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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, insbesondere Brennstoffzellensysteme, in denen die Zuführung von Gas an die Anode basierend auf einem durch Interpolation von bekannten Kennfeldern ermittelten Massenstrom in einer Rezirkulationsleitung des Anodengases bestimmt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Brennstoffzellen im Betrieb stetig mit Anodengas, wie z.B. Wasserstoff, versorgt werden müssen. Um die Effizienz zu erhöhen, wird das Anodengas nach Durchgang durch die Anode meist rezirkuliert. Die Rezirkulation kann hierbei über verschiedene Pumpenvorrichtung erfolgen, z.B. aktiv über ein Rezirkulationsgebläse oder passiv über eine Strahlpumpe. Derartige Systeme sind z.B. in der
US 2017/0309933 A1 oder der
US 2014/0205920 A1 bekannt.
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Die Kenntnis der Menge des für die Stromerzeugung nutzbaren Teils des rezirkulierten Anodengases ermöglicht die Berechnung des Bedarfs an frisch zugeführtem Anodengas. Für die Berechnung des rezirkulierten Anodengases wird der rezirkulierte Gesamt-Massenstrom sowie die Konzentration der in der Brennstoffzelle umsetzbaren Komponenten, d.h. zumeist die Konzentration des Wasserstoffs im rezirkulierten Anodengas, und die Konzentration aller weiteren Komponenten im rezirkulierten Anodengas benötigt. Hierbei kann der rezirkulierte Gesamt-Massenstrom über für die Pumpenvorrichtung prinzipiell bestimmbare Kennlinien bzw. Kennfelder abgeleitet werden, die den Gesamtmassenstrom in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen an der Pumpenvorrichtung angeben.
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Diese Kennfelder müssen für jede Pumpenvorrichtung separat für definierte diskrete Temperaturen und Gaszusammensetzungen aufgenommen werden. Im Realbetrieb treten jedoch häufig Temperaturen und Gaszusammensetzungen außerhalb oder zwischen diesen ausgemessenen Kennfeldern auf, insbesondere aufgrund von zunehmender Verunreinigung des zirkulierten Anodengases und aufgrund von Temperaturschwankungen. Für einen definierten realen Betriebspunkt existiert z.B. ein Kennfeld bei der aktuellen Temperatur, aber nicht für die aktuelle Gaszusammensetzung.
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Durch die Verwendung von Kennfeldern, die nicht den tatsächlichen Bedingungen im rezirkulierten Anodengas entsprechen, ergibt sich eine bedeutende Ungenauigkeit in der Abschätzung des rezirkulierten GesamtMassenstroms. Diese pflanzt sich naturgemäß auf die Berechnung des frisch zuzuführenden Anodengases fort.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird deshalb darin gesehen, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit dem die Menge von frisch zuzuführendem Anodengas, wie insbesondere Wasserstoff, genauer bestimmt werden kann, um einen effizienteren Betrieb des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Ein Brennstoffzellensystem kann hierzu eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode aufweisen, die geeignet ist, unter Zuführung von Anodengas, insbesondere von Wasserstoff, zur Anode und Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode eine elektrische Spannung zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren eine Zuleitung zum Zuführen von Anodengas aus einer Anodengasquelle auf die Anode, eine Rezirkulationsleitung zum Führen von Anodengas von der Anode in die Zuleitung, eine Pumpenvorrichtung in der Rezirkulationsleitung, die das Anodengas von der Anode in die Zuleitung fördert, und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Menge des aus der Anodengasquelle über die Zuleitung zugeführten Anodengases aufweisen. Hierbei kann die Steuervorrichtung geeignet sein, auf eine Mehrzahl von Kennfeldern zuzugreifen, wobei jedes Kennfeld für eine bestimmte Temperatur und Gaszusammensetzung des von der Pumpenvorrichtung geförderten Anodengases den durch die Pumpenvorrichtung geförderten Massenstrom des Anodengases in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen an der Pumpenvorrichtung angibt. Die Steuervorrichtung kann des Weiteren geeignet sein, durch Interpolation aus der Mehrzahl von Kennfeldern den geförderten Massenstrom in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen für andere als die von der Mehrzahl von Kennfeldern verwendeten Temperaturen und Gaszusammensetzungen zu bestimmen und die Menge des aus der Anodengasquelle zugeführten Anodengases basierend auf dem durch die Interpolation bestimmten Massenstrom zu steuern.
