DE102020115834A1 - Verfahren zum Ermitteln der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Ermitteln der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf (7), umfassend die Schritte:- Erfassen einer ersten Temperatur (T1) des in der Mitteldruckstrecke (12) vorhandenen Brennstoffs und einer zweiten Temperatur (T2) des im Niederdruckbereich (13) vorhandenen Gases, wobei sich die erste Temperatur (T1) von der zweiten Temperatur (T2) um wenigstens einen Grenzwert voneinander unterscheiden,- Erfassen des Drucks in der Mitteldruckstrecke (12) und des ersten Drucks in dem Niederdruckbereich (13),- Öffnen des die Mitteldruckstrecke (12) vom Niederdruckbereich (13) trennenden Ventils (14), wodurch sich das im Niederdruckbereich (13) vorhandene Gas mit dem in der Mitteldruckstrecke (12) vorhandenen Brennstoff durchmischt,- Erfassen des in der Mitteldruckstrecke (12) und dem Niederdruckbereich (13) vorliegenden Drucks sowie der Temperatur, und- Ermitteln der Brennstoffkonzentration unter Heranziehung der thermischen Zustandsgleichung eines idealen Gases basierend auf den gemessenen Temperaturen und den gemessenen Drücken bei als bekannt vorausgesetzten, gemessenen oder berechneten Gaskonstanten und Volumina.Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Brennstoffkonzentration in einer Anodenstrecke einer Brennstoffzellenvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den bei der chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, die Luft in einem Verdichter zu komprimieren. Anodenseitig wird der Brennstoff zumeist aus einem Brennstoffreservoir bereitgestellt. Den Brennstoffzellen wird der Brennstoff und auch das Oxidationsmittel überstöchiometrisch zugeführt, um deren Effizienz zu maximieren. An den Brennstoffzellen nicht abreagierter Brennstoff wird zur Ressourcenschonung rezirkuliert, d.h. den Brennstoffzellen erneut zugeführt. Zur Förderung des nicht umgesetzten Brennstoffes werden ein Rezirkulationsgebläse oder eine Saugstrahlpumpe eingesetzt, welche weiterhin für eine gleichmäßige Durchmischung des rezirkulierten Brennstoffes und des frisch zugeführten Brennstoffes sorgen.
  • Die Brennstoffkonzentration im Anodengas einer PEM-Brennstoffzellenvorrichtung in Fahrzeugen muss zur Erreichung der Entnahmeleistung und für einen sicheren Betrieb betriebspunktabhängig eingestellt werden können, so dass einerseits aus Effizienzgründen nicht mehr Brennstoff als nötig, und andererseits zur Sicherstellung einer Minimalversorgung an Brennstoff so viel Brennstoff wie möglich im Anodengas enthalten sein sollte. Insbesondere der letztgenannte Fall kann zu einer Brennstoff-unterversorgung (sogenannte „fuel starvation“) führen, was zu vermeiden ist.
  • Um die Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf messen zu können, ist es beispielsweise bekannt, H2-Konzentrationssensoren einzusetzen, die jedoch teuer in der Anschaffung sind und teilweise unzuverlässige Messwerte für die Brennstoffkonzentration liefern.
  • Verfahren zum Berechnen oder Schätzen der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf sind in den Druckschriften US 2019 / 0 288 310 A1 , WO 2013 / 051 397 A1 und DE 11 2008 000 843 T5 angegeben.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und robusteres Verfahren zum Bestimmen der Brennstoffkonzentration in der Anodenstrecke anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf eines einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass umfassenden Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei an den Anodenkreislauf ein Brennstoffreservoir über ein Leitungssystem angeschlossen ist, das wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf strömungsverbundene und von Ventilen begrenzte Mitteldruckstrecke mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke gelegenen mit dem Anodeneinlass strömungsverbundenen Niederdruckbereich mit einem vorgegebenen zweiten Volumen (V2), umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
    • - Erfassen einer ersten Temperatur (T1) des in der Mitteldruckstrecke vorhandenen Brennstoffs und einer zweiten Temperatur (T2) des im Niederdruckbereich vorhandenen Gases, wobei sich die erste Temperatur (T1) von der zweiten Temperatur (T2) um wenigstens einen Grenzwert voneinander unterscheiden,
    • - Erfassen des Drucks (p2) in der Mitteldruckstrecke und des ersten Drucks (p1) in dem Niederdruckbereich,
    • - Öffnen des die Mitteldruckstrecke vom Niederdruckbereich trennenden Ventils, wodurch sich das im Niederdruckbereich vorhandene Gas mit dem in der Mitteldruckstrecke vorhandenen Brennstoff durchmischt,
    • - Erfassen des in der Mitteldruckstrecke und dem Niederdruckbereich vorliegenden Drucks (pges.) sowie der Temperatur (Tges), und
    • - Ermitteln der Brennstoffkonzentration unter Heranziehung der thermischen Zustandsgleichung eines idealen Gases basierend auf den gemessenen Temperaturen (T1, T2, Tges) und den gemessenen Drücken (p1, p2, pges.) bei als bekannt vorausgesetzten, gemessenen oder berechneten Gaskonstanten (RH2, RN2, Rges) und Volumina (V1, V2).
