DE102016201265A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch eine Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemisch - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch einen Anodenraum (12) oder Kathodenraum (13) einer Brennstoffzelle (10) rezirkulierend geförderten Gasgemisch, wobei die Förderung durch eine nach dem Verdrängerprinzip funktionierende Fördereinrichtung (26) erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem (100). Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente in Abhängigkeit von Geometrieparametern (V, ξ) und Betriebsparametern (n, U, I) der Fördereinrichtung (26) sowie von thermodynamischen Zustandsgrößen (p, T) des Gasgemischs. Somit kann die gesuchte Zielgröße, beispielsweise ein Wasserstoffanteil eines Anodengases, aus ohnehin bekannten oder gemessenen Größen in einfacher und robuster Weise ermittelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch einen Anodenraum oder Kathodenraum einer Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemisch, wobei die Förderung durch eine nach dem Verdrängerprinzip funktionierende Fördereinrichtung erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem.
  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2H+ + 2e–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O2 + 2e– → O2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2– + 2H+ → H2O).
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle wird das Anodenbetriebsmedium, also der Brennstoff, im stöchiometrischen Überschuss bezüglich des erzeugten elektrischen Stroms zugeführt. Aus diesem Grund enthält das die Brennstoffzelle verlassende Anodenabgas noch erhebliche Mengen des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Um diesen nicht ungenutzt aus dem System zu entlassen, wird das Anodenabgas üblicherweise über eine Rezirkulationsleitung in das frische Anodenbetriebsmedium zurückgeführt. Aufgrund von Diffusionsprozessen durch die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle gelangen jedoch Stickstoff und Wasser von der Kathodenseite in die Anodenräume der Brennstoffzelle, sodass eine Anreicherung dieser Fremdkomponenten im Anodengas erfolgt. Aus diesem Grund werden die Anodenräume von Zeit zu Zeit mit reinem Brennstoff gespült und das „gealterte“ Anodengas aus dem System abgelassen. Die Steuerung der Rezirkulationsrate als auch der Spülvorgänge erfordert die Kenntnis sowohl des die Anodenräume durchströmenden und/oder des rezirkulierten Volumenstroms als auch des Stickstoffgehalts beziehungsweise des Wasserstoffgehalts im Anodenbetriebsmedium. Hierbei soll möglichst auf Sensoren verzichtet werden, sodass diese Größen mittels Modellen bestimmt werden müssen. Dies erfordert die kombinierte Verwendung zweier Modelle. Eine Schwierigkeit besteht dabei hierin, dass in das Modell zur Bestimmung des Volumenstroms zumindest mittelbar die unbekannte Stickstoff- beziehungsweise Wasserstoffkonzentration eingeht und umgekehrt in dem Modell zur Bestimmung der Stickstoff- beziehungsweise Wasserstoffkonzentration der unbekannte Volumenstrom einfließt.
  • Eine Vorgehensweise zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und des Rezirkulationsvolumenstroms des Anodengases ist in DE 10 2009 019 836 A1 beschrieben. In diesem Verfahren werden das Kennfeld eines Rezirkulationsgebläses und die Druckverlustkennlinie des Brennstoffzellenstapels verwendet. In einem iterativen Prozess wird zunächst ein willkürlicher Wert für die Wasserstoffkonzentration festgelegt und in Abhängigkeit von diesem ein Zwischenwert für den Rezirkulationsvolumenstrom bestimmt. In Abhängigkeit von dem Zwischenwert des Volumenstroms wird ein Zwischenwert für die Wasserstoffkonzentration berechnet und diese Schritte so oft wiederholt, bis der modellierte Zwischenwert für die Wasserstoffkonzentration nicht mehr signifikant von demjenigen des vorhergehenden Zyklus abweicht. Das Verfahren beinhaltet ein komplexes Brennstoffzellen- sowie Seitenstrahlgebläsemodell und vermag keine Veränderungen des Systems zu berücksichtigen.
