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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wasserstoffsensors für ein Brennstoffzellensystem, nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens einen Betriebsparameter aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechenden Wasserstoffsensor für ein Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (Stacks) sind als elektrische Energiequellen für mobile Anwendungen in Kraftfahrzeugen grundsätzlich bekannt. Gegenüber insbesondere Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädlichen Abgase beim Betrieb produzieren. Im Stack findet eine kalte Verbrennung vom Wasserstoff durch die Verbindung mit dem Sauerstoff der Luft statt. Dafür wird einer Stack-Anode Wasserstoff zugeführt, während einer Stack-Kathode Luft zugeführt wird. Beim Betrieb der Brennstoffzellen kann gasförmiger Wasserstoff austreten. Dies kann bspw. durch ein Leck in einem Wasserstofftank, durch eine gewollte Spülung einer Anode, durch Beschädigung der Brennstoffzelle, bspw. durch einen Membranenriss oder dergleichen geschehen. Der ausgetretene Wasserstoff kann beim Überschreiten eines kritischen Wertes zur Bildung eines explosiven Gasgemisches führen. Aus diesem Grund ist die Wasserstoffdichtheit der Brennstoffzellen besonders relevant für die Sicherheit und die Lebensdauer der Brennstoffzellen. Unterhalb des kritischen Wertes kann der ausgetretene Wasserstoff durch natürliche Konvektion und/oder Lüftung verdünnt werden.
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Beim Überschreiten des kritischen Wertes müssen unverzüglich die Wasserstoffversorgung abgeschaltet und weitere Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden.
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Deswegen werden in Brennstoffzellensystemen ein oder mehrere Wasserstoffsensoren eingesetzt, um die Wasserstoffkonzentration zu überwachen. Typischerweise wird die Umgebung um den Wasserstofftank, eine Öffnung im oberen Bereich des Wasserstofftanks, die Fahrkabine und/oder das Abgas des Brennstoffzellensystems überwacht. Wasserstoffsensoren weisen allerdings eine hohe Querempfindlichkeit mit den in der Umgebungsluft oder im Abgas von Brennstoffzellen enthaltenen Gasbestandteilen, wie Wasserdampf oder Sauerstoff. Dabei kann das Messsignal eines Wasserstoffsensors durch den Quereinfluss von Wasserdampf oder Sauerstoff um bis zu 2% verunreinigt werden. Die Wasserstoffsensoren müssen jedoch sehr präzise eingestellt werden, denn schon geringe Wasserstoffkonzentration von nur 0,5% gefährlich sein können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wasserstoffsensors für ein Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch vor, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens einen Betriebsparameter aufweist, wobei ein Quereinfluss von Wasserdampf und/oder Sauerstoff bei einem Messwert des Wasserstoffsensors berücksichtigt wird, um den Messwert des Wasserstoffsensors zu bereinigen, und wobei der Quereinfluss von Wasserdampf und/oder Sauerstoff mit Hilfe des Betriebsparameters bestimmt wird. Unter dem Wasserstoffsensor kann erfindungsgemäß ein Wasserstoffkonzentrationssensor verstanden werden. Kalibrieren heißt im Sinne der Erfindung ein Erhöhen der Messgenauigkeit des Wasserstoffsensors. Quereinfluss von einzelnen Größen, die nicht die Messgröße ist, oder mit anderen Worten die Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors heißt erfindungsgemäß die Empfindlichkeit des Wasserstoffsensors auf andere Größen als die zu messende Größe, nämlich die Wasserstoffkonzentration.
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Ferner sieht die Erfindung auch einen entsprechenden Wasserstoffsensor für ein Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch vor. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserstoffsensor und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Der Kern der Erfindung liegt dabei darin, dass mindestens ein interner Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems herangezogen wird, um die Gaszusammensetzung im Messbereich des Wasserstoffsensors zu bestimmen bzw. abzuschätzen. Das Kennen der Gaszusammensetzung kann dann erfindungsgemäß dazu verhelfen, die aktuelle Querempfindlichkeit bzw. den Messfehler des Wasserstoffsensors bei der gegebenen Gaszusammensetzung zu bestimmen und diese Querempfindlichkeit zu berücksichtigen bzw. diesen Messfehler aus dem Messwert des Wasserstoffsensors herauszurechnen. Somit kann der Messwert des Wasserstoffsensors um die bestimmte Querempfindlichkeit bereinigt werden. Folglich kann die Messgenauigkeit des Wasserstoffsensors deutlich erhöht werden. Außerdem können dadurch die Fertigungstoleranzen eines Wasserstoffsensors aufgeweitet werden, wodurch die Sensorkosten gesenkt werden können.
