DE102019218339A1 - Method for determining the anode gas composition - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung (6b) eines Brennstoffzellensystems (2), umfassend die Schritte eines Aussendens (40) eines Ultraschallpulses (8) durch und/oder entlang einer mit einem Anodengas befüllten Anodengasrückführleitung (6b) mittels eines Sendemittels (12), eines Detektierens (42) des ausgesendeten Ultraschallpulses (8) mittels eines Detektionsmittels (14), eines Ermittelns (44) der Zeit zwischen Aussenden (40) und Detektieren (42) des Ultraschallpulses (8) mittels einer Verarbeitungseinheit (16) sowie eines Bestimmens (46) der Anodengaszusammensetzung auf Basis der ermittelten Zeit (t) zwischen Aussenden (40) und Detektieren (42) des Ultraschallpulses (8) mittels einer Auswerteeinheit (18).Method for determining the anode gas composition within the anode gas return line (6b) of a fuel cell system (2), comprising the steps of emitting (40) an ultrasonic pulse (8) through and / or along an anode gas return line (6b) filled with an anode gas by means of a transmitter (12) , detecting (42) the emitted ultrasonic pulse (8) by means of a detection means (14), determining (44) the time between emission (40) and detecting (42) the ultrasonic pulse (8) by means of a processing unit (16) and determining (46) the anode gas composition based on the determined time (t) between emission (40) and detection (42) of the ultrasonic pulse (8) by means of an evaluation unit (18).

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs, einer Vorrichtung nach Gattung des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs.The present invention is based on a method according to the class of the independent method claim, a device according to the class of the independent device claim and a system according to the class of the independent system claim.

Stand der TechnikState of the art

In heutigen Brennstoffzellensystemen wird im Anodenkreis das aus dem Rücklauf des Brennstoffzellenstacks kommende Anodengas rezirkuliert. Das Anodengas wird hierbei gängiger Weise aus der Anodengasrückführleitung über einen Wasserabscheider, eine Rezirkulationspumpe und eine Strahlpumpe oder dergleichen zurückgefördert und zusammen mit Frischwasserstoff erneut dem Brennstoffzellenstack zugeführt. Da im Betrieb einer Brennstoffzelle fortlaufend Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert und sich dort anreichert, muss für die ausreichende Bereitstellung an rezirkuliertem Wasserstoff in regelmäßigen Abständen Stickstoff über ein Purge-Ventil abgelassen werden, da ansonsten bei gleichbleibender Förderleistung der Rezirkulationspumpe eine fortlaufend geringere Wasserstoffmenge zurückgefördert werden würde. Bei Kenntnis der aktuellen Wasserstoffkonzentration des Anodengases kann in gewissen Bereichen auch die Pumpleistung an die aktuelle Wasserstoffkonzentration angepasst werden, um eine konstante Wasserstoffversorgung zu gewährleisten. So muss bspw. bei steigender Stickstoffkonzentration innerhalb des Anodengases die Pumpleistung erhöht werden, um die zugeführte Wasserstoffmenge konstant zu halten. Der aktuelle Wasserstoff- und Stickstoffgehalt im Anodenpfad wird hierbei in der Regel jedoch lediglich abgeschätzt und üblicherweise nicht gemessen, was eine beträchtliche Ungenauigkeit mit sich bringt. Insbesondere die Wasserstoff- und Wasserunverträglichkeit von üblichen Sensoren stellt hierbei eine besondere Herausforderung hinsichtlich exakterer Messungen der aktuellen Anodengaszusammensetzung dar, da lediglich besondere kostenintensive Sensortypen zu diesem Zwecke geeignet sind. So wird in den meisten bekannten Systemen der Wasserstoff- und Stickstoffgehalt im Anodenpfad lediglich anhand von Messungen des Drucks und der Temperatur abgeschätzt.In today's fuel cell systems, the anode gas coming from the return of the fuel cell stack is recirculated in the anode circuit. In this case, the anode gas is usually conveyed back from the anode gas return line via a water separator, a recirculation pump and a jet pump or the like and fed back to the fuel cell stack together with fresh hydrogen. Since nitrogen continuously diffuses from the cathode side to the anode side when a fuel cell is in operation and accumulates there, nitrogen must be drained off at regular intervals via a purge valve in order to provide sufficient recirculated hydrogen, otherwise the flow rate of the recirculation pump will continue to decrease would be funded back. If the current hydrogen concentration of the anode gas is known, the pump output can also be adapted to the current hydrogen concentration in certain areas in order to ensure a constant hydrogen supply. For example, when the nitrogen concentration within the anode gas rises, the pump output must be increased in order to keep the amount of hydrogen supplied constant. However, the current hydrogen and nitrogen content in the anode path is usually only estimated and usually not measured, which results in considerable inaccuracy. In particular, the hydrogen and water incompatibility of conventional sensors represents a particular challenge with regard to more precise measurements of the current anode gas composition, since only special, cost-intensive types of sensors are suitable for this purpose. In most known systems, for example, the hydrogen and nitrogen content in the anode path is only estimated on the basis of measurements of the pressure and the temperature.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs und gemäß einem zweiten Aspekt eine Messanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie gemäß einem dritten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Messanordnung sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den jeweils einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.According to a first aspect, the subject matter of the invention is a method with the features of the independent method claim and, according to a second aspect, a measuring arrangement with the features of the independent device claim and, according to a third aspect, a fuel cell system with the features of the independent system claim. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the measuring arrangement according to the invention and the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure, reference is or can always be made to the respective individual aspects of the invention .

