DE102020117820A1 - Method for determining the fuel concentration in an anode circuit, fuel cell device and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf (7) eines einen Anodeneinlass (6) und einen Anodenauslass (3) umfassenden Brennstoffzellenstapels (4) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), wobei dem Anodenauslass (3) eine in den Anodenabgasstrom eingebrachte Sensormessstelle (12) mit einem Drucksensor (p2p4) und einem Temperatursensor (T2T2) zugeordnet ist, umfassend die Schritte: - Ermitteln eines Wasserdampfanteils (yH2Ovapsat) des am Anodenauslass (3) vorhandenen Gasgemisches mit der Annahme, dass an der Sensormessstelle (12) vollständig gesättigter Wasserdampf vorliegt, durch Bildung des Quotienten aus dem Wasserdampfpartialdruck (ppartH2ovapsat) anhand der bekannten Sättigungsdampfdruckkurve für Wasserdampf und aus einem vom Drucksensor (p2p4) gemessenen Druckwert, - Ermitteln eines Stickstoffanteils (yN2) des am Anodenauslass (3) vorhandenen Gasgemisches durch Bildung des Quotienten aus dem Stickstoffpartialdruck (ppartN2) und dem vom Drucksensor (p2p4) gemessenen Druckwert, wobei der Stickstoffpartialdruck (ppartN2) aus der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase ermittelt wird anhand eines vom Temperatursensor (T2T2) gemessenen Temperaturwerts, einem bekannten oder geschätzten Gasvolumen (VAnode) im Anodenkreislauf (7) und einer im Anodenkreislauf (7) vorhandenen bekannten oder ermittelten Stickstoffmasse (mN2), und - Ermitteln des Brennstoffanteils (yH2) anhand des ermittelten Wasserdampfanteils (yH2ovapsat) und des ermittelten Stickstoffanteils (yN2). Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method and a device for determining the fuel concentration in an anode circuit (7) of a fuel cell stack (4) of a fuel cell device (1) comprising an anode inlet (6) and an anode outlet (3), wherein the anode outlet (3) has a sensor measuring point (12) introduced in the anode exhaust gas flow, with a pressure sensor (p2p4) and a temperature sensor (T2T2), comprising the steps: - determining a water vapor content (yH2Ovapsat) of the gas mixture present at the anode outlet (3) with the assumption that at the sensor measuring point (12 ) fully saturated water vapor is present, by forming the quotient of the water vapor partial pressure (ppartH2ovapsat) using the known saturation vapor pressure curve for water vapor and a pressure value measured by the pressure sensor (p2p4), - determining a nitrogen content (yN2) of the gas mixture present at the anode outlet (3) through formation the quotient of the nitrogen pa tial pressure (ppartN2) and the pressure value measured by the pressure sensor (p2p4), whereby the nitrogen partial pressure (ppartN2) is determined from the thermal equation of state of ideal gases using a temperature value measured by the temperature sensor (T2T2), a known or estimated gas volume (VAnode) in the anode circuit (7 ) and a known or determined mass of nitrogen (mN2) present in the anode circuit (7), and - determination of the proportion of fuel (yH2) based on the determined proportion of water vapor (yH2ovapsat) and the determined proportion of nitrogen (yN2). The invention also relates to a motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf einer Brennstoffzellenvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for determining the fuel concentration in an anode circuit of a fuel cell device. The invention also relates to a fuel cell device for carrying out the method and a motor vehicle.

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.Fuel cells are used to provide electrical energy in a chemical reaction between a fuel, usually hydrogen, and an oxygen-containing oxidizing agent, usually air. If the power requirement exceeds the power provided by the fuel cell, it is possible to combine several fuel cells in series to form a fuel cell stack, although the need for the reactants involved in the chemical reaction increases and there is a need on the cathode side to store the air in a compressor to compress. On the anode side, the fuel is usually provided from a fuel reservoir. The fuel and also the oxidizing agent are supplied to the fuel cells in a hyper-stoichiometric manner in order to maximize their efficiency. Fuel that has not reacted in the fuel cells is recirculated to conserve resources, i.e. fed back to the fuel cells. A recirculation fan or an ejector pump is used to convey the fuel that has not been converted, which also ensures that the recirculated fuel and the freshly supplied fuel are evenly mixed.