  • Durch den Einsatz von lediglich Temperatur- und Drucksensoren ist ein robustes Messsystem zur Bestimmung bzw. Berechnung der Brennstoffkonzentration geschaffen, wobei auf eine unsichere Verwendung eines Konzentrationssensors verzichtet werden kann. Einflüsse auf die Bestimmung der Brennstoffkonzentration von den einzelnen Bauteilen der Brennstoffzellenvorrichtung lassen sich zuverlässig ermitteln und herausrechnen. Zudem sind variable Einflussgrößen messbar, was zudem die Zuverlässigkeit der Bestimmung der Brennstoffkonzentration begünstigt. Die Zustandsgleichung eines idealen Gases wird für die Berechnung der Konzentration herangezogen, welche lautet: p ∗ V = m ∗ R ∗ T
    Figure DE102020115834A1_0001
  • Das Verfahren lässt sich insbesondere bei einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung durchführen, bei dem unterschiedliche Temperaturen des Gases im Anodenkreislauf oder Niederdruckbereich sowie des Gases in der Mitteldruckstrecke vorliegen. Ein solcher Temperaturunterschied entsteht beispielsweise systembedingt aufgrund einer unterschiedlich starken Abkühlung in den jeweiligen Bereichen. Liegen unterschiedliche Temperaturen in der Mitteldruckstrecke und im Niederdruckbereich/Anodenkreislauf vor, so kann die Bestimmung der Brennstoffzellenkonzentration erfolgen, da auf diese Weise eine relative Messung möglich und damit eine effiziente Ermittlung des Konzentrationswerts möglich ist.
  • Das Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration der Brennstoffzellenvorrichtung kann aber auch während einer kurzen Unterbrechung des Betriebs erfolgen, wobei dann eine entsprechende Konditionierung des Gases in der Mitteldruckstrecke oder des Gasgemisches im Anodenkreislauf bzw. Niederdruckbereich vorzunehmen ist, sodass unterschiedliche Temperaturen vorliegen. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, dass zur Erzeugung eines Temperaturunterschieds die die Mitteldruckstrecke begrenzenden Ventile geschlossen werden, wonach ein Konditionieren des in der Mitteldruckstrecke vorhandenen Brennstoffs auf die erste Temperatur und / oder ein Konditionieren des im Niederdruckbereich vorhandenen Gases auf die zweite Temperatur erfolgt.
  • Für eine zuverlässige und schnelle Aufheizung des Gases in der Mitteldruckstrecke und/oder im Niederdruckbereich ist der Einsatz eines elektrischen Heizers vorteilhaft, der dann den Wärmeeintrag in das Gas/Gasgemisch bewirkt.
  • Es ist jedoch auch möglich, einen Wärmeeintrag durch einen Wärmeübertrager zu realisieren, sodass es von Vorteil ist, wenn die erste Temperatur des in der Mitteldruckstrecke vorhandenen Brennstoffs mit einem in die Mitteldruckstrecke eingebundenen Wärmeübertrager eingestellt wird.
  • Dieser Wärmeübertrager kann beispielsweise Teil des Innenraumheizkreises eines Kraftfahrzeugs sein, womit sich zusätzlich der Vorteil ergibt, dass Bauraum eingespart wird. Alternativ oder ergänzend kann der Wärmeübertrager auch Teil des Kühlkreislaufs sein, in welchen der Brennstoffzellenstapel eingebunden ist.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass die zweite Temperatur des in dem Niederdruckbereich vorhandenen Gases mit der elektrischen Leistung eines in den Anodenkreislauf eingebundenen Rezirkulationsgebläses eingestellt wird.