  • Unabhängig davon, auf welche Modelle beziehungsweise Kennfelder das Verfahren zur Bestimmung der zwei unbekannten Betriebsparameter zugreift, ist ein Problem darin zu sehen, dass Kennfelder von Komponenten sich über die Lebensdauer der Komponente verändern oder die Auswirkungen von Fertigungstoleranzen auf die Kennfelder nicht berücksichtigt werden. Beispielsweise weichen Druckverluste von Brennstoffzellenstapeln oder von Rezirkulationsgebläsen aufgrund Fertigungstoleranzen voneinander ab und ändern sich über die Lebenszeit der Komponenten aufgrund von Alterung. Diese Änderungen beziehungsweise Abweichungen führen zu Modellfehlern und somit zu ungenauen Ermittlungen der unbekannten Zielgrößen. Zudem sind bekannte Modelle sehr komplex und erfordern zum Teil zusätzliche Messgrößen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und robustes Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente beziehungsweise der Zusammensetzung eines mittels einer nach dem Verdrängerprinzip funktionierenden Fördereinrichtung durch einen Anoden- oder Kathodenraum einer Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemischs zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente in Abhängigkeit von Geometrieparametern und Betriebsparametern der Fördereinrichtung sowie von thermodynamischen Zustandsgrößen (p, T) des Gasgemischs erfolgt. Bei all diesen Parametern beziehungsweise Zustandsgrößen handelt es sich um ohnehin bekannte Daten oder Größen, die ohnehin in heutigen Brennstoffzellensystemen erfasst werden. Somit erlaubt das Verfahren eine hinreichend genaue Bestimmung beispielsweise der Zusammensetzung des rezirkulierten Anodenbetriebsgases, ausschließlich auf der Basis vorhandener/bekannter Größen und sehr einfacher Modelle.
  • In einer bevorzugten Ausführung umfassen die Geometrieparameter der Fördereinrichtung ein von dieser zwischen einem Gehäuse und einem Läufer eingeschlossenes und damit förderbares Volumen sowie der konstruktiv bedingten Spaltverluste, welche das geförderte Volumen reduzieren. In einer Ausführung umfassen die Betriebsparameter der Fördereinrichtung ihre Drehzahl, ihre Spannung sowie ihren Strom. Aus den beiden letztgenannten Parametern kann die elektrische Leistungsaufnahme bestimmt werden. In einer weiteren Ausführung umfassen die thermodynamischen Zustandsgrößen des Gasgemischs seinen Druck sowie seine Temperatur, insbesondere den Druck und die Temperatur am Eingang der Fördereinrichtung und den Druck und die Temperatur am Ausgang der Fördereinrichtung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines pro Umdrehung der Fördereinrichtung verdrängten Volumens, welches vorzugsweise als Funktion des von der Fördereinrichtung eingeschlossenen Volumens als Geometrieparameter und der Drehzahl als Betriebsparameter der Fördereinrichtung bestimmt wird. So kann in erster Näherung ein von der Fördereinrichtung geförderter Volumenstrom als Produkt aus eingeschlossenem Volumen und Drehzahl bestimmt werden.
  • Gemäß einer Weiterentwicklung wird das pro Umdrehung der Fördereinrichtung verdrängte Volumen ferner als Funktion des Spaltverlusts der Fördereinrichtung ermittelt. Der Spaltverlust kann dabei aus einem Kennfeld der Fördereinrichtung in Abhängigkeit eines Differenzdrucks über die Fördereinrichtung bestimmt werden. Zwar hängt der Spaltverlust auch geringfügig von der Gaszusammensetzung ab, jedoch kann er Spaltverlust mit sehr guter Näherung als linear zu dem Differenzdruck aufgefasst werden, sodass zur Berücksichtigung des Spaltverlusts lediglich ein konstanter Faktor hinterlegt werden muss. Durch die Berücksichtigung des Spaltverlusts wird die Genauigkeit der Ermittlung des pro Umdrehung der Fördereinrichtung verdrängten Volumens verbessert werden.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines durch die Fördereinrichtung geförderten Volumenstroms, der in Abhängigkeit eines von der Fördereinrichtung eingeschlossenen Volumens, einer Drehzahl und eines Spaltverlusts der Fördereinrichtung ermittelt wird. So kann der geförderte Volumenstrom ausschließlich bekannter Parameter ermittelt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente in Abhängigkeit einer elektrischen Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung und/oder einer in Form von Volumenarbeit geleisteten Leistungsabgabe der Fördereinrichtung. Die elektrische Leistungsaufnahme kann dabei in einfacher Weise als Funktion einer Spannung und eines Stroms der Fördereinrichtung bestimmt werden. Durch die elektrische Leistungsaufnahme und die Leistungsabgabe der Fördereinrichtung stehen einfach ermittelbare Vergleichsgrößen zur Verfügung, die unabhängig voneinander bestimmt und insbesondere im Rahmen eines iterativen Verfahren miteinander verglichen werden können.
  • Vorzugsweise wird die in Form von Volumenarbeit erfolgende Leistungsabgabe der Fördereinrichtung als Funktion eines von der Fördereinrichtung geförderten Volumenstroms bestimmt, welcher wiederum auf der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt werden kann.