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Ferner kann die Erfindung vorsehen, dass der Betriebsparameter empirisch und/oder analytisch bestimmt werden kann. Als Betriebsparameter kommen dabei ein Massenstrom einer dem Brennstoffzellensystem zuführenden Luft (Zuluft), ein im Brennstoffzellensystem gewonnene elektrischer Strom, eine aktuelle Umgebungsfeuchte bzw. Wasserdampfmenge, eine Kondensationsmenge im Abgas, eine Temperatur in und außerhalb des Brennstoffzellensystems und/oder dergleichen in Frage. Durch eine empirische Bestimmung der Betriebsparameter kann der Vorteil erreicht werden, dass die anderen Größen als die zu messende Größe, die den Messwert beeinflussen können, wie z. B. die Konzentration von Wasserdampf und/oder Sauerstoff, durch eine direkte Messung direkt gemessen werden können. Dies erlaubt eine präzise Bestimmung der Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors und somit eine erhebliche Erhöhung der Genauigkeit des Messwertes. Durch eine analytische Bestimmung der Betriebsparameter kann wiederum der Vorteil erreicht werden, dass keine zusätzlichen Sensoren im Brennstoffzellensystem installiert werden müssen und lediglich die ohnehin vorhandenen Sensoren und deren Messergebnisse herangezogen werden, um die Messgenauigkeit des Wasserstoffsensors zu erhöhen. Dabei kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Reaktion in der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von den verwendeten Reaktanten und ggf. der aktuellen Umgebungsbedingungen eine prognostizierbare Gaszusammensetzung ergibt. Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass diejenigen Betriebsparameter empirisch bestimmt bzw. gemessen werden, die ohnehin im Brennstoffzellensystem überwacht werden, wie z. B. der gewonnene Strom oder der Massenstrom der Zuluft, und andere Betriebsparameter, dessen Überwachung im Brennstoffzellensystem nicht vorgesehen ist, wie z. B. die Konzentration von Wasserdampf und/oder Sauerstoff, analytisch bestimmt bzw. berechnet werden. Somit kann vorteilhafterweise ein flexibles kombiniertes Verfahren zum Kalibrieren des Wasserstoffsensors geschaffen werden, welches die Topologie des Brennstoffzellensystems und die vorhandenen Sensoren im Brennstoffzellensystem berücksichtigen kann.
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Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass mit Hilfe des Betriebsparameters eine Gaszusammensetzung in einer Kathodenleitung des Brennstoffzellensystems ermittelt wird, um eine Konzentration an Wasserdampf und/oder Sauerstoff zu bestimmen. Das Kennen der Gaszusammensetzung in der Nähe des Wasserstoffsensors erlaubt es vorteilhafterweise die genaue Konzentration an den Größen zu bestimmen, die den Messwert verunreinigen können, also die Konzentration an Wasserdampf und/oder Sauerstoff. Erfindungsgemäß können diese Daten helfen, die entsprechende Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors zu ermitteln. Hierzu können vorher aufgenommene Kennlinien herangezogen werden, die für unterschiedliche Umgebungsbedingungen und verschiedene Konzentrationen von Wasserdampf und/oder Sauerstoff einen entsprechenden Quereinfluss von Wasserdampf und/oder Sauerstoff auf den Messwert des Wasserstoffsensors angeben können.
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Erfindungsgemäß kann der Betriebsparameter ein aus dem Brennstoffzellensystem gewonnener elektrischer Strom und/oder eine Konzentration an Wasserdampf und/oder Sauerstoff in einer Kathodenleitung des Brennstoffzellensystems sein. Solche Betriebsparameter können vorteilhafterweise leicht und mit einfachen Mitteln gemessen bzw. berechnet werden. Der gewonnene elektrische Strom wird im Brennstoffzellensystem ohnehin überwacht, sodass keine zusätzlichen Sensoren hierzu notwendig sind. Sensoren für eine Konzentration an Wasserdampf und/oder Sauerstoff in einer Kathodenleitung sind entweder im Brennstoffzellensystem vorhanden oder können leicht installiert werden, wobei solche Sensoren kostengünstige Bauteile, insbesondere im Vergleich zum Wasserstoffsensor, darstellen.