  • Eine zuverlässige Vereinfachung des Verfahrens zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf die Annahme getroffen wird, dass neben dem Wasserstoff und Stickstoff keine weiteren Atome und Moleküle vorhanden sind, womit die Brennstoffkonzentration bezüglich der Stickstoffkonzentration im Anodenkreislauf komplementär ist. Weitere Inertgase (z.B. Argon) sind verschwindend gering im Anodenkreislauf vorhanden, sodass deren Anteil vernachlässigbar ist. Mit einer solchen vereinfachenden Annahme lässt sich Rechenleistung einsparen, so dass der Konzentrationswert des Brennstoffs schneller zur Verfügung steht.
  • Für die Ermittlung der Brennstoffkonzentration kann dabei die folgende Gleichung herangezogen werden: 1 R g e s = ( p 1 ∗ V 1 R N 2 ∗ T 1 + p 2 ∗ V 2 R H 2 ∗ T 2 ) ∗ T g e s p g e s ∗ ( V 1 + V 1 )
    Figure DE102020115834A1_0002
  • Aus dieser Gleichung lässt sich ein Rückschluss auf die Konzentration des Brennstoffes schließen, da, insbesondere ein linearer, Zusammenhang aus Rges und pges vorliegt, womit also die beiden in Klammern angegebenen Terme die beiden Anteile des Stickstoffs bzw. des Brennstoffs/Wasserstoffs widerspiegeln.
  • Bevor das Verfahren durchgeführt wird, kann natürlich auch eine vorgegebene Dosierung von Brennstoff in den Anodenkreislauf aufgrund eines Spülvorganges durch Öffnen eines Purgeventils erfolgen, um definierte Bedingungen für die Messung bereitzustellen.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig an eine Kathodengasversorgung und der einen an den Anodeneinlass und den an der Anodenauslass angeschlossenen Anodenkreislauf umfasst, der mittels eines Leitungssystems strömungsmechanisch mit einem Brennstoffreservoir für die Zufuhr von frischem Brennstoff verbunden ist, wobei das Leitungssystem wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf strömungsverbundene und von Ventilen begrenzte Mitteldruckstrecke mit einem vorgegebenen ersten Volumen für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke gelegenen mit dem Anodeneinlass strömungsverbundenen Niederdruckbereich mit einem vorgegebenen zweiten Volumen. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst dabei ein Steuergerät, das zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren eingerichtet ist.
  • Auch mit dieser Brennstoffzellenvorrichtung ist der Vorteil verbunden, dass teure und eventuell nicht zugelassene Brennstoffsensorik entfallen kann, wobei ausschließlich günstige Druckmesssensorik und Temperaturmesssensorik Einsatz finden. Auf diese Weise lässt sich auch die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ideal kombinieren mit Brennstoffmodellen für die Initialisierung des Brennstoffzellenstapels. Mit der Drucksensorik und der Temperatursensorik geht eine gesteigerte Robustheit einher, wobei eine Messung regelmäßig bei Startvorgängen möglich ist. Zudem liegt eine erhöhte Effizienz durch einen geringeren Brennstoffverlust vor, wobei unterschiedliche Startprogramme in Abhängigkeit der bestimmten Brennstoffkonzentration durchgeführt werden können.
  • Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile und vorteilhaften Wirkungen gelten in gleichem Maße für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, das mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestattet ist.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einem in einen Anodenkreislauf eingebundenen Rezirkulationsgebläse,
    • 2 ein Kennfeld, in welchem der Druck des Gemisches pges über der Gaskonstante Rges aufgetragen ist, aus welchem sich die Brennstoffkonzentration ableiten lässt.
  • Aus der 1 ist zu ersehen, dass bei dem zur Erläuterung der Erfindung gezeigten Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 anodenseitig ein Anodenkreislauf 7 mit einer Brennstoffrezirkulationsleitung 2 vorliegt, die von einem Anodenauslass 3 eines Brennstoffzellenstapels 4 zu der Brennstoffleitung 5 stromauf des Anodeneinlasses 6 geführt ist. Der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 kann ein nicht näher gezeigter Anodenabscheider zugeordnet sein, um überschüssige Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf 7 zu entfernen. Da in einer Brennstoffzelle die Reaktanten überstöchiometrisch bereitgestellt sind, ist in die Rezirkulationsleitung ein Rezirkulationsgebläse 8 eingebunden, um den in der Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel 4 mit mehreren Brennstoffzellen nicht umgesetzten Brennstoff jeweils erneut zuzuführen, mithin zu „rezirkulieren“. Vorzugsweise mündet die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 in eine regelbare Saugstrahlpumpe 9 der Brennstoffleitung 5, so dass unterschiedliche Anteile des einem Brennstoffreservoir 10 entnommenen frischen Brennstoffes und des rezirkulierten Brennstoffes dem Anodeneinlass 6 des Brennstoffzellenstapels 4 erneut zugeführt werden können. Alternativ kann auf die Saugstrahlpumpe 9 auch verzichtet werden und die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 direkt in die Brennstoffleitung 5 münden. Optional ist in der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 stromab oder alternativ stromauf des Rezirkulationsgebläses 8 ein Purgeventil 11 angeordnet, um den Anodenkreislauf zu spülen, sollte die im Anodenkreislauf 7 vorhandene Brennstoffkonzentration unter einen kritischen Wert fallen oder sollte der Anteil an Inertgasen darin zu groß werden.