  • Eine spezielle Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst folgende Schritte:
    • – Ermitteln einer erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung oder einer erwarteten Leistungsabgabe in Form von Volumenarbeit der Fördereinrichtung, jeweils für einen angenommenen Gehalt der Gaskomponente oder einer hiermit korrelierenden Größe (zum Beispiel der Gasdichte);
    • – Ermitteln einer tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme und/oder basierend auf dieser einer tatsächlichen (in Form von Volumenarbeit erfolgten) Leistungsabgabe der Fördereinrichtung;
    • – Vergleich der erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme oder der erwarteten Leistungsabgabe mit der tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme oder der tatsächlichen Leistungsabgabe; und
    • – Korrektur des Gehalts der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden verglichenen Leistungen.
  • Die erwartete Leistungsabgabe im ersten Schritt kann in Abhängigkeit von Geometrieparametern der Fördereinrichtung sowie von thermodynamischen Zustandsgrößen des Gasgemischs erfolgen, insbesondere in Abhängigkeit von dem Volumenstrom. Die erwartete elektrische Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung im ersten Schritt kann aus der erwarteten Leistungsabgabe und dem Gesamtwirkungsgrad der Fördereinrichtung ermittelt werden. Die Ermittlung der erwarteten Leistungsaufnahme oder -abgabe erfolgt jeweils für einen angenommenen Gehalt der Gaskomponente (oder einer hiermit korrelierenden Größe). Die tatsächliche elektrische Leistungsaufnahme im zweiten Schritt kann aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom ermittelt werden und die tatsächliche Leistungsabgabe (Wellenleistung) der Fördereinrichtung über den Gesamtwirkungsgrad der Fördereinrichtung aus der tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme bestimmt werden.
  • Mit anderen Worten wird einerseits eine erwartete Leistung der Fördereinrichtung in Abhängigkeit von dem angenommenen Gehalt der Gaskomponente oder einer hiermit korrelierenden Größe (also einem Startwert) und andererseits eine tatsächliche Leistung der Fördereinrichtung basierend auf elektrischen Betriebsparametern ermittelt. Auf diese Weise können auf unabhängige Weise jeweils zwei vergleichbare Kenngrößen ermittelt werden, aus deren Differenz eine Bestätigung oder aber eine Korrektur des angenommenen Gehalts der Gaskomponente erfolgt.
  • Vorzugsweise wird der Vergleich mit dem korrigierten Wert für den Gehalt der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe iteriert, bis die tatsächliche elektrische Leistungsaufnahme oder -abgabe mit der erwarteten Leistungsaufnahme oder -abgabe hinreichend übereinstimmt.
  • Noch eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle, in dem der Gehalt der Gaskomponente oder die Gaszusammensetzung hinreichend bekannt ist, eine Überprüfung und gegebenenfalls Korrektur eines im Verfahren verwendeten Modells und/oder Kennfelds durchgeführt wird. Beispielsweise sind nach einem Start der Brennstoffzelle oder nach einem längeren Stillstand die Gaszusammensetzung und damit die Gasdichte hinreichend bekannt und können als Ausgangpunkt für die Kalibrierung verwendet werden. Dabei können wiederum auf die zuvor beschriebene Weise die Leistungsparameter bestimmt und miteinander verglichen werden. In Abhängigkeit der Größe der Abweichung zwischen den beiden miteinander verglichenen Leistungsparametern der Fördereinrichtung kann entweder eine Kalibrierung/Anpassung erfolgen oder aber auch ein Fehler der Fördereinrichtung festgestellt werden, wenn die Abweichung zu groß wird.
  • Die Korrektur des Modells kann etwa eine Neubestimmung einer in einem Rechenmodell verwendeten Modellkonstante umfassen oder eine Korrektur einer Kennlinie, welche im Verfahren herangezogen wird. Eine solche Kennlinienkorrektur kann etwa eine Offset-Verschiebung und/oder eine veränderte Steigung oder dergleichen umfassen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem rezirkulierten Gasgemisch um ein durch den Anodenraum der Brennstoffzelle gefördertes Anodenbetriebsgas. Insbesondere handelt es sich bei dem Gehalt der Gaskomponente um den Brennstoffgehalt (zum Beispiel Wasserstoffgehalt) oder Stickstoffgehalt in dem Anodenbetriebsgas. Die Kenntnis des Stickstoff- oder Brennstoffgehalts in den Anodenräumen der Brennstoffzelle dient insbesondere zur Steuerung einer Anodengasrezirkulation, beispielsweise zur Steuerung des Fördermittels und/oder eines Spülventils, um Spülvorgänge aufgrund einer zu starken Stickstoffanreicherung durchzuführen. Der Begriff „Gehalt“ umfasst vorliegend jegliche Größe, die das quantitative Vorliegen der betrachteten Komponente im Gasgemisch beschreibt, beispielsweise Volumenanteil, Massenanteil, Stoffmengenanteil, Partialdruck, volumen- oder massenbezogene Konzentration etc.
