisch der Leitungen, hier insbesondere von Wasserstoff. Hierfür greift die Steuereinheit 26 auf abgespeicherte Kennfelder 28 zurück, die den Gehalt oder Partialdruck von Wasserstoff in Abhängigkeit von der erfassten Schallgeschwindigkeit wiedergeben. In bevorzugter Ausgestaltung können die Kennfelder weitere Parameter, wie die Temperatur, den Druck und/oder den Drucktaupunkt des Gasgemisches berücksichtigen. In diesem Fall sind geeignete Sensoren an ausgewählten Positionen des Systems, insbesondere wiederum in dem Leitungssystem, angeordnet. Dabei kann der Ultraschallsensor 24 so gestaltet sein, dass er die Strömungsgeschwindigkeit als weitere Messgröße erfasst. Bevorzugt wird dazu ein zweiter Ultraschallsensor in umgekehrter Flussrichtung angeordnet. Besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass auf diese Weise die Volumenstrommessung druckverlustfrei durchgeführt werden kann.
  • In Abhängigkeit des so ermittelten Ist-Gehalts oder Ist-Partialdrucks des Wasserstoffs steuert die Steuereinheit das in der Gasleitung 14 angeordnete Ventil 16 sowie das Gebläse 22 an, um einen gewünschten Soll-Gehalt oder Soll-Partialdruck des Wasserstoffs im Anodenraum der Brennstoffzelle 10 einzuregeln. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle 10 exakt mit der Menge Wasserstoff versorgt werden, die ihrem aktuellen Bedarf entspricht. Demgegenüber wird im Stand der Technik ohne Kenntnis der Gaszusammensetzung, insbesondere ohne Kenntnis des Gehalts oder Partialdrucks des Wasserstoffs, das Gebläse 22 üblicherweise nahe seiner Maximaldrehzahl betrieben. Hierdurch steigt der parasitäre Energieverbrauch durch das Gebläse 22 unnötig stark an und führt im Ergebnis zu einem Verbrauchsanstieg.
  • Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung bei allen Brennstoffzellensystemen Verwendung finden, bei denen Gasgemische mit gasförmigem Wasser und weiteren Komponenten vorliegen. Im Falle der Bestimmung von Wasserstoff im Anodengasgemisch kommt nicht nur eine Wasserstoffversorgung über Wasserstofftanks 12 wie vorliegend dargestellt infrage, sondern auch wasserstoffreiche Synthesegase, die aus Kohlenwasserstoffen in einer vorgeschalteten Stufe gewonnen werden. Darüber hinaus kann die Erfindung auch auf Seite der Kathode Verwendung finden, wobei ein Gasgemisch aus Stickstoff, Sauerstoff und gasförmigem Wasser vorliegt, und hierin insbesondere die Konzentration des Sauerstoffs bestimmt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzelle
    12
    Brennstofftank
    14
    Gasleitung
    16
    Ventil
    18
    Gasleitung
    20
    Gasleitung
    22
    Gasfördereinrichtung / Rezirkulationsgebläse
    24
    Ultraschallsensor
    26
    Steuereinheit
    28
    Kennfelder

Claims (12)

  1. Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts oder Partialdrucks einer Gaskomponente in einem Gasgemisch einer Brennstoffzelle (10), das neben der zu bestimmenden Gaskomponente gasförmiges Wasser und zumindest eine weitere Gaskomponente enthält, wobei - ein Anteil des gasförmigen Wassers des Gasgemischs in Abhängigkeit einer Stromstärke der Brennstoffzelle (10) und/oder eines zugeführten Luftverhältnisses rechnerisch bestimmt wird, - eine Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches erfasst wird und - in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit und unter Berücksichtigung des Anteils des gasförmigen Wassers der Gehalt oder Partialdruck der Gaskomponente ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bestimmende Gaskomponente Wasserstoff in einem anodenseitigen Gasgemisch der Brennstoffzelle (10) ist, das neben Wasserstoff Stickstoff und gasförmiges Wasser enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bestimmenden Gaskomponente Sauerstoff in einem kathodenseitigen Gasgemisch der Brennstoffzelle (10) ist, das neben Sauerstoff Stickstoff und gasförmiges Wasser enthält.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt oder Partialdruck der zu bestimmenden Gaskomponente aus gespeicherten Kennlinien oder Kennfeldern (28) ermittelt wird, welche den Gehalt oder Partialdruck in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit darstellen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Parameter Druck und Temperatur des Gasgemisches erfasst wird und eine Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von dem Druck und/oder der Temperatur berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass druck- und temperaturabhängige Kennfelder (28) verwendet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches innerhalb der Brennstoffzelle (10) erfasst wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches mit mindestens einem Ultraschallsensor erfasst wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellelement (16, 22) zur Regelung eines Soll-Gehalts oder Soll-Partialdrucks der Gaskomponente, insbesondere ein Rezirkulationsgebläse (22), in Abhängigkeit von dem bestimmten Gehalt oder Partialdruck der Gaskomponente angesteuert wird.
  10. Brennstoffzellensystem (10) mit zumindest einer Einzelzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum sowie diesen zugeordnete Gasleitungen (14, 18, 20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum oder zumindest einer der diesen zugeordneten Gasleitungen (14, 18, 20) ein Ultraschallsensor (24) zur Erfassung einer Schallgeschwindigkeit eines dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum zugeführten Gasgemisches angeordnet ist und Mittel (26, 28) vorgesehen sind, welche eingerichtet sind, das Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts oder Partialdrucks einer Gaskomponente in dem Gasgemisch, nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
  11. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (26, 28) gespeicherte Kennlinien oder Kennfelder (28) umfassen, welche den Gehalt oder Partialdruck in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit darstellen.
  12. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung einer Temperatur des Gasgemisches und/oder eines Drucks des Gasgemisches in dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum oder in zumindest einer der diesen zugeordneten Gasleitungen (14, 18, 20) vorgesehen sind und die Mittel (26, 28) zur Bestimmung eines Gehalts oder Partialdrucks der Gaskomponente Kennfelder (28) umfassen, welche den Gehalt oder Partialdruck der Gaskomponente in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder des Drucks darstellen.
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