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengaszuführleitung eines Brennstoffzellensystems ist insbesondere darin zu sehen, dass lediglich über die Messung der benötigten Zeit eines Ultraschallpulses für eine bekannte Strecke durch das Anodengas eine Wasserstoff- bzw. Stickstoffkonzentration innerhalb des Anodengases bestimmt werden kann. Die Kenntnis der exakten Wasserstoff- bzw. Stickstoffkonzentration kann insbesondere zur genauen Einstellung der Leistung einer Rezirkulationspumpe für die Gewährleistung eines exakt definierbaren Wasserstoffangebots in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden. Außerdem kann mit Kenntnis der exakten Stickstoffkonzentration bzw. Wasserstoffkonzentration im Anodengas die Purge-Strategie verbessert werden, sodass weniger Wasserstoff verschwendet wird. Hierdurch wird nicht nur ein Wasserstoffverbrauchsvorteil erzielt, sondern durch die Kenntnis der Wasserstoff-Konzentration im Anodengas auch eine Verbesserung der Sicherheit im Hinblick auf die Verwendung von Wasserstoff erzielt. Die gegenständliche Bestimmung der Anodengaszusammensetzung mittels der Detektion eines Ultraschallpulses und die damit verbundene Möglichkeit der Verwendung von Ultraschallsensoren eröffnet zudem die Verwendung kostengünstiger Sensoren, die nicht innerhalb eines Anodengasleitungssystems angeordnet sein müssen und demnach auch nicht Wasserstoff- oder wasserverträglich ausgebildet sein müssen.The advantage of the method according to the invention for determining the anode gas composition within the anode gas supply line of a fuel cell system is to be seen in the fact that a hydrogen or nitrogen concentration within the anode gas can only be determined by measuring the time required for an ultrasonic pulse for a known distance through the anode gas. The knowledge of the exact hydrogen or nitrogen concentration can in particular be used for the exact setting of the performance of a recirculation pump to ensure an exactly definable hydrogen supply in a fuel cell. In addition, with knowledge of the exact nitrogen concentration or hydrogen concentration in the anode gas, the purge strategy can be improved so that less hydrogen is wasted. This not only achieves an advantage in terms of hydrogen consumption, but also improves the safety with regard to the use of hydrogen through the knowledge of the hydrogen concentration in the anode gas. The objective determination of the anode gas composition by means of the detection of an ultrasonic pulse and the associated possibility of using ultrasonic sensors also opens up the use of inexpensive sensors that do not have to be arranged within an anode gas line system and therefore do not have to be hydrogen or water compatible.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengaszuführleitung eines Brennstoffzellensystems kann insbesondere in Brennstoffzellen von Kraftfahrzeugen, wie Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen zum Einsatz kommen. Ebenfalls denkbar ist zudem der Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Gabelstaplern, Kränen, Schiffen oder Flugobjekten. Ebenso ist ein Einsatz in stationären Systemen vorstellbar.The method according to the invention for determining the anode gas composition within the anode gas supply line of a fuel cell system can be used in particular in fuel cells of motor vehicles, such as passenger cars or trucks. It is also conceivable that it can be used in other fuel cell-operated means of transport, such as forklifts, cranes, ships or flying objects. Use in stationary systems is also conceivable.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierbei die Schritte eines Aussendens eines Ultraschallpulses durch und/oder entlang einer mit einem Anodengas befüllten Anodengaszuführleitung mittels eines Sendemittels, eines Detektierens des ausgesendeten Ultraschallpulses mittels eines Detektionsmittels, eines Ermittelns der Zeit zwischen Aussenden und Detektieren des Ultraschallpulses mittels einer Verarbeitungseinheit sowie eines Bestimmens der Anodengaszusammensetzung auf Basis der ermittelten Zeit zwischen dem Aussenden und Detektieren des Ultraschallpulses mittels einer Auswerteeinheit.The method according to the invention here comprises the steps of transmitting an ultrasonic pulse through and / or along an anode gas supply line filled with an anode gas by means of a transmission means, a detection of the emitted ultrasonic pulse by means of a detection means, a determination of the time between emission and detection of the ultrasound pulse by means of a processing unit and a determination of the anode gas composition on the basis of the determined time between the emission and detection of the ultrasound pulse by means of an evaluation unit.

Unter einem Aussenden von Ultraschallpulsen wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Aussenden von Schallwellen im Ultraschallbereich in zeitlich begrenzten Portionen verstanden. Die zeitliche Länge der Pulse kann hierbei stark variieren, bspw. von Pikosekunden bis hin zu Sekunden. Unter einem Ultraschallbereich wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Energiebereich von 16 kHz bis 1010 Hz verstanden.In the context of the invention, the transmission of ultrasonic pulses is understood to mean, in particular, the transmission of sound waves in the ultrasonic range in time-limited portions. The duration of the pulses can vary greatly, for example from picoseconds to seconds. In the context of the invention, an ultrasonic range is understood to mean in particular an energy range from 16 kHz to 10 10 Hz.

Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass mithilfe der Bestimmung der Geschwindigkeit eines Ultraschallpulses innerhalb einer mit einem Anodengas gefüllten Anodengasrückführleitung auf einfache und kostengünstige Weise auf die Zusammensetzung des Anodengases geschlossen werden kann. Dies erlaubt nicht nur eine kompakte und kostengünstige Anordnung des Sende- und Detektionsmittels, sondern auch die Verwendung eines kostengünstigen Sende- und Detektionsmittels. Eine exakte Bestimmung des Stickstoff- und Wasserstoffgehalts innerhalb einer Anodengasrückführleitung erlaubt zudem einen effektiven Betrieb einer Rezirkulationspumpe sowie eine gezielte Abführung von innerhalb der Anodengasrückführleitung angeordneten Stickstoffs mittels eines Purge-Ventils, was den Verbrauch von Wasserstoff minimiert.In the context of the invention, it has been recognized that the determination of the speed of an ultrasound pulse within an anode gas return line filled with an anode gas can be used to infer the composition of the anode gas in a simple and inexpensive manner. This allows not only a compact and inexpensive arrangement of the transmission and detection means, but also the use of an inexpensive transmission and detection means. An exact determination of the nitrogen and hydrogen content within an anode gas return line also allows an effective operation of a recirculation pump as well as a targeted removal of nitrogen arranged within the anode gas return line by means of a purge valve, which minimizes the consumption of hydrogen.

Im Hinblick auf eine besonders exakte und zuverlässige Bestimmung der Anodengaszusammensetzung kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass die Bestimmung der Anodengaszusammensetzung eine Erfassung des aktuellen Drucks und/oder der aktuellen Temperatur innerhalb der Anodengasrückführleitung umfasst, wobei der aktuelle Druck und/oder die aktuelle Temperatur innerhalb der Anodengasrückführleitung vorzugsweise mittels separater Erfassungseinheiten erfasst wird, wobei die Erfassungseinheiten insbesondere in Form eines Drucksensors und/oder eines Temperatursensors gebildet sind. Eine zusätzliche Erfassung des aktuellen Drucks und/oder der aktuellen Temperatur innerhalb der Anodengasrückführleitung ist hierbei insbesondere nützlich, da die Geschwindigkeit mit der sich Schallwellen in einem Medium ausbreiten, von dem innerhalb des Messbereichs herrschenden Druck- und der innerhalb des Messbereichs herrschenden Temperatur abhängt, insbesondere mit steigender Temperatur zunimmt und mit steigendem Druck abnimmt.With regard to a particularly exact and reliable determination of the anode gas composition, it can be provided according to the invention in particular that the determination of the anode gas composition includes a detection of the current pressure and / or the current temperature within the anode gas return line, the current pressure and / or the current temperature within the Anode gas return line is preferably detected by means of separate detection units, the detection units being in particular in the form of a pressure sensor and / or a temperature sensor. An additional detection of the current pressure and / or the current temperature within the anode gas return line is particularly useful here, since the speed at which sound waves propagate in a medium depends on the pressure prevailing within the measuring range and the temperature prevailing within the measuring range, in particular increases with increasing temperature and decreases with increasing pressure.