  • Gemäß einer Ausführung umfasst das Verfahren ferner die Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von dem Gehalt der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe. Dabei kann die Steuerung insbesondere zur Steuerung der Anodengasrezirkulation innerhalb einer Anodenversorgung der Brennstoffzelle erfolgen. Dieses kann die Steuerung der Fördereinrichtung oder eines Spülventils einer Anodengasspülleitung umfassen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle, wobei das Brennstoffzellensystem eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch einen Anodenraum oder Kathodenraum der Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemischs auszuführen. Zu diesem Zweck kann das System insbesondere eine Steuereinrichtung umfassen, in der entsprechende computerlesbare Algorithmen gespeichert vorliegen. Daneben kann die Steuereinrichtung auch die zur Ausführung notwendigen Modelle, Kennfelder etc. beinhalten.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein solches Brennstoffzellensystem aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung,
  • 2 ein Fließschema eines Verfahrens zur Bestimmung eines Wasserstoff- und/oder Stickstoffgehalts in einem durch den Anodenraum der Brennstoffzelle aus 1 rezirkulierend geförderten Gasgemisch gemäß einer Ausführung der Erfindung und
  • 3 ein Fließschema eines Verfahrens zur Korrektur/Kalibrierung eines in dem Verfahren aus 2 verwendeten Modells.
  • 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10 (vorliegend auch nur als Brennstoffzelle bezeichnet), der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran oder einen anderen Festelektrolyten aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 der Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
  • Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
  • Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26 angeordnet, mit welcher ein rezirkulierter Volumenstrom einstellbar ist. Ferner ist der Anodenabgaspfad 22 mit einer Spülleitung 27 verbunden, die im dargestellten Beispiel in einen Kathodenabgaspfad 32 mündet, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden. In alternativer Ausführung kann die Spülleitung 27 auch in die Umgebung münden. Ein Spülventil 28, das im vorliegenden Beispiel mit einem Wasserabscheider kombiniert ist, ermöglicht einerseits den Ablass des Anodenabgases über die Spülleitung 27 und andererseits die Abscheidung kondensierten Wassers.
  • Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 (hier gemeinsam mit dem Anodenabgas) abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt.
  • Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
  • Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 27, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können. Sämtliche Stellmittel des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner einen Befeuchter 39 aufweisen. Der Befeuchter 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
  • Auch in dem Kathodenabgaspfad 32 kann ein Wasserabscheider verbaut sein, insbesondere stromauf der Turbine 36, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten.
  • Üblicherweise wird im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10 das Anodenbetriebsgas, hier beispielsweise Wasserstoff, mit einem stöchiometrischen Überschuss gegenüber dem erzeugten elektrischen Strom betrieben. Somit enthält das über den Anodenabgaspfad 22 den Brennstoffzellenstapel 10 verlassende Anodenabgas erhebliche Mengen Wasserstoff, die im Normalbetrieb über die Rezirkulationsleitung 25 durch die Fördereinrichtung 26, die vorliegend als Verdrängermaschine ausgebildet ist, in den Anodenversorgungspfad 21 eingespeist und somit rezirkuliert werden. Da jedoch über die Membran der Membran-Elektroden-Anordnung 14 Stickstoff und Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion aus den Kathodenräumen 13 in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 diffundieren, reichern sich diese Komponenten im Anodengas an mit der Folge eines abnehmenden Gehalts an Wasserstoff und eines zunehmenden Gehalts an Stickstoff. Aus diesem Grund wird, wenn der Stickstoffgehalt zu hoch beziehungsweise der Wasserstoffgehalt zu niedrig wird, das Spülventil 28 geöffnet und die Anodenräume 12 mit purem Wasserstoff aus dem Brennstofftank 23 gespült.
  • Zur Steuerung des Spülventils 28, der Rezirkulationsfördereinrichtung 26 sowie auch anderer Komponenten des Systems 100 umfasst das Brennstoffzellensystem 100 aus 1 ferner eine Steuereinrichtung 50, in die verschiedene Messparameter eingehen. Zum Zweck der Rezirkulationssteuerung umfasst die Steuereinrichtung 50 einen gespeicherten und computerlesbaren Algorithmus zur Bestimmung des Gehalts von Brennstoff, hier Wasserstoff yH2, in dem durch die Anodenräume 12 der einer Brennstoffzelle 10 rezirkulierend geförderten Anodengases. Zum selben Zweck gehen in die Steuereinrichtung 50 Betriebsparameter der Fördereinrichtung 26 ein, nämlich ihre Drehzahl n, ihre Spannung U und ihr Strom I. Zudem werden durch geeignete Sensoren thermodynamische Zustandsgrößen des rezirkulierten Gasgemischs gemessen und an die Steuereinrichtung 50 geliefert. Diese umfassen eine Eingangstemperatur T1 und eine Ausgangstemperatur T2 sowie einen Eingangsdruck p1 und einen Ausgangsdruck p2 des Gasgemischs, welche stromauf beziehungsweise stromab von der Fördereinrichtung 26 erfasst werden. Zudem enthält die Steuereinrichtung 50 Informationen über verschiedene Geometrieparameter der Fördereinrichtung 26, nämlich einem von dieser eingeschlossenes Volumen V sowie Informationen über einen vom Differenzdruck ∆p über der Fördereinrichtung 26 abhängigen Spaltverlust ξ. In Abhängigkeit von dem ermittelten Gehalt von Wasserstoff (oder Stickstoff) in dem rezirkulierten Gasgemisch steuert die Steuereinrichtung 50 das Spülventil 28 und die Fördereinrichtung 26 entsprechend an.
  • Ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung des Gehalts von Wasserstoff (oder Stickstoff) in dem rezirkulierten Gasgemisch wird in einem Ausführungsbeispiel anhand des Fließschemas in 2 erläutert.
  • Das Verfahren startet beispielsweise mit dem Start des Brennstoffzellensystems 100 nach einem Fahrzeughalt. In S1 wird ein Startwert für den Gehalt der zu bestimmenden Gaskomponente oder der Gaszusammensetzung angenommen, beispielsweise für den Wasserstoffgehalt yH2, den Stickstoffgehalt yN2 oder die Gasdichte ρgas des Anodengases. Da diese Größen ineinander umrechenbar sind, kommt es nicht darauf an, welche dieser Größen als Ausgangspunkt gewählt wird. Beispielsweise wird unmittelbar nach einem Start des Brennstoffzellensystems 100, der Wasserstoffgehalt als 100 % gesetzt (yH2 = 1,0), woraus sich für den Stickstoffanteil ein Wert von 0 % ergibt (yN2 = 0,0) und die Gasdichte ρgas der von Wasserstoff entspricht.
  • Im anschließenden Schritt S2 werden die aktuellen Werte für die Drehzahl n, die Spannung U und den Strom I der Fördereinrichtung 26, sowie Eingangs- und Ausgangsdruck p1 und p2 und Eingangs- und Ausgangstemperatur T1 und T2 eingelesen.
  • In Schritt S3 erfolgt eine Berechnung des von der Fördereinrichtung 26 geförderten Volumenstroms V . als Funktion des von der Fördereinrichtung zwischen den Läufern und dem Gehäuse derselben eingeschlossenen Volumens V, der Drehzahl n sowie des Spaltverlusts ξ. Dabei ergibt sich der Volumenstrom aus dem Produkt des eingeschlossenen Volumens V und der Drehzahl n abzüglich des Spaltverlusts ξ (Gleichung 1). Letzterer ist abhängig von dem Differenzdruck ∆p = p2 – p1 über die Fördereinrichtung 26 und kann in guter Näherung als Produkt aus ∆p und einem Geometriefaktor a der Fördereinrichtung 26 dargestellt werden (Gleichung 2), sodass sich der Volumenstrom V . aus Geometrie- und Betriebsparametern der Fördereinrichtung 26 und dem Differenzdruck ∆p gemäß Gleichung 3 ergibt. V . = V·n – ξ (1) ξ = f(Δp) = a·Δp (2) V . = V·n – a·Δp (3)
  • In Schritt S4 wird gemäß Gleichung 4 die elektrische Leistungsaufnahme Pel der Fördereinrichtung 26 aus dem Produkt der gemessenen Spannung U und Stromstärke I bestimmt. Die so bestimmte elektrische Leistungsaufnahme entspricht der tatsächlichen Leistungsaufnahme Pel,ist. Pel = U·I (4)
  • In Schritt S5 wird die für die angenommene Gasdichte ρGas erwartete Ausgangsleistung PV bestimmt, welche die Fördereinrichtung 26 in Form von Volumenarbeit (Kompressionsarbeit, „Arbeit am Gas“) leistet. Die Ausgangsleistung PV kann gemäß Gleichung 5 als Produkt des Massenstroms ṁ und der Differenz der spezifischen Enthalpie ∆h des Gases am Eingang und am Ausgang der Fördereinrichtung 26 ausgedrückt werden. Unter Einsatz der Definition der Dichte gemäß Gleichung 6 ergibt sich die Ausgangsleistung PV gemäß Gleichung 7 in Abhängigkeit von der in S1 angenommen Gasdichte ρGas, dem in S3 bestimmten Volumenstrom V . sowie der polytropen Enthalpiedifferenz ∆h, die sich gemäß den Gleichungen 8 und 9 aus dem Eingangs- und Ausgangdruck p1 und p2 und der Eingangs- und Ausgangstemperatur T1 und T2 ergibt. R ist die allgemeine Gaskonstante (R = 8,314 J/(mol·K)).