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Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen Schritt aufweisen:
- a) Aufzeichnen mehrerer Kennlinien vor Ingebrauchnahme des Wasserstoffsensors, die einen Messwert des Wasserstoffsensors in Abhängigkeit vom Betriebsparameter beschreiben.
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Somit kann der verwendete Wasserstoffsensor zunächst, bspw. vor Inbetriebnahme im Brennstoffzellensystem, vermessen werden. Hierzu kann bspw. innerhalb der Fertigungsabfolge eine Kennlinienschar bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, wie Wasserdampf- und/oder Sauerstoffgehalt bzw. -konzentration und dergleichen aufgezeichnet werden, die den Messwert des Wasserstoffsensors abhängig von einer tatsächlichen Wasserstoff-Konzentration beschreiben. Somit kann voreilhafterweise ein Vergleichsfeld für die Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors abhängig von den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen geschaffen werden, die als Betriebsparameter der Brennstoffzellensystems dienen können. Diese Kennlinien müssen dabei nicht zwingend vollständig an jedem einzelnen gefertigten Sensor individuell ermittelt werden. Vielmehr kann eine vollständige Kennlinienschar an einer reduzierten Auswahl von Einzelsensoren ermittelt werden, die für weitere zu fertigende Exemplare z. B. innerhalb derselben Fertigungslinie bzw. Fertigungstoleranz repräsentativ sein kann. Individuelle Abgleich-Messungen an jedem einzelnen gefertigten Sensor können sich dann vorteilhafterweise auf eine reduzierte Anzahl von Umgebungsparametern beschränken. Aus den repräsentativen und/oder individuellen Messdaten kann vorteilhafterweise ein Verhaltensmodell für jeden beliebigen Sensor abgeleitet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei analytische oder auch empirische Anteile aufweisen, z. B. Rechenvorschriften kombiniert mit entsprechenden Messdaten.
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Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
- b) Bestimmen der Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors in Abhängigkeit vom Betriebsparameter.
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Dabei kann vorteilhafterweise aus dem im Schritt a) aufgezeichneten Kennlinienschar ein Verhältnis zwischen den einzelnen Werten der Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors und des Betriebsparameters abgeleitet werden. Somit kann vorteilhafterweise der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems als variable Größe angesehen werden, die die Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors beeinflusst. Somit kann die Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors als eine Funktion des Betriebsparameters dargestellt werden, wobei jedem Wert des Betriebsparameters ein bestimmter Wert der Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors zugeordnet wird. Mithin kann der Vorteil erreicht werden, dass durch Messen und/oder Berechnen des Betriebsparameters auf die Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors geschlossen werden kann, welche erfindungsgemäß zum Bereinigen des Messwertes des Wasserstoffsensors dient.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
- c) Bereinigen des Messwertes des Wasserstoffsensors im Betrieb des Brennstoffzellensystems, um die im Schritt b) bestimmte Querempfindlichkeit mit Hilfe des aktuell bestimmten Betriebsparameters.
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Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass die Querempfindlichkeit des Wasserstoffsensors aus dem Messwert des Wasserstoffsensors herausgerechnet werden kann. Somit kann der Wasserstoffsensor kalibriert werden bzw. der Messwert des Wasserstoffsensors kann bereinigt werden.
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Ferner ist die Erfindung auch auf einen Wasserstoffsensor für ein Brennstoffzellensystem gerichtet, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens einen Betriebsparameter aufweist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wasserstoffsensor eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Quereinfluss von Wasserdampf und/oder Sauerstoff bei einem Messwert des Wasserstoffsensors zu berücksichtigen, um den Messwert des Wasserstoffsensors zu bereinigen, wobei der Quereinfluss von Wasserdampf und/oder Sauerstoff mit Hilfe des Betriebsparameters bestimmbar ist. Vorteilhafterweise kann der Wasserstoffsensor somit lernfähig ausgestaltet werden, um den Messwert in Abhängigkeit von den Begebenheiten im Brennstoffzellensystem anzupassen bzw. zu aktualisieren. Außerdem werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wasserstoffsensors dieselben Vorteile erreicht, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, wobei hierbei vollumfänglich darauf Bezug genommen wird.