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.The fuel concentration in the anode gas of a PEM fuel cell device in vehicles must be able to be set depending on the operating point in order to achieve the extraction capacity and for safe operation, so that on the one hand, for reasons of efficiency, no more fuel than necessary, and on the other hand, to ensure a minimum supply of fuel as much fuel as possible in the Anode gas should be included. The latter case in particular can lead to fuel shortages (so-called "fuel starvation"), which must be avoided.

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.In order to be able to measure the fuel concentration in the anode circuit, it is known, for example, to use H 2 concentration sensors, which, however, are expensive to purchase and sometimes supply unreliable measured values for the fuel concentration.

Verfahren zum Berechnen der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf sind in den Druckschriften US 2019 / 0 288 310 A1 , DE 10 2011 054 459 A1 und JP 2006 351 318 A angegeben.Methods for calculating the fuel concentration in the anode loop are in the references U.S. 2019/0 288 310 A1 , DE 10 2011 054 459 A1 and JP 2006 351 318 A specified.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und robusteres Verfahren zum Bestimmen der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben.It is the object of the present invention to specify a simplified and more robust method for determining the fuel concentration in the anode circuit. Furthermore, it is the object of the invention to specify a fuel cell device for carrying out the method and a motor vehicle with such a fuel cell device.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 7 and by a motor vehicle having the features of claim 8. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf eines einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass umfassenden Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei dem Anodenauslass eine in den Anodenabgasstrom eingebrachte Sensormessstelle mit einem Drucksensor (p2p4) und einem Temperatursensor (T2T2) zugeordnet ist, umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

  • - Ermitteln eines Wasserdampfanteils (yH2Ovapsat) des am Anodenauslass vorhandenen Gasgemisches mit der Annahme, dass an der Sensormessstelle vollständig gesättigter Wasserdampf vorliegt, durch Bildung des Quotienten aus dem Wasserdampfpartialdruck (ppartH2Ovapsat) anhand der bekannten Sättigungsdampfdruckkurve für Wasserdampf und aus einem vom Drucksensor (p2p4) gemessenen Druckwert,
  • - Ermitteln eines Stickstoffanteils (yN2) des am Anodenauslass vorhandenen Gasgemisches durch Bildung des Quotienten aus dem Stickstoffpartialdruck (ppartN2) und dem vom Drucksensor (p2p4) gemessenen Druckwert, wobei der Stickstoffpartialdruck (ppartN2) aus der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase ermittelt wird anhand eines vom Temperatursensor (T2T2) gemessenen Temperaturwerts, einem bekannten oder geschätzten Gasvolumen (VAnode) im Anodenkreislauf und einer im Anodenkreislauf vorhandenen bekannten oder ermittelten Stickstoffmasse (mN2), und
  • - Ermitteln des Brennstoffanteils (yH2) anhand des ermittelten Wasserdampfanteils (yH2ovapsat) und des ermittelten Stickstoffanteils (yN2).
The method according to the invention for determining the fuel concentration in an anode circuit of a fuel cell stack comprising an anode inlet and an anode outlet of a fuel cell device, wherein the anode outlet is assigned a sensor measuring point introduced into the anode exhaust gas flow with a pressure sensor (p 2p4 ) and a temperature sensor (T 2T2 ), includes in particular the following steps:
  • - Determination of a water vapor fraction (y H2Ovapsat ) of the gas mixture present at the anode outlet, assuming that fully saturated water vapor is present at the sensor measuring point, by forming the quotient of the water vapor partial pressure (ppart H2Ovapsat ) based on the known saturation vapor pressure curve for water vapor and from a pressure sensor (p 2p4 ) measured pressure value,
  • - Determination of a nitrogen fraction (y N2 ) of the gas mixture present at the anode outlet by forming the quotient of the nitrogen partial pressure (ppart N2 ) and the pressure value measured by the pressure sensor (p 2p4 ), the nitrogen partial pressure (ppart N2 ) being determined from the thermal equation of state for ideal gases based on a temperature value measured by the temperature sensor (T 2T2 ), a known or estimated volume of gas (V anode ) in the anode circuit and a known or estimated mass of nitrogen (m N2 ) present in the anode circuit, and
  • - Determining the proportion of fuel (y H2 ) based on the proportion of water vapor determined (y H2ovapsat ) and the proportion of nitrogen determined (y N2 ).