    Figure DE102016201265A1_0002
  • Im Schritt S6 wird dann gemäß Gleichung 10 aus der in S4 bestimmten elektrischen Leistungsaufnahme Pel und einem mechanischen Wirkungsgrad ηmech der Fördereinrichtung 26, der einem Kennfeld in Abhängigkeit von dem Differenzdruck ∆p entnommen wird, und dem elektrischen Wirkungsgrad ηel der Fördereinrichtung 26 die Ausgangsleistung PW (Wellenleistung) bestimmt. PW = Pel·ηmech·ηel (10)
  • Im Schritt S7 erfolgt sodann ein Abgleich, in welchem die für die angenommene Gasdichte ρGas erwartete Ausgangsleistung PV aus S5 mit der Ausgangsleistung PW verglichen wird. Insbesondere wird überprüft, ob der Betrag der Differenz ∆P der beiden (signifikant) von Null abweicht, wobei eine gewisse Toleranz berücksichtigt wird. Ist dies der Fall, das heißt, die in Abhängigkeit der angenommenen Gasdichte ρGas erwartete Ausgangsleistung PV weicht signifikant von der aus der elektrischen Leistungsaufnahme Pel ermittelten Wellenleistung PW ab, wird die Abfrage in S7 bejaht und geht zu Schritt S8 weiter. In S8 wird die Gasdichte ρGas in Abhängigkeit von der Differenzleistung ∆P unter Verwendung der vorstehenden Gleichungen neu bestimmt. Von S8 geht das Verfahren zurück zu Schritt S5, in dem die erwartete Ausgangsleistung PV unter Verwendung der neu bestimmten Gasdichte ρGas erneut berechnet wird und in S7 einem erneuten Abgleich mit der Ausgangsleistung PW unterzogen wird.
  • Wird die Abfrage in S7 verneint, das heißt, die in Abhängigkeit der Gasdichte ρGas erwartete Ausgangsleistung PV stimmt hinreichend mit der aus der elektrischen Leistungsaufnahme Pel zu erwartenden Ausgangsleistung PW überein, so bedeutet dies, dass die zuletzt zugrunde gelegte Gasdichte ρGas der tatsächlichen Dichte des rezirkulierten Gasgemischs entspricht. In diesem Fall geht das Verfahren zu Schritt S9 weiter, wo der Gehalt an Wasserstoff yH2 berechnet wird. Hierfür wird von Gleichung 11 ausgegangen, wonach die Gasdichte ρGas des Gasgemischs der Summe der Produkte aller Anteile der Gaskomponenten im Gasgemisch und ihrer Dichten entspricht, wobei gemäß Gleichung 12 die Summe der Anteile sämtlicher Gaskomponenten gleich 1 ist. Aufgelöst nach dem Gehalt an Wasserstoff yH2 ergibt sich Gleichung 13.
    Figure DE102016201265A1_0003
  • Unter der Annahme, dass das Gasgemisch mit Wasserdampf gesättigt ist, das heißt, die relative Feuchtigkeit 100 % beträgt, wird der Wassergehalt yH2O einer im Modell hinterlegten Tafel entnommen. (Alternativ kann der Wassergehalt yH2O als eine modellbasierte Größe aus den Betriebsbedingungen abgeleitet werden.) Ebenso sind die Dichten von Wasserstoff, Wasserdampf und Stickstoff im Modell in Abhängigkeit von Druck und Temperatur hinterlegt, sodass in die Berechnung allein die zuvor bestimmte Gasdichte ρGas als Eingangsgröße eingeht.
  • Es versteht sich, dass anstelle des Vergleichs der Ausgangsleistungen in Schritt S7 auch die entsprechenden Eingangsleistungen miteinander verglichen werden können, das heißt, die in S4 bestimmte aktuelle Eingangsleistung Pel und die aus der in S5 ermittelten erwarteten Ausgangsleitung PV unter Anwendung der Wirkungsgrade ηmech(∆p) und ηel ermittelte, zu erwartende elektrische Eingangsleistung. Ferner lassen sich anstelle des Wasserstoffgehalts oder zusätzlich hierzu auch der Stickstoffgehalt bestimmen.
  • Das Modell hat, solange der Gesamtwirkungsgrad ηges der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine 26 konstant bleibt, eine hinreichende Genauigkeit. In der Praxis kann es jedoch über die Lebensdauer der Fördereinrichtung zu einer Veränderung ihres Gesamtwirkungsgrads ηges kommen, insbesondere wenn sich der mechanische Wirkungsgrad ηmech ändert. Der Gesamtwirkungsgrad ηges setzt sich gemäß Gleichung 14 aus der Summe des elektrischen Wirkungsgrads ηel, des thermodynamischen Wirkungsgrads ηther und des mechanischen Wirkungsgrads ηmech zusammen, wobei sich der thermodynamische Wirkungsgrad ηther gemäß Gleichung 15 in Abhängigkeit von der isentropen Enthalpiedifferenz ∆hisen und der polytropen Enthalpiedifferenz ∆hpoly über die Fördereinrichtung 26 ergibt.