Ferner ist es im Hinblick auf eine besonders exakte und zuverlässige Bestimmung der Anodengaszusammensetzung ebenfalls vorteilhaft, wenn die Bestimmung der Anodengaszusammensetzung eine Ermittlung der Wasserdampf-Konzentration innerhalb der Anodengasrückführleitung umfasst, wobei die Ermittlung der Wasserdampf-Konzentration vorzugsweise unter Verwendung der Magnus-Gleichung und/oder der Antoine-Gleichung erfolgt. Die Wasserdampfkonzentration hat hier ebenfalls einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit, sodass auch dieser Einfluss vorteilhafter Weise berücksichtigt werden kann. Die Ermittlung der Wasserdampf-Konzentration unter Verwendung der Magnus-Gleichung und/oder der Antoine-Gleichung ermöglicht hierbei insbesondere eine besonders einfache und unaufwändige Möglichkeit der Bestimmung der aktuellen Wasserdampf-Konzentration, die für eine Bestimmung der Anodengaszusammensetzung eine hinreichend genaue Ermittlung der betreffenden Konzentration liefert.Furthermore, with regard to a particularly exact and reliable determination of the anode gas composition, it is also advantageous if the determination of the anode gas composition includes a determination of the water vapor concentration within the anode gas return line, the determination of the water vapor concentration preferably using the Magnus equation and / or the Antoine equation takes place. The water vapor concentration here also has an influence on the speed of sound, so that this influence can also be taken into account in an advantageous manner. The determination of the water vapor concentration using the Magnus equation and / or the Antoine equation enables in particular a particularly simple and inexpensive way of determining the current water vapor concentration, which provides a sufficiently precise determination of the relevant concentration for a determination of the anode gas composition .

Im Rahmen einer schnellen und exakten Bestimmung einer Anodengaszusammensetzung innerhalb einer Anodengasrückführleitung, die gleichzeitig eine möglichst kompakte Anordnung erlaubt, kann gegenständlich insbesondere vorgesehen sein, dass die während der Zeit zwischen dem Aussenden und dem Detektieren zurückgelegte Strecke des Ultraschallpulses das Doppelte des Querschnitts der Anodengasrückführleitung im Messbereich beträgt, wobei der Ultraschallpuls nach dem Aussenden und vor dem Detektieren vorzugsweise mittels eines Reflexionsmittels reflektiert wird. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Wasserstoff- bzw. Stickstoffkonzentration hierbei auf Basis der Laufzeit eines Ultraschallpulses für die Strecke vom Sendemittel zum vorzugsweise auf der gegenüberliegenden Seite der Anodengasrückführleitung angeordneten Reflexionsmittel und zurück zum Sendemittel, wobei das Sendemittel hierzu vorteilhafter Weise ebenfalls als Detektionsmittel ausgebildet sein kann.As part of a quick and exact determination of an anode gas composition within an anode gas return line, which at the same time allows an arrangement that is as compact as possible, it can be specifically provided that the distance covered by the ultrasonic pulse during the time between emission and detection is twice the cross-section of the anode gas return line in the measurement area is, wherein the ultrasound pulse is preferably reflected by means of a reflection means after the emission and before the detection. The hydrogen or nitrogen concentration is preferably determined on the basis of the transit time of an ultrasound pulse for the distance from the transmission means to the reflection means, which is preferably arranged on the opposite side of the anode gas return line, and back to the transmission means, whereby the transmission means can advantageously also be designed as a detection means for this purpose.

Zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung kann das innerhalb der Anodengasrückführleitung angeordnete Gasgemisch zudem vorzugsweise näherungsweise als ideales Gas angesehen werden. So kann mithilfe der bekannten Strecke s und der ermittelten Zeit t, die Geschwindigkeit eines Ultraschallpulses nach v = s/t ermittelt werden. Durch die Annahme, dass sich das innerhalb der Anodengasrückführleitung angeordnete Gasgemisch wie ein ideales Gas verhält, ist die Schallgeschwindigkeit bei bekannter Temperatur gemäß der Gleichung c = (κ·R·T)1/2, mit c = Schallgeschwindigkeit, κ = Isentropenexponent (für ein ideales Gas konstant), R = spezifische Gaskonstante und T = Temperatur, nur noch von der spezifischen Gaskonstante R abhängig, die sich aus der jeweiligen Zusammensetzung des Gases ergibt. Hierbei gilt für die spezifische Gaskonstante des Anodengases:

  • RAnodengas= XH2·RH2+ XN2·RN2+ XH2O·RH2O, wobei XH2, XN2 und XH2O die betreffenden Molenanteile von Wasserstoff, Stickstoff und Wasser innerhalb des Anodengases sind, die sich gemäß XH2 + XN2 + XH2O = 1 zu 1 aufsummieren und RH2, RN2 und RH2O die spezifischen Gaskonstanten der Komponenten Wasserstoff, Stickstoff und Wasser darstellen. Da die spezifischen Gaskonstanten somit nur von der molaren Masse eines jeden einzelnen Gases abhängen, kann über die Laufzeit eines Ultraschallpulses direkt auf die Wasserstoff- bzw. Stickstoffkonzentration rückgeschlossen werden.
To determine the anode gas composition, the gas mixture arranged within the anode gas return line can also preferably be regarded as an approximately ideal gas. With the help of the known distance s and the determined time t, the speed of an ultrasonic pulse can be determined according to v = s / t. By assuming that the gas mixture arranged within the anode gas return line behaves like an ideal gas, the speed of sound at a known temperature is according to the equation c = (κRT) 1/2 , with c = speed of sound, κ = isentropic exponent (for an ideal gas constant), R = specific gas constant and T = temperature, only dependent on the specific gas constant R, which results from the respective composition of the Gas results. The following applies to the specific gas constant of the anode gas:
  • R anode gas = X H2 · R H2 + X N2 · R N2 + X H2O · R H2O , where X H2 , X N2 and X H2O are the respective mole fractions of hydrogen, nitrogen and water within the anode gas, which are according to X H2 + Add up X N2 + X H2O = 1 to 1 and R H2 , R N2 and R H2O represent the specific gas constants of the components hydrogen, nitrogen and water. Since the specific gas constants therefore only depend on the molar mass of each individual gas, conclusions can be drawn directly about the hydrogen or nitrogen concentration via the transit time of an ultrasonic pulse.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Messanordnung zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführung. Hierbei umfasst die erfindungsgemäße Messanordnung ein an der Anodengasrückführleitung angeordnetes Sendemittel zum Aussenden eines Ultraschallpulses, ein an der Anodenrückführleitung angeordnetes Detektionsmittel zum Detektieren des ausgesendeten Ultraschallpulses, eine Verarbeitungseinheit zum Ermitteln der Zeit zwischen dem Aussenden und dem Detektieren des Ultraschallpulses sowie eine Auswerteeinheit zum Bestimmen der Anodengaszusammensetzung auf Basis der ermittelten Zeit zwischen dem Aussenden und dem Detektieren des Ultraschallpulses. Damit weist die erfindungsgemäße Messanordnung die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.The invention also relates to a measuring arrangement for determining the anode gas composition within the anode gas recirculation system. Here, the measuring arrangement according to the invention comprises a transmission means arranged on the anode gas return line for emitting an ultrasonic pulse, a detection means arranged on the anode return line for detecting the transmitted ultrasonic pulse, a processing unit for determining the time between the transmission and the detection of the ultrasonic pulse and an evaluation unit for determining the anode gas composition Basis of the determined time between the transmission and the detection of the ultrasonic pulse. The measuring arrangement according to the invention thus has the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention.