Durch den Einsatz des Temperatursensors und des Drucksensors am Anodenauslass ist ein robustes Messsystem zur Bestimmung bzw. Berechnung der Brennstoffkonzentration geschaffen. 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.By using the temperature sensor and the pressure sensor at the anode outlet, a robust measuring system for determining or calculating the fuel concentration is created. A Flows on the determination of the fuel concentration from the individual components of the fuel cell device can be reliably determined and calculated out. In addition, variable influencing factors can be measured, which also improves the reliability of the determination of the fuel concentration.

Es ist sinnvoll, einen initial bekannten Wasserdampfanteil (yH2ovapsat), einen initial bekannten Stickstoffanteil (yN2) und ein initial bekannten Brennstoffanteil (yH2) als Referenz heranzuziehen. Somit kann also eine bekannte Ausgangssituation für die Anodengaszusammensetzung herangezogen werden, um für einen späteren Zeitpunkt (Messzeitpunkt) die detaillierte Gaszusammensetzung anhand der vom Temperatursensor und Drucksensor an der Sensormessstelle zu berechnen.It makes sense to use an initially known water vapor fraction (y H2ovapsat ), an initially known nitrogen fraction (y N2 ) and an initially known fuel fraction (y H2 ) as a reference. A known initial situation for the anode gas composition can thus be used in order to calculate the detailed gas composition for a later point in time (measurement point) using the temperature sensor and pressure sensor at the sensor measuring point.

In diesem Zuge ist es von Vorteil, wenn ein initial bekannter Stickstoffanteil (yN2) zu einem initialen Zeitpunkt (Init) vorgegeben oder gemessen wird, und wenn bei Ermittlung des Stickstoffanteils (yN2) zu einem Zeitpunkt der Bestimmung des Brennstoffanteils (yH2) seit dem initialen Zeitpunkt (Init) einerseits jeder durch Diffusion bewirkte, dem Anodenkreislauf zufließende Stickstoffmassenstrom (ṁN2in) und andererseits jeder durch Purgen bewirkte, aus dem Anodenkreislauf abfließende Stickstoffmassenstrom (ṁN2Aus) berücksichtigt wird.In this context, it is advantageous if an initially known nitrogen content (y N2 ) is specified or measured at an initial point in time (Init), and if when determining the nitrogen content (y N2 ) at a point in time when determining the fuel content (y H2 ) on the one hand each caused since the initial instant (Init) by diffusion, the anode circuit influent nitrogen mass flow (m N2in) and on the other hand, each caused by purging, from the anode circuit flowing nitrogen mass flow (m N2Aus) is considered.

Beim Einsatz eines Rezirkulationsgebläses im Anodenkreislauf, also bei einer „aktiven“ Rezirkulation des Anodengases, lässt sich aus der Leistungsentnahme des Gebläses ein Gasvolumenstrom berechnen. Es ist für eine präzisere Ermittlung der Brennstoffzellenkonzentration daher von Vorteil, wenn der Gasvolumenstrom (V̇ges) im Anodenkreislauf bei der Ermittlung des Brennstoffanteils (yH2) berücksichtigt wird, und wenn der Gasvolumenstrom (V̇ges) anhand der Leistungsaufnahme eines in den Anodenkreislauf eingebundenen Rezirkulationsgebläses ermittelt wird.When using a recirculation fan in the anode circuit, i.e. with an "active" recirculation of the anode gas, a gas volume flow can be calculated from the power consumption of the fan. It is important for a more precise determination of the fuel cell concentration, therefore, advantageous if the gas volume flow (V ges) is taken into account in the anode circuit when determining the portion of fuel (y H2), and if the gas volume flow (V ges) based on the power consumption of an integrated in the anode circuit of the recirculation blower is determined.