    Figure DE102016201265A1_0004
  • Das Verfahren ermöglicht nun ferner, eine Überprüfung und gegebenenfalls Korrektur des im Verfahren verwendeten Modells und/oder der Kennfelder sowie eine Diagnose der Fördereinrichtung 26 durchzuführen. Ein entsprechendes Verfahren wird anhand von 3 in einem Ausführungsbeispiel erläutert.
  • Das Diagnose- und Kalibrierverfahren gemäß 3 startet in Schritt S1, in einem Betriebspunkt, in dem die Gaszusammensetzung und damit die Gasdichte ρGas hinreichend bekannt ist. Dies ist beispielsweise unmittelbar nach einem Start der Brennstoffzelle 10 der Fall, wenn nämlich das Anodenbetriebsgas zu 100 % aus Wasserstoff besteht, oder nach einer längeren Abstellphase, wenn aufgrund von Diffusionsprozessen von einer reinen Luftatmosphäre in den Anodenräumen 12 ausgegangen werden kann.
  • Es schließen die Schritte S2 bis S6 an, die denen aus 2 entsprechen und im Einzelnen nicht noch einmal erläutert werden.
  • Anders als in 2 wird jedoch die Leistungsdifferenz ∆P zwischen der in Abhängigkeit von der Gasdichte ρGas erwarteten Ausgangsleistung PV aus S5 und der basierend auf der elektrischen Leistungsaufnahme Pel ermittelten Ausgangsleistung PW mit Grenzwerten G1 und G2 verglichen. So wird in der Abfrage S10 zunächst gefragt, ob die ermittelte Leistungsdifferenz ∆P oberhalb eines ersten Grenzwerts G1 liegt. Ist dies nicht der Fall, ist die Kalibrierung des Systems in Ordnung und die verwendeten Modelle und Kennfelder, insbesondere die Wirkungsgradabhängigkeit in S6, sind hinreichend genau. In diesem Fall endet das Verfahren in Schritt S11.
  • Wird in S10 anderseits festgestellt, dass die Leistungsdifferenz ∆P den ersten Grenzwert G1 überschreitet, wird in der nächsten Abfrage in S12 untersucht, ob ∆P im Bereich zwischen dem ersten Grenzwert G1 und einem zweiten, höheren Grenzwert G2 liegt. Ist dies der Fall, ist die Abweichung noch in einem akzeptablen Bereich, erfordert jedoch eine Kalibrierung des verwendeten Modells, insbesondere des Gesamtwirkungsgrads ηges. Dieses erfolgt im Schritt S13.
  • Wird die Abfrage in S12 jedoch verneint, das heißt, ∆P liegt oberhalb von G2, geht das Verfahren zu Schritt S14 weiter. Beispielsweise kann eine zu große Abweichung auf einen mechanischen Lagerschaden der Fördereinrichtung 26 hinweisen, die zu einer drastischen Verschlechterung des mechanischen Wirkungsgrads ηmech und damit des Gesamtwirkungsgrads ηges geführt hat. In diesem Fall ist eine Kalibrierung des Systems nicht mehr möglich und es wird ein Fehler festgestellt, der beispielsweise in einem Fehlerspeicher des Fahrzeugs gespeichert wird und/oder als Fehlermeldung optisch oder akustisch angezeigt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzellensystem
    10
    Brennstoffzellenstapel/Brennstoffzelle
    11
    Einzelzelle
    12
    Anodenraum
    13
    Kathodenraum
    14
    Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
    15
    Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
    20
    Anodenversorgung
    21
    Anodenversorgungspfad
    22
    Anodenabgaspfad
    23
    Brennstofftank
    24
    Stellmittel
    25
    Rezirkulationsleitung
    26
    Rezirkulationsfördereinrichtung/Verdrängermaschine
    27
    Spülleitung
    28
    Spülventil
    30
    Kathodenversorgung
    31
    Kathodenversorgungspfad
    32
    Kathodenabgaspfad
    33
    Verdichter
    34
    Elektromotor
    35
    Leistungselektronik
    36
    Turbine
    37
    Wastegate-Leitung
    38
    Stellmittel
    39
    Befeuchter
    50
    Steuereinrichtung
    V .