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Das Brennstoffzellensystem weist also eine im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle auf, wie etwa eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, eine Direktmethanolbrennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle oder eine Festoxidbrennstoffzelle. Der Ausdruck „Brennstoffzelle“ soll hierbei sowohl eine einzelne aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehende Zelle als auch einen Stapel/Stack mehrerer derartiger Zellen beschreiben.
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Während die Kathode mit (Luft-)Sauerstoff versorgt werden kann, wird die Anode mit Anodengas wie etwa Wasserstoff aus einer Anodengasquelle versorgt, bei der es sich z.B. um einen Speicher oder um einen Reformationsprozess handeln kann. Das Anodengas ist damit nur begrenzt verfügbar und sollte damit möglichst vollständig umgesetzt werden. Zudem ist ein Ausstoß von z.B. Wasserstoff in die Umwelt aus Sicherheitsgründen nur in geringen Konzentrationen möglich. Darum wird das Anodengas nach teilweiser Reaktion an der Anode mittels einer Pumpenvorrichtung von der Anode über eine Rezirkulationsleitung zurück in die Zuleitung für frisches Anodengas geführt. Dieses rezirkulierte Gas weist neben den für die Reaktion in der Brennstoffzelle notwendigen Molekülen Verunreinigungen wie etwa Wasser und Sticksoff auf. Durch beständige Rezirkulation wird also der umsetzbare Anteil des Anodengases beständig reduziert.
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Um Leistungseinbußen zu vermeiden, wird von einer Steuervorrichtung, bei der es sich z.B. um einen Computer, eine CPU, einen Prozessor oder dergleichen handeln kann, die Menge des nachzuführenden frischen Anodengases, das im Wesentlichen nur aus umsetzbaren Molekülen besteht, gesteuert oder geregelt. Diese Steuerung geschieht derart, dass die Steuervorrichtung auf lokal oder extern gespeicherte Kennfelder zurückgreift, aus denen der Gesamt-Massenstrom in der Rezirkulationsleitung anhand der Druckverhältnisse an der Pumpenvorrichtung abgelesen werden kann. Diese Kennfelder wurden im Vorfeld für bestimmte Temperaturen und Gaszusammensetzungen aufgenommen. Die Steuervorrichtung ist nun in der Lage aus diesen im Vorfeld bestimmten Kennfeldern einen Massenstrom durch die Rezirkulationsleitung für Temperaturen und/oder Gaszusammensetzungen zu interpolieren, die nicht denjenigen Werten entsprechen, bei denen die im Vorfeld bestimmten Kennfelder aufgenommen wurden.
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Hierdurch ist die Steuervorrichtung in der Lage, den Massenstrom (bzw. Gesamt-Massenstrom) durch die Rezirkulationsleitung genauer abzuschätzen, als es ihr mit den im Vorfeld gewonnenen Kennfeldern möglich wäre, da sie genaue Massenstromwerte nicht nur für die Temperaturen und/oder Gaszusammensetzungen der vorab gewonnenen Kennfelder ermitteln kann, sondern auch für Zwischenwerte. Diese genauere Kenntnis des Massenstroms verbessert dann auch die Steuerung der Zuführung an frischem Anodengas, da diese auf der Bestimmung des Massenstroms basiert. Dadurch wird das Brennstoffzellensystem im Vergleich zum Stand der Technik effizienter.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, durch die Interpolation weitere Kennfelder herzuleiten, die den geförderten Massenstrom in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen für andere Temperaturen und Gaszusammensetzungen angeben als die Mehrzahl von Kennfeldern. Die Steuervorrichtung leitet also nicht nur einzelne Gesamtmassenstrom-Werte mittels Interpolation ab, sondern erstellt komplette Kennfelder aus den bereits vorhandenen Feldern. Dies erlaubt es im Prinzip den Gesamtmassenstrom über den gesamten für den Betrieb der Brennstoffzelle relevanten Parameterraum zu ermitteln, wodurch die Genauigkeit der Bestimmung des frisch zuzuführenden Anodengases weiter verbessert wird.