Im Rahmen einer konstruktiv einfachen und kompakten Anordnung der gegenständlichen Messanordnung kann vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass das Sendemittel und das Detektionsmittel auf derselben Seite der Anodengasrückführleitung angeordnet sind, wobei das Sendemittel und das Detektionsmittel vorzugsweise innerhalb einer Ermittlungseinheit in Form eines einzigen Bauteils zusammengefasst sind.In the context of a structurally simple and compact arrangement of the measuring arrangement in question, it can also advantageously be provided that the transmission means and the detection means are arranged on the same side of the anode gas return line, the transmission means and the detection means preferably being combined within a determination unit in the form of a single component.

Im Rahmen einer konstruktiv einfachen und kompakten Anordnung der gegenständlichen Messanordnung ist es ferner vorstellbar, dass ein Reflexionsmittel zur Reflexion eines ausgesendeten Ultraschallpulses vorgesehen ist, wobei das Reflexionsmittel vorzugsweise gegenüberliegend von dem Sendemittel und/oder dem Detektionsmittel angeordnet ist, insbesondere auf der gegenüberliegenden Seite der Anodengasrückführleitung angeordnet ist.In the context of a structurally simple and compact arrangement of the measurement arrangement in question, it is also conceivable that a reflection means is provided for reflecting a transmitted ultrasonic pulse, the reflection means preferably being arranged opposite the transmission means and / or the detection means, in particular on the opposite side of the anode gas return line is arranged.

Im Hinblick auf eine besonders exakte Bestimmung einer Anodengaszusammensetzung kann hierbei vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Reflexionsmittel für Ultraschallwellen eine Reflektivität von zumindest mehr als 50 %, vorzugsweise von zumindest mehr als 75 %, insbesondere von zumindest mehr als 90 % aufweist. Hierbei kann das Reflexionsmittel nicht nur im Hinblick auf das Material hinsichtlich einer hohen Reflektivität im Ultraschallbereich optimiert sein, sondern auch hinsichtlich der Oberflächengeometrie oder der Oberflächenstruktur. Im Rahmen einer flexiblen Anordnung eines Sendemittels und eines Detektionsmittels kann das Reflexionsmittel hierbei auch derart ausgebildet und/oder angeordnet sein, dass eine Reflexion eines Ultraschallpulses in einem Winkel kleiner 180° erfolgt, bspw. in einem Winkel von 120° oder 90° erfolgt.With regard to a particularly exact determination of an anode gas composition, it can advantageously be provided that the reflection means for ultrasonic waves has a reflectivity of at least more than 50%, preferably of at least more than 75%, in particular of at least more than 90%. Here, the reflection means can be optimized not only with regard to the material with regard to a high reflectivity in the ultrasonic range, but also with regard to the surface geometry or the surface structure. In the context of a flexible arrangement of a transmitting means and a detection means, the reflection means can also be designed and / or arranged such that an ultrasound pulse is reflected at an angle of less than 180 °, for example at an angle of 120 ° or 90 °.

Im Hinblick auf eine besonders exakte und zuverlässige Bestimmung der Anodengaszusammensetzung kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Messanordnung eine Erfassungseinheit zur Erfassung eines aktuellen Drucks und oder einer aktuellen Temperatur aufweist, wobei die Erfassungseinheit vorzugsweise zweiteilig in Form einer Erfassungseinheit zur Druckfassung und einer Erfassungseinheit zur Temperaturerfassung gebildet ist und insbesondere in unmittelbarer Nähe der Ermittlungseinheit innerhalb des Messbereichs an der Anodengasrückführleitung angeordnet ist.With regard to a particularly exact and reliable determination of the anode gas composition, the invention can furthermore provide that the measuring arrangement has a detection unit for detecting a current pressure and / or a current temperature, the detection unit preferably in two parts in the form of a detection unit for pressure detection and a detection unit for temperature detection is formed and in particular is arranged in the immediate vicinity of the determination unit within the measurement area on the anode gas return line.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Ausführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens, umfassend eine Anode zur Aufnahme eines Anodengases, eine Kathode zur Aufnahme eines Kathodengases, einen Anodenpfad, mit einer Anodengaszuführleitung zur Zuführung des Anodengases und einer Anodengasrückführleitung zur Rückführung des Anodengases sowie eine voranstehend beschriebene Messanordnung. Damit weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile auf, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messanordnung beschrieben worden sind. Es versteht sich ferner, dass neben einem Anodenpfad mit einer Anodengaszuführleitung zur Zuführung des Anodengases und einer Anodengasrückführleitung zur Rückführung des Anodengases auch ein Kathodenpfad mit einer Kathodengaszuführleitung zur Zuführung des Kathodengases und einer Kathodengasrückführleitung zur Rückführung des Kathodengases vorgesehen sein kann.The invention also relates to a fuel cell system, in particular for carrying out a method described above, comprising an anode for receiving an anode gas, a cathode for receiving a cathode gas, an anode path, with an anode gas supply line for supplying the anode gas and an anode gas return line for returning the anode gas and a measuring arrangement described above. The fuel cell system according to the invention thus has the same advantages as have already been described in detail with regard to the method according to the invention and the measuring arrangement according to the invention. It is also understood that in addition to an anode path with an anode gas supply line for supplying the anode gas and an anode gas return line for returning the anode gas, a cathode path with a cathode gas supply line for supplying the cathode gas and a cathode gas return line for returning the cathode gas can also be provided.