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Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass der Wasserstoffsensor eine Kommunikationseinheit aufweisen kann, um den aktuellen Betriebsparameters abzufragen. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass der Wasserstoffsensor mit dem Brennstoffzellensystem und den darin vorhandenen Sensoren in Echtzeit kommunizieren kann, um stets aktuelle Betriebsparameter für den Messwert zu berücksichtigen.
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Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass der Wasserstoffsensor einen Speicher aufweisen kann, in welchem mehrere Kennlinien speicherbar sein können, die den Messwert des Wasserstoffsensors in Abhängigkeit vom Betriebsparameter beschreiben können. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass der Wasserstoffsensor autonom arbeiten und sich adaptiv an die aktuellen Begebenheiten im Brennstoffzellensystem einstellen kann.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und dessen Weiterbildungen sowie dessen Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlleitung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche technische Merkmale stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
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Die 1 zeigt dabei ein Brennstoffzellensystem 100 am Beispiel einer Brennstoffzelle im Stack, die eine Anode 1, eine Membran 2 und eine Kathode 3 aufweist. In der Brennstoffzelle 1 findet eine kalte Verbrennung von Wasserstoff statt. Dabei wird der Kathode 3 der Brennstoffzelle 1 über eine Kathodenleitung 10 Kathodenluft, bspw. gefilterte Umgebungsluft, zugeführt.
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Die Abbildung von nur einer Brennstoffzelle 1 ist dabei rein beispielhaft und soll lediglich zu einem einfacheren Verständnis der Erfindung dienen, wobei es selbstverständlich denkbar ist, dass das Brennstoffzellensystem 100 mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 1 aufweisen bzw. als ein Brennstoffzellen-Stack ausgebildet sein kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 eignet sich dabei für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, sowie für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder als Notstromversorgung.
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Die Kathodenleitung 10 weist dabei am Eingang einen Kompressor 11 auf, der dafür sorgt, dass ausreichend Luft zur Kathode 3 der Brennstoffzelle 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 12 ist vorgesehen, um eine verdichtete Luft bspw. Umgebungsluft nach Durchgang des Kompressors 11 auf eine geeignete Temperatur abzukühlen. Ein Befeuchter 13 sorgt dafür, dass unverbrauchte Luft zurück an die Kathode 3 geschickt wird. Mit Hilfe einer Turbine 14, bspw. in Form eines Saugers, kann ein geeigneter Druck in der Kathodenleitung 10 eingestellt werden.
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Die 1 zeigt einen Wasserstoffsensor 15 am Ende der Kathodenleitung 10. Denkbar wäre jedoch im Sinne der Erfindung, dass noch mehr erfindungsgemäße Wasserstoffsensoren 15 an unterschiedlichen Stellen im und angrenzend an das Brennstoffzellensystem 100 eingesetzt werden können. Mit Hilfe des Wasserstoffsensors 15 wird die Abluft des Brennstoffzellensystems 100 nach Wasserstoffkonzentration untersucht. Wasserstoff kann funktionsbedingt in die Abluft gelangen, z. B. bei einer Befüllung der Anode 1, bei konsequenter Entleerung der vorhandenen Luft im Startfall oder beim Purgen einer Anodenleitung im Normalbetrieb, um die Stickstoff-Konzentration in der Anode 1 abzusenken. Ferner kann eine rasch ansteigende Wasserstoffkonzentration an dieser Stelle ein Zeichen auf eine Beschädigung der Brennstoffzelle, z. B. durch einen Riss der Membrane 2, mit einem konsequenten Wasserstoff-Eintrag in die Abluft sein.