    Volumenstrom
    V
    eingeschlossenes Volumen der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    ξ
    Spaltverlust
    a
    Spaltverlustfaktor
    n
    Drehzahl der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    U
    Spannung der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    I
    Strom der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    T1
    Temperatur des Gasgemischs am Eingang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    T2
    Temperatur des Gasgemischs am Ausgang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    p1
    Druck am Eingang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    p2
    Druck am Ausgang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    ∆p
    Differenzdruck über Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    Pel
    elektrische Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    PV
    erwartete aufgrund Volumenarbeit am Gasgemisch gelieferte Ausgangsleistung der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine (bestimmt aus Gasdichte)
    PW
    tatsächliche aufgrund Volumenarbeit am Gasgemisch gelieferte Ausgangsleistung/Wellenleistung der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine (bestimmt aus elektrischer Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad)
    ṁ
    Massenstrom
    ∆h
    spezifische Enthalpiedifferenz
    R
    allgemeine Gaskonstante, R = 8,314 J/(K mol)
    ηGes
    Gesamtwirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    ηel
    elektrischer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    ηth
    thermodynamischer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    ηmech
    mechanischer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
    ρ
    Dichte
    ρGas
    Dichte des Gasgemischs
    yH2
    Gehalt/Partialdruck/Stoffmengenanteil von Wasserstoff im Gasgemisch
    yN2
    Gehalt/Partialdruck/Stoffmengenanteil von Stickstoff im Gasgemisch
    yH2O
    Gehalt/Partialdruck/Stoffmengenanteil von Wasserdampf im Gasgemisch
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009019836 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente (yH2) in einem durch einen Anodenraum (12) oder Kathodenraum (13) einer Brennstoffzelle (10) rezirkulierend geförderten Gasgemisch, wobei die Förderung durch eine nach dem Verdrängerprinzip funktionierende Fördereinrichtung (26) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente in Abhängigkeit von Geometrieparametern (V, ξ) und Betriebsparametern (n, U, I) der Fördereinrichtung (26) sowie von thermodynamischen Zustandsgrößen (p, T) des Gasgemischs erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines pro Umdrehung der Fördereinrichtung geförderten Volumens erfolgt, welches vorzugsweise als Funktion des von der Fördereinrichtung (26) eingeschlossenen Volumens (V) und der Drehzahl (n) der Fördereinrichtung (26) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das pro Umdrehung der Fördereinrichtung geförderte Volumen ferner als Funktion eines Spaltverlusts (ξ) der Fördereinrichtung (26) bestimmt wird, der vorzugsweise in Abhängigkeit eines Differenzdrucks (∆p) über die Fördereinrichtung (26) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines durch die Fördereinrichtung (26) geförderten Volumenstroms (V .) erfolgt, der in Abhängigkeit eines von der Fördereinrichtung (26) eingeschlossenen Volumens (V), einer Drehzahl (n) und eines Spaltverlusts (ξ) der Fördereinrichtung (26) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion einer elektrischen Leistungsaufnahme (Pel) und/oder einer in Form von Volumenarbeit geleisteten elektrischen Leistungsabgabe (PV) der der Fördereinrichtung (26) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsabgabe (PV) als Funktion eines von der Fördereinrichtung (26) geförderten Volumenstroms (V .) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, umfassend die Schritte; – Ermitteln einer erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung (26) oder einer erwarteten Leistungsabgabe (PV) der Fördereinrichtung (26) in Form von Volumenarbeit, jeweils für einen angenommenen Gehalt (yH2) der Gaskomponente oder einer hiermit korrelierenden Größe (ρgas); – Ermitteln einer tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme (Pel) und/oder basierend auf dieser einen tatsächlichen Leistungsabgabe (PW) der Fördereinrichtung; – Vergleich der erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme oder der erwarteten Leistungsabgabe (PV) mit der tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme (Pel) oder der tatsächlichen Leistungsabgabe (PW); und – Korrektur des Gehalts (yH2) der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe (ρgas) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden verglichenen Leistungen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich mit dem korrigierten Wert für die Gaszusammensetzung iteriert wird, bis die tatsächliche elektrische Leistungsaufnahme (Pel) oder die tatsächliche Leistungsabgabe (PW) mit der erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme oder der erwarteten Leistungsabgabe (PV) hinreichend übereinstimmt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle (10), in dem der Gehalt der Gaskomponente (yH2) oder die Gaszusammensetzung hinreichend bekannt ist, eine Überprüfung und gegebenenfalls Korrektur eines im Verfahren verwendeten Modells und/oder Kennfelds durchgeführt wird.
  10. Brennstoffzellensystem (100) umfassend eine Brennstoffzelle (10), wobei das Brennstoffzellensystem (100) eingerichtet ist, ein Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente (yH2) in einem durch einen Anodenraum (12) oder Kathodenraum (13) der Brennstoffzelle (10) rezirkulierend geförderten Gasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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