Im Hinblick auf eine besonders energiesparende Ausführung des gegenständlichen Brennstoffzellensystems kann ferner vorgesehen sein, dass ein innerhalb des Anodenpfades angeordneter Wasserabscheider zur Abscheidung von Wasser aus dem Anodengas, ein innerhalb des Anodenpfades angeordnetes Purge-Ventil zur Abführung von Stickstoff aus dem Anodengas sowie eine innerhalb des Anodenpfades angeordnete Rezirkulationspumpe zur Rückführung von Anodengas vorgesehen ist, wobei die Messanordnung vorzugweise zwischen dem Wasserabscheider und der Rezirkulationspumpe, insbesondere zwischen dem Wasserabscheider und der Rezirkulationspumpe sowie zwischen dem Wasserabscheider und dem Purge-Ventil angeordnet ist. Die gegenständliche Messanordnung kann auch zwischen Purge-Ventil und Rezirkulationspumpe angeordnet sein, was ebenfalls vorteilhaft sein kann.With regard to a particularly energy-saving design of the fuel cell system in question, it can also be provided that a water separator arranged within the anode path for separating water from the anode gas, a purge valve arranged within the anode path for removing nitrogen from the anode gas and one within the anode path arranged recirculation pump is provided for the return of anode gas, wherein the measuring arrangement is preferably arranged between the water separator and the recirculation pump, in particular between the water separator and the recirculation pump and between the water separator and the purge valve. The measurement arrangement in question can also be arranged between the purge valve and the recirculation pump, which can also be advantageous.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Kraftfahrzeug, umfassend eine voranstehend beschriebene Messanordnung, insbesondere umfassend ein voranstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem.The invention also relates to a motor vehicle comprising a measuring arrangement described above, in particular comprising a fuel cell system described above.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Hierbei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, umfassend eine gegenständliche Messanordnung zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine schematische Darstellung der Messung der Zeit zwischen dem Aussenden und dem Detektieren eines Ultraschallpulses in einer ersten Anodengaszusammensetzung (a) und einer zweiten Anodengaszusammensetzung (b),
  • 4 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung eines Brennstoffzellensystems.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a measuring arrangement according to the invention for determining the anode gas composition within the anode gas return line of a fuel cell system according to a first embodiment,
  • 2 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention, comprising an objective measuring arrangement for determining the anode gas composition within the anode gas return line according to a first embodiment,
  • 3rd a schematic representation of the measurement of the time between the emission and the detection of an ultrasonic pulse in a first anode gas composition (a) and a second anode gas composition (b),
  • 4th a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for determining the anode gas composition within the anode gas return line of a fuel cell system.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messanordnung 1 zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung 6b eines Brennstoffzellensystems 2. Hierbei umfasst die Messanordnung 1 ein an der Anodengasrückführleitung 6b angeordnetes Sendemittel 12 zum Aussenden 40 eines Ultraschallpulses 8, ein an der Anodengasrückführleitung 6b angeordnetes Detektionsmittel 14 zum Detektieren 42 des ausgesendeten Ultraschallpulses 8, eine Verarbeitungseinheit 16 zum Ermitteln 44 der Zeit zwischen dem Aussenden 40 und einem Detektieren 42 des Ultraschallpulses 8 sowie eine Auswerteeinheit 18 zum Bestimmen 46 der Anodengaszusammensetzung auf Basis der ermittelten Zeit zwischen dem Aussenden 40 und dem Detektieren 42 des Ultraschallpulses 8. 1 shows a schematic representation of a measuring arrangement according to the invention 1 for determining the anode gas composition within the anode gas return line 6b a fuel cell system 2 . Here, the measuring arrangement includes 1 one on the anode gas return line 6b arranged sending means 12th to send out 40 an ultrasound pulse 8th , one on the anode gas return line 6b arranged detection means 14th to detect 42 of the transmitted ultrasonic pulse 8th , a processing unit 16 to determine 44 the time between sending out 40 and a detecting 42 of the ultrasound pulse 8th as well as an evaluation unit 18th to determine 46 the anode gas composition based on the determined time between sending out 40 and detecting 42 of the ultrasound pulse 8th .

Das Sendemittel 12 und das Detektionsmittel 14 sind vorliegend auf derselben Seite der Anodengasrückführleitung 6b angeordnet und innerhalb einer Ermittlungseinheit 10 in Form eines einzigen Bauteils zusammengefasst. Ferner ist ein Reflexionsmittel 18 zur Reflexion eines ausgesendeten Ultraschallpulses 8 zu erkennen, das vorliegend gegenüberliegend von dem Sendemittel 12 und dem Detektionsmittel 14 auf jeweils gegenüberliegenden Seiten der Anodengasrückführleitung 6b angeordnet ist. Das Reflexionsmittel 18 weist hierbei vorteilhafter Weise eine hohe Reflektivität von insbesondere mehr als 90 % für Ultraschallwellen auf, um eine besonders exakte Bestimmung einer Anodengaszusammensetzung zu ermöglichen. Neben der Ermittlungseinheit 10 ist ferner eine Erfassungseinheit 20 zur Erfassung eines aktuellen Drucks und/oder einer aktuellen Temperatur an der Anodengasrückführleitung 6b angeordnet, die bspw. auch zweiteilig in Form einer Erfassungseinheit 20a zur Druckerfassung und einer Erfassungseinheit 20b zur Temperaturerfassung ausgebildet sein kann. Zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung 6b wird vorliegend die Zeit t, die zwischen dem Aussenden 40 und dem Detektieren 42 eines Ultraschallpulses 8 gemessen wird, verwendet, also gemäß der vorliegenden Anordnung die Zeit, in der der Puls 8 die Strecke s zurücklegt, die dem Doppelten des Querschnitts Q der Anodengasrückführleitung 6b im Messbereich M entspricht.The sending means 12th and the detection means 14th are present on the same side of the anode gas return line 6b arranged and within a determination unit 10 summarized in the form of a single component. It is also a reflection means 18th for the reflection of an emitted ultrasonic pulse 8th to recognize the present opposite of the transmitting means 12th and the detection means 14th on opposite sides of the anode gas return line 6b is arranged. The means of reflection 18th in this case advantageously has a high reflectivity of in particular more than 90% for ultrasonic waves in order to enable a particularly precise determination of an anode gas composition. In addition to the investigative unit 10 is also a detection unit 20th for recording a current pressure and / or a current temperature on the anode gas return line 6b arranged, for example. Also in two parts in the form of a detection unit 20a for pressure recording and a recording unit 20b can be designed for temperature detection. For determining the anode gas composition within the anode gas return line 6b In the present case, the time t between the transmission 40 and detecting 42 an ultrasound pulse 8th is measured, used, so according to the present arrangement, the time in which the pulse 8th the distance s travels which is twice the cross-section Q of the anode gas return line 6b in the measuring range M corresponds.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2, umfassend eine gegenständliche Messanordnung 1 zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung 6b des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention 2 , comprising an objective measuring arrangement 1 for determining the anode gas composition within the anode gas return line 6b of the fuel cell system 2 according to a first embodiment.