  • Der Brennstoff ist mit Hochdruck im Brennstoffreservoir 10 gespeichert, sodass sich das zum Anodeneinlass 6 erstreckende Leitungssystem aus einem zwischen dem Brennstoffreservoir 10 und einem ersten Ventil 14 befindliche Hochdruckleitungsteil 20 ebenfalls unter Hochdruck befindet. Das erste Ventil 14 dient als Drossel, sodass zwischen dem ersten Ventil 14 und dem zweiten Ventil 15 das Leitungssystem eine Mitteldruckstrecke 12 umfasst, in der ein gegenüber dem Hochdruck vorliegender geringerer Mitteldruck vorliegt. Auch das zweite Ventil 15 ist als Drossel zu verstehen, sodass sich an die Mitteldruckstrecke 12 ein Niederdruckbereich 13 anschließt, der ebenfalls den Anodenkreislauf 7 einschließt.
  • Die Brennstoffzellevorrichtung 1 weist vorliegend eine robuste Sensorik zur Messung von Drücken und Temperaturen auf. Hierbei ist ein erster Sensor 16 zur Messung des Drucks p1 im Niederdruckbereich 13 vorhandenen, wobei dieser ergänzt ist um einen Sensor 16' zur Messung der Temperatur T1 im Niederdruckbereich 13. Ferner weist auch die Mitteldruckstrecke 12 einen Sensor 17 zur Messung des Drucks p2 auf, der ergänzt ist um einen Sensor zur Messung der Temperatur T2. Auch am Anodeneinlass 6 liegt ein Sensor 18 zur Messung des Drucks p3 sowie ein Sensor 18' zur Messung der Temperatur T3 vor. Dementsprechend liegt auch ein Sensor 19 zur Messung des Drucks p4 und ein Sensor 19' zur Messung der Temperatur T4 am Anodenauslass 3 vor.
  • Mit dieser Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 lässt sich die Brennstoffkonzentration, insbesondere beim Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1, ermitteln unter der Annahme, dass neben Wasserstoff und Stickstoff keine weiteren Atome/Moleküle im Anodenkreislauf vorhanden sind und die Brennstoffkonzentration bezüglich der Stickstoffkonzentration im Anodenkreislauf komplementär vorliegt. Das Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
    • - Erfassen einer ersten Temperatur (T1) des in der Mitteldruckstrecke 12 vorhandenen Brennstoffs und einer zweiten Temperatur (T2) des im Niederdruckbereich 13 vorhandenen Gases, wobei sich die erste Temperatur (T1) von der zweiten Temperatur (T2) um wenigstens einen Grenzwert voneinander unterscheiden,
    • - Erfassen des Drucks (p2) in der Mitteldruckstrecke 12 und des ersten Drucks (p1) in dem Niederdruckbereich 13,
    • - Öffnen des die Mitteldruckstrecke 12 vom Niederdruckbereich 13 trennenden Ventils 14, wodurch sich das im Niederdruckbereich 13 vorhandene Gas mit dem in der Mitteldruckstrecke 12 vorhandenen Brennstoff durchmischt,
    • - Erfassen des in der Mitteldruckstrecke 12 und dem Niederdruckbereich 13 vorliegenden Drucks (pges.) sowie der Temperatur (Tges), und
    • - Ermitteln der Brennstoffkonzentration unter Heranziehung der thermischen Zustandsgleichung eines idealen Gases basierend auf den gemessenen Temperaturen (T1, T2, Tges) und den gemessenen Drücken (p1, p2, pges) bei als bekannt vorausgesetzten, gemessenen oder berechneten Gaskonstanten (RH2, RN2, Rges) und Volumina (V1, V2).