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Der erfindungsgemäße Wasserstoffsensor 15 kann als ein Wärmeleitfähigkeits-Wasserstoffsensor ausgebildet sein. Wärmeleitfähigkeitssensoren weisen grundsätzlich eine Querempfindlichkeit Δ mit den in der Umgebungsluft oder in der Abluft von Brennstoffzellen enthaltenen Gasbestandteilen, wie z. B. Wasserdampf oder Sauerstoff, auf. Die 2 zeigt dabei schematisch einen Quereinfluss von Wasserdampf auf den Wasserstoffsensor 15. Ein solcher Wärmeleitfähigkeits-Wasserstoffsensor umfasst im Kern ein Heizelement, das einen möglichst guten Wärmeübergang zu einem zu messenden Gasgemisch aufweist, das aber ansonsten möglichst wärmeisoliert gegenüber den restlichen Strukturen des Wasserstoffsensors 15 befestigt ist. Das Heizelement kann dabei z. B. in Form eines dünnen Platindrahts oder in Form von Heizwiderständen auf einer dünnen Silizium(-Oxid-)Membran ausgebildet sein. Das Heizelement heizt das zu messende Gasgemisch zumindest in direkter Umgebung mit Hilfe einer bekannten Heizleistung Ph auf eine ebenso bekannte bzw. gemessene Temperatur Th auf. Abhängig von der Gaszusammensetzung und abhängig von der als konstant anzunehmenden Sensorgeometrie bzw. der im Sensor verwendeten Werkstoffe stellt sich nun ein Wärmestrom Q ~ Ph/(Th – Tchp) vom Heizer zu den ebenfalls an das zu messende Gas angrenzenden Strukturen mit der Temperatur Tchp ein. Diese angrenzenden Strukturen können z. B. das Grundmaterial eines Siliziumchips sein, der als Träger einer Membran mit dem Heizer fungiert. Die in der 2 gezeigten Kurvenverläufe hängen stark von der Sensor-Geometrie und von den darin verwendeten Materialien ab und sind deshalb nur schematisch dargestellt. Unabhängig von solchen Details zeigt sich eine klare Abhängigkeit zwischen Wärmestrom und der zu messenden Wasserstoffkonzentration, wobei der Messwert des Wasserstoffsensors 15 durch den Wasserdampf-Quereinfluss (d. h. Querempfindlichkeit Δ des Wasserstoffsensors 15 auf Wasserdampf) typischerweise um bis zu 2 vol% „maskiert” wird.
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Die anhand der 2 beschriebene Querempfindlichkeit Δ des Wasserstoffsensors 15 wird erfindungsgemäß im Messwert berücksichtigt, um die Messgenauigkeit des Wasserstoffsensors 15 zu erhöhen. Gemäß der Erfindung werden hierzu Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 100 berücksichtigt, um eine Gaszusammensetzung der Abluft zu bestimmen, und um dieses Wissen zur Verbesserung der Sensor-Messgenauigkeit einzusetzen. Dabei helfen die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 100 die Querempfindlichkeiten Δ des Wasserstoffsensors 15 zu bestimmen. Der erfindungsgemäße Wasserstoffsensor 15 kann folglich mit einer höheren Fertigungstoleranz hergestellt werden, was eine positive Auswirkung auf die Sensorkosten aufweist.
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Der Sauerstoffanteil
von unverbrauchter Luft in der Kathodenleitung
10 ist nahezu konstant und beträgt ca. 0,21, sodass der Sauerstoff-Molenstrom wie folgt berechnet werden kann:
mit
als der Massenstrom trockener Luft und
als die Molarmasse trockener Luft.
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Ähnlich beträgt der Stickstoffanteil
ca. 0,79, so dass der Stickstoff-Molenstrom wie folgt berechnet werden kann:
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Der Sauerstoff-Verbrauch und die Wasser-Produktion im Brennstoffzellensystem
100 lassen sich unmittelbar aus dem gewonnenen elektrischen Strom I
Stack durch die Faraday-Gleichung bestimmen:
mit I
Stack als der Brennstoffzellenstrom, n
Zellen als die Anzahl von Brennstoffzellen und F = 96485,339 C/mol als die Faraday-Konstante.