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Die verschiedenen Kennfelder können hierbei auch sukzessiv interpoliert werden. Zum Beispiel können zunächst aus drei Kennfeldern weitere Felder interpoliert werden, die hinsichtlich der Temperatur und/oder hinsichtlich der Gaszusammensetzung zwischen den im Vorfeld bestimmten Kennfeldern liegt. Zwischen diesen neu abgeleiteten Kennfeldern und den im Vorfeld bestimmten kann dann wiederum ein weiteres Kennfeld interpoliert werden. Dieser Prozess kann fortgeführt werden, bis der Parameterraum ausreichend feingliedrig abgedeckt ist, um eine ausreichend genaue Gesamtmassenstrombestimmung über den gesamten relevanten Parameterraum gewährleisten zu können.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, ein weiteres Kennfeld durch die Interpolation herzuleiten, das für die momentane Temperatur und Gaszusammensetzung des Anodengases in der Rezirkulationsleitung den Massenstrom in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen an der Pumpenvorrichtung angibt. Die Interpolation wird dadurch zielgerichtet auf den Parametersatz gerichtet, der derzeit in dem Brennstoffzellensystem vorliegt. Dadurch kann unter Schonung der Prozessorressourcen der Steuervorrichtung der für die aktuell notwendige Steuerung der Anodengaszufuhr benötigte Gesamtmassenstrom in der Rezirkulationsleitung bestimmt werden. Die Zufuhrsteuerung wird also prozessorschonend und damit energiesparend durchgeführt. Die dadurch gewonnenen Kennfelder können zudem auch für die oben beschriebene sukzessive Abdeckung des Parameterraums verwendet werden.
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Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren Sensoren aufweisen, die geeignet sind, die Temperatur, die Gaszusammensetzung und die Druckverhältnisse des Anodengases in der Rezirkulationsleitung zu bestimmen und an die Steuervorrichtung zu übermitteln. Dies ermöglicht eine genaue und direkte Ermittlung der für die Massenstrombestimmung notwendigen Parameter.
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Die Pumpenvorrichtung kann eine Strahlpumpe mit einem regelbaren Verhältnis von Treibstrom und Saugstrom sein. Für derartige Strahlpumpen werden oft Kennfelder vom Hersteller angegeben. Dies erspart das Ausmessen derartiger Kennfelder als Startpunkt für die Interpolation. Zudem lassen sich über die Strahlpumpe die Gasströme in der Rezirkulationsleitung in einfacher und effizienter Weise steuern.
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Die Kennfelder können den Massenstrom in Abhängigkeit von der Differenz des Drucks vor und hinter der Pumpenvorrichtung angeben. Dadurch kann der (Gesamt-)Massenstrom durch die Rezirkulationsleitung in einfacher Weise basierend auf Druckmessungen vor und hinter der Pumpenvorrichtung ermittelt werden.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die Interpolation mittels Polynomfunktionen vorzunehmen. Dies ermöglicht eine einfache und flexible Herleitung der zu interpolierenden Massenstromwerte.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die Interpolation vor Betrieb der Brennstoffzelle vorzunehmen. Dadurch können Massenstromwerte für während des Betriebs des Brennstoffzellensystems besonders relevante oder besonders häufig auftretende Temperaturwerte und/oder Gaszusammensetzungen im Voraus durch Interpolation aus vermessenen Kennfeldern bestimmt werden. Dies reduziert die Prozessorlast während des Betriebs der Brennstoffzelle und führt zu einer schnelleren Verfügbarkeit der korrekten Massenstromwerte und zu einer Energieeinsparung während des Betriebs der Brennstoffzelle.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die Temperatur und die Gaszusammensetzung des Anodengases basierend auf dem Lastpunktstrom der Brennstoffzelle zu bestimmen. Die Steuervorrichtung ermittelt also, z.B. durch Messung, den Lastpunktstrom, der von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Daraus ermittelt sie anhand einer Modellierung oder basierend auf einer zuvor aufgezeichneten Betriebshistorie wahrscheinlich auftretende Kombinationen von Temperatur und Gaszusammensetzung in der Rezirkulationsleitung. Insbesondere kann für das Brennstoffzellensystem während eines Kalibrierprozesses ein Zusammenhang zwischen Lastpunktstrom, Temperatur und Gaszusammensetzung hergestellt werden, der es ermöglicht, allein aus der Lastpunktstrommessung auf die Temperatur und die Gaszusammensetzung zu schließen, bzw. mit hoher Wahrscheinlichkeit auftretende Temperatur- und Gaszusammensetzungswerte daraus abzuleiten. Dies vereinfacht während des Betriebs der Brennstoffzelle die Ermittlung der Temperatur und der Gaszusammensetzung.