Hierbei umfasst das Brennstoffzellensystem 2 neben der voranstehend beschriebenen Messanordnung 1 eine Anode 4a zur Aufnahme eines Anodengases, eine Kathode 4b zur Aufnahme eines Kathodengases, einen Anodenpfad 6, mit einer Anodengaszuführleitung 6a zur Zuführung des Anodengases und einer Anodengasrückführleitung 6b zur Rückführung des Anodengases. Zudem umfasst das vorliegende Brennstoffzellensystem 2 auch einen Kathodenpfad 5, mit einer Kathodengaszuführleitung 5a zur Zuführung des Kathodengases und einer Kathodengasrückführleitung 5b zur Rückführung des Kathodengases.This includes the fuel cell system 2 in addition to the measuring arrangement described above 1 an anode 4a for receiving an anode gas, a cathode 4b for receiving a cathode gas, an anode path 6th , with an anode gas supply line 6a for supplying the anode gas and an anode gas return line 6b for recirculation of the anode gas. The present fuel cell system also includes 2 also a cathode path 5 , with a cathode gas supply line 5a for supplying the cathode gas and a cathode gas return line 5b for recycling the cathode gas.

Der vorliegend in Form von Wasserstoff gebildete Brennstoff wird der Anode 4a vorliegend über das Wasserstoffreservoir 22, das Absperrventil 30 sowie das Dosierventil 32 zugeführt. Der nicht verbrauchte Wasserstoff kann der Anode 4a anschließend über die Anodengasrückführleitung 6b gemeinsam mit dem über das Dosierventil zugeführten Frisch-Wasserstoff bereitgestellt werden. Zur Zuführung des Kathodengases umfasst das Brennstoffzellensystem 2 ferner ein Frischluftreservoir 4. Des Weiteren zeigt das Brennstoffzellensystem 2 einen innerhalb des Anodenpfades 6 angeordneten Wasserabscheider 20' zur Abscheidung von Wasser aus dem Anodengas sowie ein innerhalb des Anodenpfades 6 angeordnetes Purge-Ventil 24 zur Abscheidung von Stickstoff aus dem Anodengas, wobei die Messanordnung 1 gegenständlich zwischen dem Wasserabscheider 20' und dem Purge-Ventil 24 angeordnet ist. Ebenso kann es möglich sein, die Messanordnung 1 zwischen Purge-Ventil 24 und Rezirkulationspumpe 26 zu positionieren.The fuel, which is present in the form of hydrogen, becomes the anode 4a present via the hydrogen reservoir 22nd , the shut-off valve 30th as well as the dosing valve 32 fed. The unused hydrogen can go to the anode 4a then via the anode gas return line 6b together with the fresh hydrogen supplied via the metering valve. The fuel cell system includes the supply of the cathode gas 2 also a fresh air reservoir 4th . Furthermore shows the fuel cell system 2 one within the anode path 6th arranged water separator 20 ' for separating water from the anode gas as well as one within the anode path 6th arranged purge valve 24 for the separation of nitrogen from the anode gas, the measuring arrangement 1 objective between the water separator 20 ' and the purge valve 24 is arranged. It can also be possible to change the measuring arrangement 1 between purge valve 24 and recirculation pump 26th to position.

3 a, b zeigen eine schematische Darstellung der Messung der Zeit zwischen dem Aussenden und dem Detektieren eines Ultraschallpulses 8 in einer ersten Anodengaszusammensetzung (a) und einer zweiten Anodengaszusammensetzung (b). 3 a, b show a schematic representation of the measurement of the time between the transmission and the detection of an ultrasonic pulse 8th in a first anode gas composition (a) and a second anode gas composition (b).

Wie gemäß 3 zu erkennen, resultiert aus den unterschiedlichen Anodengaszusammensetzungen gemäß 3a und 3b wie erwartet eine unterschiedliche Schallgeschwindigkeit und somit eine unterschiedlich lange Zeit Δt zwischen dem Aussenden eines Ultraschallpulses 8 und dem Detektieren des Ultraschallpulses 8 bei den unterschiedlichen Zusammensetzungen (Δt1 und Δt2). Aus der gemessenen Zeit kann nun auf die betreffende Geschwindigkeit und von dieser auf die jeweilige Zusammensetzung des Anodengases geschlossen werden.How according to 3rd to recognize, results from the different anode gas compositions according to 3a and 3b As expected, a different speed of sound and thus a different length of time Δt between the emission of an ultrasonic pulse 8th and detecting the ultrasonic pulse 8th with the different compositions (Δt 1 and Δt 2 ). From the measured time, conclusions can now be drawn about the speed in question and, from this, about the respective composition of the anode gas.

4 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung 6a eines Brennstoffzellensystems 2. Hierbei umfasst das gegenständliche Verfahren die Schritte eines Aussendens 40 eines Ultraschallpulses 8 durch und/oder entlang einer mit einem Anodengas befüllten Anodengasrückführleitung 6b mittels eines Sendemittels 12, eines Detektierens 42 des ausgesendeten Ultraschallpulses 8 mittels eines Detektionsmittels 14, eines Ermittelns 44 der Zeit zwischen dem Aussenden 40 und dem Detektieren 42 des Ultraschallpulses 8 mittels einer Verarbeitungseinheit 16 sowie eines Bestimmens 46 der Anodengaszusammensetzung auf Basis der ermittelten Zeit t zwischen dem Aussenden 40 und dem Detektieren 42 des Ultraschallpulses 8 mittels einer Auswerteeinheit 18. 4th shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for determining the anode gas composition within the anode gas return line 6a a fuel cell system 2 . The method at issue here includes the steps of sending 40 an ultrasound pulse 8th through and / or along an anode gas return line filled with an anode gas 6b by means of a transmitter 12th , a detection 42 of the transmitted ultrasonic pulse 8th by means of a detection means 14th , a determination 44 the time between sending out 40 and detecting 42 of the ultrasound pulse 8th by means of a processing unit 16 as well as a determining 46 the anode gas composition based on the determined time t between sending out 40 and detecting 42 of the ultrasound pulse 8th by means of an evaluation unit 18th .