In diesem Zuge ist es möglich, dass der am Anodenauslass vorliegende Gasvolumenstrom (V̇gesPos3) aus einer Differenz des beim Rezirkulationsgebläse vorliegenden Gasvolumenstroms (V̇ges) und dem über ein Purgeventil aus dem Anodenkreislauf austretende Gasvolumenstrom (V̇Purge) ermittelt wird.In this context, it is possible for the gas volume flow (V̇ gesPos3 ) present at the anode outlet to be determined from a difference between the gas volume flow (V̇ ges ) present at the recirculation fan and the gas volume flow (V̇ purge ) exiting the anode circuit via a purge valve.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass der Gasvolumenstrom (V̇ges) auf einem Modell basierend ermittelt und bei der Ermittlung des Brennstoffanteils (yH2) berücksichtigt wird; beispielsweise dann, wenn anstelle eines Rezirkulationsgebläses eine Saugstrahlpumpe im Anodenkreislauf Einsatz findet.There is also the possibility that the gas volume flow (V ges) is determined based on a model and takes into account when determining the portion of fuel (y H2); for example, when a suction jet pump is used in the anode circuit instead of a recirculation fan.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig an eine Kathodengasversorgung und der einen an den Anodeneinlass und den Anodenauslass angeschlossenen Anodenkreislauf umfasst, welcher strömungsmechanisch mit einem Brennstoffreservoir für die Zufuhr von frischem Brennstoff verbunden ist, und in welchen ein Purgeventil zum Spülen des Anodenkreislaufs eingebunden ist. Ferner umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung ein Steuergerät, das zur Durchführung der vorstehend erwähnten Verfahrens eingerichtet ist.The fuel cell device according to the invention comprises a fuel cell stack having an anode inlet and an anode outlet, the cathode side connected to a cathode gas supply and an anode circuit connected to the anode inlet and the anode outlet, which circuit is fluidically connected to a fuel reservoir for the supply of fresh fuel, and in which a purge valve for rinsing the anode circuit. Furthermore, the fuel cell device includes a control unit that is set up to carry out the above-mentioned method.

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.The advantages and advantageous effects mentioned in connection with the method according to the invention apply equally to the fuel cell device according to the invention and to the motor vehicle according to the invention that is equipped with such a fuel cell device.

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.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.

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, und
  • 2 eine schematische Darstellung der Stoffströme auf der Anodenseite.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 schematically a fuel cell system with a recirculation fan integrated into an anode circuit, and
  • 2 a schematic representation of the material flows on the anode side.

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, insbesondere 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.From the 1 It can be seen that in the part of a fuel cell device 1 shown to explain the invention, there is an anode circuit 7 with a fuel recirculation line 2 on the anode side, which leads from an anode outlet 3 of a fuel cell stack 4 to the fuel line 5 upstream of the anode inlet 6. The fuel recirculation line 2 can be associated with an anode separator, not shown in detail, in order to remove excess liquid from the anode to remove circuit 7. Since the reactants are provided over-stoichiometrically in a fuel cell, a recirculation fan 8 is integrated into the recirculation line in order to supply the fuel that has not been converted in the fuel cell or in a fuel cell stack 4 with a plurality of fuel cells again, i.e. to “recirculate” it. The fuel recirculation line 2 preferably opens into an in particular controllable ejector pump 9 of the fuel line 5 so that different proportions of the fresh fuel taken from a fuel reservoir 10 and the recirculated fuel can be fed back to the anode inlet 6 of the fuel cell stack 4 . Alternatively, the ejector pump 9 can also be dispensed with and the fuel recirculation line 2 can open directly into the fuel line 5 . A purge valve 11 is optionally arranged in the fuel recirculation line 2 downstream or alternatively upstream of the recirculation fan 8 in order to purge the anode circuit if the fuel concentration in the anode circuit 7 falls below a critical value or if the proportion of inert gases therein becomes too large.