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Ein Kraftfahrzeug kann mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet sein, wie es oben beschrieben wurde. Dadurch wird ein möglichst effizienter und damit sparsamer Antrieb des Kraftfahrzeugs durch das Brennstoffzellensystem ermöglicht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems;
- 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs;
- 3A und 3B schematische Darstellungen der Interpolation von Kennfeldern; und
- 4 verschieden Abschätzungen eines rezirkulierten Massenstroms im Vergleich zu den tatsächlichen Messwerten.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100. Die Anordnung sämtlicher Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 ist hier rein symbolisch und soll insbesondere die räumliche Lage der einzelnen Komponenten nicht einschränken, außer dies ist explizit erwähnt.
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Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 weist eine Brennstoffzelle 110 auf. Die Brennstoffzelle 110 weist einen typischen, dem Fachmann bekannten Aufbau aus einer Anode 112, einer Kathode 114 und einem dazwischenliegenden Elektrolyten 116 auf. Durch Zuführung von Anodengas auf die Anode 112 und Kathodengas auf die Kathode 114 kann die Brennstoffzelle 110 eine Spannung und einen entsprechenden Laststrom I erzeugen. Der Begriff „Brennstoffzelle“ soll hier neben der in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit gezeigten Einzelzelle auch einen Stapel/Stack von Einzelzellen umfassen. Da der Aufbau und die Funktion derartiger Brennstoffzellen 110 einem Fachmann bekannt ist, kann auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden.
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Das Brennstoffzellensystem 100 weist des Weiteren eine Anodengasquelle 120 auf, aus der Anodengas über eine Zuleitung 122 auf die Anode 112 geführt werden kann. Als Anodengasquelle 120 kann z.B. ein Tank oder ein Reformationsprozess dienen. Zudem weist das Brennstoffzellensystem 100 Kathodengasleitungen 124 auf, durch die Kathodengas zur Kathode 114 geführt und Kathodenabgas von der Kathode 114 weggeführt werden kann. Anodengas und Kathodengas sind durch den Typ der Brennstoffzelle 110 bestimmt. Als Anodengas fungiert bevorzugter Weise Wasserstoff, während als Kathodengas Umgebungsluft verwendet wird. Die im Folgenden beschriebenen Vorteile lassen sich aber auch für andere Gaskombinationen erzielen.
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Durch Reaktionen des Anodengases an der Anode 112 sowie durch Diffusion von Kathodengasbestandteilen von der Kathode zur Anode weist das Anodengas nach Verlassen der Anode 112 Verunreinigungen auf, d.h. andere Moleküle als die für den Betrieb der Brennstoffzelle 110 notwendigen. Dabei kann es sich insbesondere für den Betrieb mit Wasserstoff und Luft um Wasser und Stickstoff handeln, die sich im Anodengas anreichern.
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Da jedoch auch nach Durchlauf durch die Anode 112 noch ein beträchtlicher Anteil von umsetzbaren Komponenten im Anodengas vorhanden ist, wird das Anodengas nach Verlassen der Anode 112 mittels einer Rezirkulationsleitung 130 und einer darin angeordneten Pumpenvorrichtung 140, etwa einer Strahlpumpe mit regelbarem Verhältnis von Treibstrom und Saugstrom oder einem Gebläse, wieder in die Zuleitung 122 zurückgeführt und damit erneut auf die Anode 112 gebracht. Bei Verwendung einer Strahlpumpe kann diese direkt an der Verbindung von Rezirkulationsleitung 130 und Zuleitung 122 sitzen bzw. diese bilden. Dadurch reichern sich die Verunreinigungen im Anodengas an, wodurch ohne erneute Zugabe von frischem, d.h. nicht verunreinigtem Anodengas aus der Anodengasquelle 120 die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 110 herabgesetzt wird.