Die Bestimmung 46 der Anodengaszusammensetzung kann zudem vorteilhafter Weise eine Erfassung des aktuellen Drucks und/oder der aktuellen Temperatur innerhalb der Anodengasrückführleitung 6b umfassen.The determination 46 the anode gas composition can also advantageously record the current pressure and / or the current temperature within the anode gas return line 6b include.

Ferner kann die Bestimmung 46 der Anodengaszusammensetzung eine Ermittlung der Wasserdampf-Konzentration innerhalb der Anodengasrückführleitung 6b umfassen, wobei die Ermittlung der Wasserdampf-Konzentration vorzugsweise unter Verwendung der Magnus-Gleichung und/oder der Antoine-Gleichung erfolgt.Furthermore, the determination 46 the anode gas composition, a determination of the water vapor concentration within the anode gas return line 6b comprise, the determination of the water vapor concentration preferably taking place using the Magnus equation and / or the Antoine equation.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 sowie mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 ist es insbesondere möglich, dass mithilfe der Bestimmung der Geschwindigkeit eines Ultraschallpulses innerhalb einer mit einem Anodengas gefüllten Anodengasrückführungsleitung 6b auf einfache und kostengünstige Weise auf die Zusammensetzung des Anodengases geschlossen werden kann. Dies erlaubt nicht nur eine kompakte und kostengünstige Anordnung der Sende- und Detektionsmittel 12, 14, sondern auch die Verwendung kostengünstiger Sende- und Detektionsmittel 12, 14. Eine exakte Bestimmung des Stickstoff- und Wasserstoffgehalts innerhalb einer Anodengasrückführleitung 6b erlaubt zudem einen effektiven Betrieb einer Rezirkulationspumpe 26 sowie eine gezielte Abführung von innerhalb der Anodengasrückführleitung 6b angeordneten Stickstoffs mittels eines Purge-Ventils 24, was den Verbrauch von Wasserstoff minimiert.By means of the method according to the invention or the measuring arrangement according to the invention 1 as well as by means of the fuel cell system according to the invention 2 In particular, it is possible, with the aid of the determination of the speed of an ultrasonic pulse, within an anode gas return line filled with an anode gas 6b the composition of the anode gas can be inferred in a simple and inexpensive manner. This not only allows a compact and inexpensive arrangement of the transmission and detection means 12th , 14th , but also the use of inexpensive transmission and detection means 12th , 14th . An exact determination of the nitrogen and hydrogen content within an anode gas return line 6b also allows an effective operation of a recirculation pump 26th as well as a targeted discharge from within the anode gas return line 6b arranged nitrogen by means of a purge valve 24 which minimizes the consumption of hydrogen.

Claims (11)