  • Beim Öffnen des Ventils 14 ist es nicht zwingend erforderlich, dass ein kompletter Druckausgleich zwischen dem Volumen der Mitteldruckstrecke 12 und dem Volumen des Niederdruckbereichs 13 erfolgen muss; es genügt, dass sich eine Mischtemperatur und ein Mischdruck einstellen.
  • Sollten in der Mitteldruckstrecke 12 und im Niederdruckbereich 13 keine unterschiedlichen Temperaturen vorherrschen, so ist zunächst ein Temperaturunterschied zu erzeugen. Zur Erzeugung eines Temperaturunterschieds werden die die Mitteldruckstrecke 12 begrenzenden Ventile 14, 15 geschlossen, wonach ein Konditionieren des in der Mitteldruckstrecke 12 vorhandenen Brennstoffs auf die erste Temperatur T1 und/oder des im Niederdruckbereich 13 vorhandenen Gases auf die zweite Temperatur T2 erfolgt. Die Einstellung des Temperaturunterschieds lässt sich beispielsweise durch einen elektrischen Heizer realisieren. Es ist jedoch auch möglich den in der Mitteldruckstrecke 12 vorhandenen Wärmeübertrager zur Einstellung der ersten Temperatur T1 zu nutzen, wobei dieser Wärmeübertrager auch in den Innenraumheizkreis eines Kraftfahrzeugs eingebunden sein kann. Außerdem ist die Möglichkeit vorhanden, dass die zweite Temperatur T2 des in dem Niederdruckbereich 13 vorhandenen Gases mit dem in den Anodenkreislauf 7 eingebundenen Rezirkulationsgebläse 8 eingestellt wird.
  • Liegt der Temperaturunterschied vor, so kann dann das zweite Ventil 15 geöffnet werden, um eine Durchmischung der Gase des Anodenkreislaufs 7 und in der Mitteldruckstrecke 12 zu bewirken, wodurch sich eine Mischtemperatur Tges und einen Mischdruck pges einstellen. Anhand der ursprünglich bekannten Volumina V1, V2 und der ursprünglich gemessenen Drücke p1, p2 sowie der jeweiligen Temperaturen T1, T2 lässt sich die nachstehende Gleichung (nach einer mehrfachen Umformung der Zustandsgleichung idealer Gase) aufstellen: 1 R g e s = ( p 1 ∗ V 1 R N 2 ∗ T 1 + p 2 ∗ V 2 R H 2 ∗ T 2 ) ∗ T g e s p g e s ∗ ( V 1 + V 1 )
    Figure DE102020115834A1_0003
  • Aus dem in 2 gezeigten Diagramm, das die Abhängigkeit von Rges und pges widerspiegelt, lässt sich erkennen, dass ein linearer Zusammenhang zwischen dem Gesamtdruck, also dem Druck im Volumen aus der Mitteldruckstrecke 12 und Niederdruckbereich 13 sowie der Gaskonstante Rges für das Gemisch ergibt. Aus einer entsprechenden Kurve lässt sich dann der Anteil des Brennstoffs, mithin dessen Konzentration ableiten. Auf diese Weise sind also lediglich Druck- und Temperatursensoren erforderlich, um eine entsprechende Bestimmung der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf 7 bzw. der Brennstoffzellenvorrichtung 1 insgesamt zu ermitteln.