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Um dies zu vermeiden wird die Zufuhr von frischem Anodengas von einer Steuervorrichtung 150 gesteuert, bei der es sich um einen Computer, eine CPU, einen Prozessor, ein von diesen ausgeführtes Programm oder dergleichen handeln kann. Die Steuerung ist in der 1 durch den Pfeil A symbolisiert. Die Steuervorrichtung 150 kann überdies auch alle übrigen Funktionen des Brennstoffzellensystems 100 kontrollieren, wie etwa die Pumpenvorrichtung 140, die Zufuhr von Kathodengas oder die Last an der Brennstoffzelle 100.
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Um die Steuerung der Anodengaszufuhr aus der Anodengasquelle 120 korrekt durchführen zu können, ist es wichtig, dass die Menge an umsetzbarem Gas im rezirkulierten Anodengas bekannt ist, z.B. also die Menge an Wasserstoff in einem aus Wasserstoff, Wasserdampf und Stickstoff bestehenden Anodengas. Diese kann bei Kenntnis der Gaszusammensetzung, d.h. der einzelnen Gaskonzentrationen, aus dem Massenstrom in der Rezirkulationsleitung 130 bestimmt werden. Da eine Herleitung der Gaszusammensetzung üblicher Weise einfacher ist, als die Messung dieses Gesamtmassenstroms durch die Rezirkulationsleitung 130, werden Kennfelder bzw. Kennlinien verwendet, die für eine bestimmte Temperatur und Gaszusammensetzung den Massenstrom in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in der Rezirkulationsleitung 130, insbesondere an der Pumpenvorrichtung 140, angeben.
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Die Steuervorrichtung 150 kann hierbei auf eine Mehrzahl dieser Kennfelder zugreifen. Die Kennfelder können dabei z.B. in einem Speicher der Steuervorrichtung 150 gespeichert sein oder von einem externen Speicher angefordert werden, z.B. über ein Netzwerk oder eine Datenleitung.
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Die Aufnahme derartiger Kennfelder ist aber sehr zeitaufwändig. Deshalb stehen der Steuervorrichtung 150 nur eine begrenzte Anzahl von vorab aufgenommenen Kennfeldern zur Verfügung, z.B. 3, 5, 7 oder 10 Kennfelder für verschiedene Kombinationen von Temperaturen und Gaszusammensetzungen. Weichen die tatsächlich auftretenden Temperaturen und Gaszusammensetzungen von denjenigen ab, für die die Kennfelder erstellt wurden, kommt es zu Fehlern bei der Zuführung von frischem Anodengas, die zumindest die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 herabsetzen.
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Die Steuervorrichtung 150 ist deshalb geeignet, aus den ihr vorliegenden Kennfeldern Massenstromwerte für Temperaturen und/oder Gaszusammensetzungen durch Interpolation herzuleiten, die sich von den Temperaturen und/oder Gaszusammensetzungen der vorliegenden Kennfelder unterscheiden. Dies kann sowohl während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 als auch vor dem Betrieb geschehen.
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Für eine Interpolation während des Betriebs kann das Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl an Sensoren aufweisen, mit denen die notwendigen Betriebsparameter in der Rezirkulationsleitung 130 gemessen oder abgeschätzt werden können. So kann das Brennstoffzellensystem 100 zumindest einen Temperatursensor 132, zumindest einen Drucksensor 136 und Gassensoren 134 aufweisen, die die Gaszusammensetzung bestimmten können. Verschiedene dieser Sensoren können aber auch weggelassen werden. Die Steuervorrichtung 150 schätzt die entsprechenden Betriebsparameter dann anhand von Betriebssimulationen ab. Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung Temperatur und Gaszusammensetzung in der Rezirkulationsleitung 130 bei entsprechender, prinzipiell möglicher Modellierung des Brennstoffzellensystems 100 aus dem anliegenden Laststrom I ermitteln, wodurch die Notwendigkeit von Temperatursensoren 132 und Gassensoren 134 wegfallen würde. Ebenso lassen sich die Druckverhältnisse aus direkten Messungen oder aufgrund von Betriebsmodellen ermitteln. Ausschlaggebend für die Interpolation während des Betriebs der Brennstoffzelle 110 ist hierbei allein, dass die Steuervorrichtung 150 auf die aktuellen Betriebsparameter zugreifen kann.