Verfahren zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung (6b) eines Brennstoffzellensystems (2), umfassend die Schritte: - Aussenden (40) eines Ultraschallpulses (8) durch und/oder entlang einer mit einem Anodengas befüllten Anodengasrückführleitung (6b) mittels eines Sendemittels (12), - Detektieren (42) des ausgesendeten Ultraschallpulses (8) mittels eines Detektionsmittels (14), - Ermitteln (44) der Zeit zwischen Aussenden (40) und Detektieren (42) des Ultraschallpulses (8) mittels einer Verarbeitungseinheit (16), - Bestimmen (46) der Anodengaszusammensetzung auf Basis der ermittelten Zeit (t) zwischen Aussenden (40) und Detektieren (42) des Ultraschallpulses (8) mittels einer Auswerteeinheit (18).Method for determining the anode gas composition within the anode gas return line (6b) of a fuel cell system (2), comprising the steps: - Sending (40) an ultrasonic pulse (8) through and / or along an anode gas return line (6b) filled with an anode gas by means of a transmitter (12), - Detecting (42) the emitted ultrasonic pulse (8) by means of a detection means (14), - Determination (44) of the time between transmission (40) and detection (42) of the ultrasonic pulse (8) by means of a processing unit (16), - Determination (46) of the anode gas composition on the basis of the determined time (t) between emission (40) and detection (42) of the ultrasonic pulse (8) by means of an evaluation unit (18). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (46) der Anodengaszusammensetzung eine Erfassung des aktuellen Drucks und/oder der aktuellen Temperatur innerhalb der Anodengasrückführleitung (6b) umfasst, wobei der aktuelle Druck und/oder die aktuelle Temperatur innerhalb der Anodengasrückführleitung (6b) vorzugsweise mittels separater Erfassungseinheiten (20a, 20b) erfasst wird, wobei die Erfassungseinheiten (20a, 20b) insbesondere in Form eines Drucksensors und/oder eines Temperatursensors gebildet sind.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the determination (46) of the Anode gas composition comprises a detection of the current pressure and / or the current temperature within the anode gas return line (6b), the current pressure and / or the current temperature within the anode gas return line (6b) preferably being detected by means of separate detection units (20a, 20b), the Detection units (20a, 20b) are formed in particular in the form of a pressure sensor and / or a temperature sensor. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (46) der Anodengaszusammensetzung eine Ermittlung der Wasserdampf-Konzentration innerhalb der Anodengasrückführleitung (6b) umfasst, wobei die Ermittlung der Wasserdampf-Konzentration vorzugsweise unter Verwendung der Magnus-Gleichung und/oder der Antoine-Gleichung erfolgt.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the determination (46) of the anode gas composition comprises a determination of the water vapor concentration within the anode gas return line (6b), the determination of the water vapor concentration preferably taking place using the Magnus equation and / or the Antoine equation. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Zeit (t) zwischen dem Aussenden (40) und dem Detektieren (42) zurückgelegte Strecke (S) des Ultraschallpulses (8) das Doppelte des Querschnitts (Q) der Anodengasrückführleitung (6b) im Messbereich (M) beträgt, wobei der Ultraschallpuls (8) nach dem Aussenden (40) und vor dem Detektieren (42) vorzugsweise mittels eines Reflektionsmittels (18) reflektiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the distance (S) of the ultrasonic pulse (8) covered during the time (t) between the emission (40) and the detection (42) is twice the cross-section (Q) of the anode gas return line ( 6b) is in the measuring range (M), the ultrasonic pulse (8) being reflected after the emission (40) and before the detection (42), preferably by means of a reflection means (18). Messanordnung (1) zur Bestimmung der Anodengaszusammensetzung innerhalb der Anodengasrückführleitung (6b) eines Brennstoffzellensystems (2), umfassend: - ein an der Anodengasrückführleitung (6b) angeordnetes Sendemittel (12) zum Aussenden (40) eines Ultraschallpulses (8), - ein an der Anodengasrückführleitung (6b) angeordnetes Detektionsmittel (14) zum Detektieren (42) des ausgesendeten Ultraschallpulses (8), - eine Verarbeitungseinheit (16) zum Ermitteln (44) der Zeit zwischen dem Aussenden (40) und einem Detektieren (42) des Ultraschallpulses (8), - eine Auswerteeinheit (18) zum Bestimmen (46) der Anodengaszusammensetzung auf Basis der ermittelten Zeit zwischen dem Aussenden (40) und dem Detektieren (42) des Ultraschallpulses (8).Measuring arrangement (1) for determining the anode gas composition within the anode gas return line (6b) of a fuel cell system (2), comprising: - A transmitting means (12) arranged on the anode gas return line (6b) for transmitting (40) an ultrasonic pulse (8), - A detection means (14) arranged on the anode gas return line (6b) for detecting (42) the emitted ultrasonic pulse (8), - A processing unit (16) for determining (44) the time between transmission (40) and detection (42) of the ultrasonic pulse (8), - An evaluation unit (18) for determining (46) the anode gas composition on the basis of the determined time between the emission (40) and the detection (42) of the ultrasonic pulse (8). Messanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendemittel (12) und das Detektionsmittel (14) auf derselben Seite der Anodengasrückführleitung (6b) angeordnet sind, wobei das Sendemittel (12) und das Detektionsmittel (14) vorzugsweise innerhalb einer Ermittlungseinheit (10) in Form eines einzigen Bauteils zusammengefasst sind.Measuring arrangement (1) according to Claim 5 , characterized in that the transmission means (12) and the detection means (14) are arranged on the same side of the anode gas return line (6b), the transmission means (12) and the detection means (14) preferably within a determination unit (10) in the form of a single one Component are summarized. Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektionsmittel (18) zur Reflektion eines ausgesendeten Ultraschallpulses (8) vorgesehen ist, wobei das Reflektionsmittel (18) vorzugsweise gegenüberliegend von dem Sendemittel (12) und/oder dem Detektionsmittel (14) angeordnet ist, insbesondere auf der gegenüberliegenden Seite der Anodengasrückführleitung (6b) angeordnet ist.Measuring arrangement (1) according to one of the Claims 5 or 6th , characterized in that a reflection means (18) is provided for reflecting a transmitted ultrasonic pulse (8), the reflection means (18) preferably being arranged opposite the transmitting means (12) and / or the detection means (14), in particular on the opposite one Side of the anode gas return line (6b) is arranged. Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektionsmittel (18) für Ultraschallwellen eine Reflektivität von zumindest mehr als 50%, vorzugsweise von zumindest mehr als 75%, insbesondere von zumindest mehr als 90% aufweist.Measuring arrangement (1) according to one of the Claims 5 to 7th , characterized in that the reflection means (18) for ultrasonic waves has a reflectivity of at least more than 50%, preferably of at least more than 75%, in particular of at least more than 90%. Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungseinheit (20) zur Erfassung eines aktuellen Drucks und/oder einer aktuellen Temperatur vorgesehen ist, wobei die Erfassungseinheit (20) vorzugsweise zweiteilig in Form einer Erfassungseinheit (20a) zur Druckerfassung und einer Erfassungseinheit (20b) zur Temperaturerfassung gebildet ist und insbesondere in unmittelbarer Nähe der Ermittlungseinheit (10) innerhalb des Messbereichs (M) an der Anodengasrückführleitung (6b) angeordnet ist.Measuring arrangement (1) according to one of the Claims 5 to 8th , characterized in that a detection unit (20) is provided for detecting a current pressure and / or a current temperature, the detection unit (20) preferably formed in two parts in the form of a detection unit (20a) for pressure detection and a detection unit (20b) for temperature detection and in particular is arranged in the immediate vicinity of the determination unit (10) within the measuring area (M) on the anode gas return line (6b). Brennstoffzellensystem (2), insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend: - eine Anode (4a) zur Aufnahme eines Anodengases, - eine Kathode (4b) zur Aufnahme eines Kathodengases, - einen Anodenpfad (6), mit einer Anodengaszuführleitung (6a) zur Zuführung des Anodengases und einer Anodengasrückführleitung (6b) zur Rückführung des Anodengases, - eine Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10.Fuel cell system (2), in particular for carrying out a method according to one of the Claims 1 to 4th , comprising: - an anode (4a) for receiving an anode gas, - a cathode (4b) for receiving a cathode gas, - an anode path (6), with an anode gas supply line (6a) for supplying the anode gas and an anode gas return line (6b) for recirculation of the anode gas, - a measuring arrangement (1) according to one of the Claims 6 to 10 . Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb des Anodenpfades (6) angeordneter Wasserabscheider (20') zur Abscheidung von Wasser aus dem Anodengas, ein innerhalb des Anodenpfades (6) angeordnetes Purgeventil (24) zur Abscheidung von Stickstoff aus dem Anodengas sowie eine innerhalb des Anodenpfades (6) angeordnete Rezirkulationspumpe (26) zur Rückführung von Anodengas vorgesehen ist, wobei die Messanordnung (1) vorzugsweise zwischen dem Wasserabscheider (20') und der Rezirkulationspumpe (26), insbesondere zwischen dem Wasserabscheider (20') und der Rezirkulationspumpe (26) sowie zwischen dem Wasserabscheider (20') und dem Purge-Ventil (24) angeordnet ist.Fuel cell system (2) according to Claim 10 , characterized in that a water separator (20 ') arranged within the anode path (6) for separating water from the anode gas, a purge valve (24) arranged within the anode path (6) for separating nitrogen from the anode gas and one within the anode path (6) arranged recirculation pump (26) is provided for returning anode gas, the measuring arrangement (1) preferably between the water separator (20 ') and the recirculation pump (26), in particular between the water separator (20') and the recirculation pump (26) and is arranged between the water separator (20 ') and the purge valve (24).
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CN116053528A (en) * 2023-01-28 2023-05-02 江苏重塑能源科技有限公司 Anode loop hydrogen concentration measuring method and system

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