  • Im Ergebnis lässt sich also auf diese Weise die Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf 7 für den Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1 allein basierend auf den Messwerten des robusten Drucksensors und des robusten Temperatursensors unter Verzicht auf einen Konzentrationssensor bestimmen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffrezirkulationsleitung
    3
    Anodenauslass
    4
    Brennstoffzellenstapel
    5
    Brennstoffleitung
    6
    Anodeneinlass
    7
    Anodenkreislauf
    8
    Rezirkulationsgebläse
    9
    Saugstrahlpumpe
    10
    Brennstoffreservoir
    11
    Purgeventil
    12
    Mitteldruckstrecke
    13
    Niederdruckbereich
    14
    erstes Ventil
    15
    zweites Ventil
    16
    Sensor (Druck p1) / Niederdruckbereich
    16'
    Sensor (Temperatur T1) / Niederdruckbereich
    17
    Sensor (Druck p2) / Mitteldruckstrecke
    17'
    Sensor (Temperatur T2) / Mitteldruckstrecke
    18
    Sensor (Druck p3) / Anodeneinlass
    18'
    Sensor (Temperatur T3) / Anodeneinlass
    19
    Sensor (Druck p4) / Anodenauslass
    19'
    Sensor (Temperatur T4) / Anodenauslass
    20
    Hochdruckleitungsteil
  • 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
    • US 2019/0288310 A1 [0005]
    • WO 2013/051397 A1 [0005]
    • DE 112008000843 T5 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf (7) eines einen Anodeneinlass (6) und einen Anodenauslass (3) umfassenden Brennstoffzellenstapels (4) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), wobei an den Anodenkreislauf (7) ein Brennstoffreservoir (10) über ein Leitungssystem angeschlossen ist, das wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf (7) strömungsverbundene und von Ventilen (14, 15) begrenzte Mitteldruckstrecke (12) mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke (12) gelegenen mit dem Anodeneinlass (6) strömungsverbundenen Niederdruckbereich (13) mit einem vorgegebenen zweiten Volumen (V2), umfassend die Schritte: - Erfassen einer ersten Temperatur (T1) des in der Mitteldruckstrecke (12) vorhandenen Brennstoffs und einer zweiten Temperatur (T2) des im Niederdruckbereich (13) vorhandenen Gases, wobei sich die erste Temperatur (T1) von der zweiten Temperatur (T2) um wenigstens einen Grenzwert voneinander unterscheiden, - Erfassen des Drucks (p2) in der Mitteldruckstrecke (12) und des ersten Drucks (p1) in dem Niederdruckbereich (13), - Öffnen des die Mitteldruckstrecke (12) vom Niederdruckbereich (13) trennenden Ventils (14), wodurch sich das im Niederdruckbereich (13) vorhandene Gas mit dem in der Mitteldruckstrecke (12) vorhandenen Brennstoff durchmischt, - Erfassen des in der Mitteldruckstrecke (12) und dem Niederdruckbereich (13) vorliegenden Drucks (pges.) sowie der Temperatur (Tges.), und - Ermitteln der Brennstoffkonzentration unter Heranziehung der thermischen Zustandsgleichung eines idealen Gases basierend auf den gemessenen Temperaturen (T1, T2, Tges) und den gemessenen Drücken (p1, p2, pges.) bei als bekannt vorausgesetzten, gemessenen oder berechneten Gaskonstanten (RH2, RN2, Rges) und Volumina (V1, V2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Temperaturunterschieds die die Mitteldruckstrecke (12) begrenzenden Ventile (14, 15) geschlossen werden, wonach ein Konditionieren des in der Mitteldruckstrecke (12) vorhandenen Brennstoffs auf die erste Temperatur (T1) und/oder des im Niederdruckbereich (13) vorhandenen Gases auf die zweite Temperatur (T2) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag in die Mitteldruckstrecke (12) und/oder in den Niederdruckbereich (13) mittels eines elektrischen Heizers erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T1) des in der Mitteldruckstrecke (12) vorhandenen Brennstoffs mit einem in die Mitteldruckstrecke (12) eingebundenen Wärmeübertrager eingestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager in einen Innenraumheizkreis eines Kraftfahrzeugs eingebunden ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur (T2) des in dem Niederdruckbereich (13) vorhandenen Gases mit der elektrischen Leistung eines in den Anodenkreislauf (7) eingebundenen Rezirkulationsgebläses (8) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf (7) die Annahme getroffen wird, dass neben Wasserstoff und Stickstoff keine weiteren Moleküle vorhanden sind, womit die Brennstoffkonzentration bezüglich der Stickstoffkonzentration im Anodenkreislauf (7) komplementär ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Brennstoffkonzentration basierend auf der folgenden Gleichung 1 R g e s = ( p 1 ∗ V 1 R N 2 ∗ T 1 + p 2 ∗ V 2 R H 2 ∗ T 2 ) ∗ T g e s p g e s ∗ ( V 1 + V 1 )
    Figure DE102020115834A1_0004
    erfolgt.
  9. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem einen Anodeneinlass (6) und einen Anodenauslass (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (4), der kathodenseitig an eine Kathodengasversorgung und der einen an den Anodeneinlass (6) und den Anodenauslass (3) angeschlossenen Anodenkreislauf (7) umfasst, der mittels eines Leitungssystems strömungsmechanisch mit einem Brennstoffreservoir (10) für die Zufuhr von frischem Brennstoff verbunden ist, wobei das Leitungssystem wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf (7) strömungsverbundene und von Ventilen (14, 15) begrenzte Mitteldruckstrecke (12) mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke (12) gelegenen mit dem Anodeneinlass (6) strömungsverbundenen Niederdruckbereich (13) mit einem vorgegebenen zweiten Volumen (V2), sowie mit einem Steuergerät, das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.
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