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Unterscheiden sich Temperatur und/oder Gaszusammensetzung in der Rezirkulationsleitung 130 von denjenigen, bei denen die Kennfelder aufgenommen wurde, so Inter- (oder Extra-)poliert die Steuervorrichtung 150 die vorhandenen Kennfelder derart, dass der Gesamtmassenstrom durch die Rezirkulationsleitung 130 basierend auf den ebenfalls verfügbaren Druckverhältnissen für die tatsächlich herrschenden Betriebsparameter bestimmt werden kann. Aus diesem Gesamtmassenstrom leitet die Steuervorrichtung 150 dann den notwendigen Zustrom von frischem Anodengas ab und steuert diesen entsprechend, z.B. durch Öffnen eines Ventils und/oder durch das Starten einer Pumpe oder eines Gebläses.
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Auf diese Weise kann während des Betriebs der Brennstoffzelle 110 punktuell für die jeweils vorherrschende Temperatur und Gaszusammensetzung ein genauer Wert des Gesamtmassenstroms ermittelt werden, der eine exakte Zufuhrkontrolle von frischem Anodengas ermöglicht. Dies erhöht schlussendlich die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100. Neben punktuellen Werten kann die Steuervorrichtung 150 auch gesamte Kennfelder aufnehmen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 150 oder ein der Steuervorrichtung 150 entsprechendes externes Gerät die Interpolation auch im Vorfeld des Betriebs der Brennstoffzelle 110 vornehmen. Hierzu werden aus ausgemessenen Kennfeldern Datensätze interpoliert, die wahrscheinlich während des Betriebs der Brennstoffzelle 110 auftretenden Betriebsparametern entsprechen. Das Brennstoffzellensystem 100 geht also mit einem größeren Satz an sofort verfügbaren Massenstromwerten in Betrieb. Trotzdem auftretende Abweichungen von den vorab geschätzten Betriebsparametern kann dann wie oben beschrieben während des Betriebs durch weitere Interpolationen begegnet werden. So ist es z.B. auch möglich, dass das Brennstoffzellensystem 100 während des Betriebs für immer mehr Betriebsparameter entsprechende Massenstromwerte generiert und abspeichert, so dass die Notwendigkeit zu interpolieren mit steigender Betriebszeit sinkt. Damit ist es nach einer gewissen Zeit meist sehr schnell möglich, den Massenstrom z.B. anhand einer von der Steuervorrichtung 150 vorgehaltenen Vergleichstabelle oder Datenbank zu ermitteln. Hierdurch werden Prozessorressourcen geschont und die Ermittlung des korrekten Massenstroms beschleunigt, wodurch auch die Steuerung der Zufuhr von frischem Anodengas verbessert wird. Zudem wird der Energieverbrauch für die Steuerung des Brennstoffzellensystems 100 verringert.
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Wie in der 2 gezeigt kann das oben beschriebene Brennstoffzellensystem 100 bevorzugt in Kraftfahrzeugen 200 eingesetzt werden. Durch die Verbesserung der Steuerung der Anodengaszufuhr kann eine Vergrößerung der Reichweite des Kraftfahrzeuges 200 bei gleicher Menge an verfügbarem Anodengas erreicht werden.
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Die 3A und 3B stellen äußerst schematisch und rein beispielhaft ein für die Interpolation des Massenstroms verwendbares Verfahren dar. In den 3A und 3B sind drei vorab bestimmte Kennfelder X, Y und Z gezeigt, die den durch die Pumpenvorrichtung 140 geförderten Massenstrom in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen an der Pumpenvorrichtung 140 angeben. Derartige Kennlinien bzw. Kennfelder können insbesondere für Strahlpumpen ausgemessen werden, wobei der Massenstrom dann in Abhängigkeit vom Druckunterschied vor und hinter der Strahlpumpe angegeben wird.
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Die Kennlinie X entspricht dabei einer ersten Temperatur und einer ersten Gaszusammensetzung, die Kennlinie Y einer zweiten Temperatur, aber der ersten Gaszusammensetzung, und die Kennlinie Z der ersten Temperatur, aber eine zweiten Gaszusammensetzung.