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Die gesamte Wasser-Menge in der Abluft ergibt sich aus der Feuchte der angesaugten Umgebungsluft
und dem der Brennstoffzelle
1 hinzugefügtem Produktwasser
aus dem Befeuchter
13, wie es in der
1 gezeigt ist. Die durch einen Befeuchter
13 hinzugefügte Feuchte
wird der Abluft wieder entnommen und muss deswegen nicht betrachtet werden. Der Wasser-Molenstrom
in der Abluft ist daher:
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Die Dampfmenge in der Abluft
ist höchstens so hoch wie die in der Formel (V) bestimmte Wasser-Menge bzw. bestimmter Wasser-Molenstrom
d. h.
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Der Abluft-Molenstrom ist:
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Falls kein Kondensat in der Abluft vorhanden ist, entspricht die Dampfmenge
in der Abluft der Wassermenge
d. h. dem Wasser-Molenstrom aus der Formel (V).
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Durch Ersetzen von den Variablen aus den Formeln (I) bis (V) in die Formel (VIII) ergibt sich:
und somit
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Der Wasser-Molenstrom aus der Umgebungsfeuchte
sowie der Wasserstoff-Molenstrom in der Abluft
sind um mindestens zwei Größenordnungen geringer als der Molenstrom vom Stickstoff sowie Sauerstoff, und können deswegen zunächst vernachlässigt werden.
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Der Anteil ṅ an Sauerstoff und an Dampf in der Abluft kann somit wie folgt bestimmt werden:
und kann durch bekannte (
n
Zellen, F) bzw. gemessene
I
Stack) Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems
100 bestimmt und für die Erhöhung der Genauigkeit der gemessenen Wasserstoff-Konzentration durch den Wasserstoffsensor
15 eingesetzt werden.
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Dazu kann der Wasserstoffsensor
15 erfindungsgemäß in einem ersten Schritt a) vermessen werden, indem innerhalb der Fertigungsabfolge eine Kennlinienschar, ähnlich denen aus der
2, für einen Wärmestrom abhängig von den bekannten
n
Zellen, F), berechneten
und gemessenen (
I
Stack) Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems
100 aufgezeichnet wird. Die Kennlinienschar kann in einem Speicher im Wasserstoffsensor
15 hinterlegt werden. In einem zweiten Schritt b) werden die Querempfindlichkeiten Δ des Wasserstoffsensors
15 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebsparameter bestimmt. Schließlich werden im Schritt c) die im Betrieb gemessenen Wärmeströme möglichst für alle Betriebsparameter (die bekannten (
n
Zellen, F), die berechneten
und die gemessenen (
I
Stack)) anhand der Kennlinienschar um die aus den im Schritt b) ermittelten Querempfindlichkeiten Δ bereinigt. Erfindungsgemäß kann die erfindungsgemäße Messdatenbereinigung im Wasserstoffsensor
15 selbst, in einer eigenen Steuereinheit oder einem zentralen Steuergerät des Brennstoffzellensystems
100 erfolgen, je nachdem wo die Informationen über die einzelnen Betriebsparameter vorliegen. Die Konzentrationen des Sauerstoffes bzw. des Dampfes am Abgas können alternativ zur Berechnung gemäß den Formeln (X) und (XI) direkt durch entsprechende Sensoren gemessen werden. Eine Messung der Umgebungsfeuchte bzw. -dampfmenge sowie die Bestimmung der Kondensationsmenge im Abgas ist bspw. durch eine Betrachtung einer Übersteigung des Sättigungsdampfdruckes möglich. Durch die Messung der Umgebungsfeuchte bzw. -dampfmenge kann die Genauigkeit der Messung der Wasserstoffkonzentration durch den Wasserstoffsensor
15 noch weiter verbessert werden.
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Die voranstehende Beschreibung der 1 und 2 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
als der Massenstrom trockener Luft und
als die Molarmasse trockener Luft.
in der Abluft ist daher:
d. h.
d. h. dem Wasser-Molenstrom aus der Formel (V).
sind um mindestens zwei Größenordnungen geringer als der Molenstrom vom Stickstoff sowie Sauerstoff, und können deswegen zunächst vernachlässigt werden.
nZellen, F) bzw. gemessene
IStack) Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems
und gemessenen (
IStack) Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems
und die gemessenen (
IStack)) anhand der Kennlinienschar um die aus den im Schritt b) ermittelten Querempfindlichkeiten Δ bereinigt. Erfindungsgemäß kann die erfindungsgemäße Messdatenbereinigung im Wasserstoffsensor