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Für fünf einzelne Messpunkte der Kennlinien X und Y sind in der 3A Interpolationskurven gezeigt, die die Entwicklung der Kennlinie X mit der Temperatur symbolisieren. Diese Interpolationskurven können z.B. mittels des Fits von Polynomfunktionen an die Messwerte bestimmt werden. Es versteht sich, dass bei steigender Anzahl von Kennlinien die Genauigkeit des Fits, z.B. durch Verwendung von Polynomfunktionen höherer Ordnung verbessert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, aus der Kenntnis von Kennlinien für eine bestimmte Gaszusammensetzung Werte für den Massenstrom bei anderen Temperaturen herzuleiten.
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In gleicher Weise ist in der 3B die Interpolation bei gleicher Temperatur aber unterschiedlichen Gaszusammensetzungen gezeigt. Auch hier können Interpolationskurven generiert werden, die eine Änderung der Massenstromwerte mit sich ändernder Gaszusammensetzung angeben. Der Einfachheit halber wurde hier angenommen, dass nur die Änderung der Konzentration eines Bestandteils des Anodengases relevant ist, z.B. die Änderung des Wasserstoffanteils. Dies dient aber nur der Vereinfachung, eine Interpolation ist auch möglich, wenn auch die Änderungen mehrerer Komponenten zu unterschiedlichen Kennlinien führen.
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Ebenso können Interpolationskurven zwischen auf den Kennfeldern Y und Z liegenden Punkten ermittelt werden. Als Konsistenzbedingung kann hierbei gelten, dass die Verschiebung eines Punktes des Kennfeldes Z zunächst entlang der in der 3B dargestellten Interpolationskurven und hierauf entlang der in der 3A dargestellten Interpolationskurven zum gleichen Punkt auf dem Kennfeld Y führen muss, wie eine direkte Verschiebung vom Kennfeld Z auf das Kennfeld Y. Damit lässt sich bereits ein weiter Parameterraum durch Interpolation abdecken.
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Durch die Kombination der oben beschriebenen Interpolationsverfahren bzw. durch die Verwendung von Kennlinien, die sowohl für unterschiedliche Temperaturen als auch für unterschiedlichen Gaszusammensetzungen vermessen wurden, kann im Prinzip ein Fit für den gesamten Parameterraum erstellt werden. So ist es z.B. möglich Werte die entlang der Interpolationskurven der 3A zwischen den Kennfeldern X und Y liegen zu Werten zwischen den Feldern Y und Z zu interpolieren. Es versteht sich hierbei von selbst, dass ein derartiger Fit umso genauer wird, je mehr tatsächlich vermessene Kennlinien für den Fit verwendet werden. Eine substantielle Verbesserung der Bestimmung des Gesamtmassenstroms durch die Rezirkulationsleitung 130 ist aber bereits mit 3 Kennlinien/Kennfeldern möglich.
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Dies ist in der 4 gezeigt, in der neben den Messwerten für den Massenstrom in Gramm pro Sekunde über die Zeit, die berechneten Massenstromwerte für drei Kennfelder sowie für die aus den drei Kennfeldern gewonnene Interpolation dargestellt sind. Während die verschiedenen Kennfelder zu verschiedenen Zeiten den Messergebnissen relativ nahe kommen (für Kennfeld 1 im mittleren Zeitsegment, für Kennfeld 2 zu Beginn und am Ende, für Kennfeld 3 in den übrigen Zeitsegmenten), liegt die Interpolation nahezu durchgängig näher an der tatsächlich gemessenen Massenstromwerten. Auch eine Interpolation, die nur von drei Kennfeldern/Kennlinien ausgeht, kann also eine Signifikante Verbesserung der Genauigkeit des berechneten Massenstroms herbeiführen und damit die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 verbessern. Werden mehr als drei vermessene Kennfelder verwendet, vergrößert sich dieser Effekt noch zusätzlich.
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Mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 ist es also möglich, die nötige Zufuhr von frischem Anodengas in verbesserter Weise abzuschätzen, was zu einem effizienteren und Anodengas sparenden Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 beiträgt. Ein mit einem derartigen Brennstoffzellensystem 100 betriebenes Kraftfahrzeug 200 gewinnt also im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellensystemen an Reichweite.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0309933 A1 [0002]
- US 2014/0205920 A1 [0002]