Anhand von 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren zusammen mit seinen vorteilhaften Ausgestaltungen erläutert. Am Anodenauslass befindet sich eine Sensormessstelle 12 (1), die einen Temperatursensor (2T2) und einen Drucksensor (2p4) umfasst. Als Referenz wird eine näherungsweise bekannte Ausgangssituation für die Gasverteilung herangezogen, die beispielsweise bei einem System(neu-)start vorgegeben wird.Based on 2 the method according to the invention is explained together with its advantageous configurations. At the anode outlet there is a sensor measuring point 12 ( 1 ), which includes a temperature sensor (2T2) and a pressure sensor (2p4). An approximately known initial situation for the gas distribution is used as a reference, which is specified, for example, when the system (re)starts.

In Gleichungen ausgedrückt werden insbesondere die folgenden Annahmen, Umformungen und Berechnungen in der Recheneinheit des Steuergeräts durchlaufen, um die Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf 7 zu bestimmen. Ausgangspunkt ist eine allgemeine im Anodengas vorliegende Verteilung der Anteile an Wasserdampf (yH2Ovapsat), an Stickstoff (yN2) und an Brennstoff (yH2), für welche gilt: y H 2 O v a p s a t + y N 2 + y H 2 = 1 y H 2 = 1 ( y H 2 O v a p s a t + y N 2 ) = > H 2 v o l . % = 100 y H 2

Figure DE102020117820A1_0001
mit y H 2 O v a p s a t = p p a r t H 2 O v a p s a t p 2 P 4
Figure DE102020117820A1_0002
wobei ppartH2Ovapsat aus der Sättigungsdampfdruckkurve für Wasserdampf entnommen wird, da anzunehmen ist, dass der Wasserdampf zu 100% gesättigt am Anodenauslass 3 vorliegt. p2P4 entspricht dem vom Drucksensor gemessenen Druck am Anodenauslass 3. Es ist anzunehmen, dass das Anteil an anderen Inertgases (zum Beispiel Argon) verschwindend gering ist und deshalb bei der Berechnung nicht zu berücksichtigen ist.Expressed in equations, in particular the following assumptions, transformations and calculations are carried out in the processing unit of the control device in order to determine the fuel concentration in the anode circuit 7 . The starting point is a general distribution of the proportions of water vapor (y H2Ovapsat ), nitrogen (y N2 ) and fuel (y H2 ) in the anode gas, for which the following applies: y H 2 O v a p s a t + y N 2 + y H 2 = 1 y H 2 = 1 ( y H 2 O v a p s a t + y N 2 ) = > H 2 v O l . % = 100 y H 2
Figure DE102020117820A1_0001
With y H 2 O v a p s a t = p p a right t H 2 O v a p s a t p 2 P 4
Figure DE102020117820A1_0002
where ppart H2Ovapsat is taken from the saturation vapor pressure curve for water vapor, since it can be assumed that the water vapor is 100% saturated at the anode outlet 3. p 2P4 corresponds to the pressure measured by the pressure sensor at anode outlet 3. It can be assumed that the proportion of other inert gases (e.g. argon) is negligible and therefore not to be taken into account in the calculation.

Der Stickstoffanteil (yN2) lässt sich durch den Partialdruck ausdrücken mit y N 2 = p p a r t N 2 p 2 P 4 ,

Figure DE102020117820A1_0003
wobei p2P4 wiederum dem Druckwert des Drucksensors am Stapelausgang 3 entspricht.The proportion of nitrogen (y N2 ) can be expressed by the partial pressure with y N 2 = p p a right t N 2 p 2 P 4 ,
Figure DE102020117820A1_0003
where p 2P4 in turn corresponds to the pressure value of the pressure sensor at stack outlet 3.

Unter Heranziehung der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase lässt sich der Stickstoffpartialdruck wie folgt bestimmen: p * V = m * R * T => p p a r t N 2 = m N 2 R N 2 T 2 T 2 V A n o d e ,

Figure DE102020117820A1_0004
wobei RN2 die spez. Gaskonstante von Stickstoff, T2T2 die vom Temperatursensor gemessene Temperatur am Anodenauslass 3 und VAnode das Gasvolumen im Anodenkreislauf 7 ist. RN2 ist die ideale spezifische Gaskonstante von Stickstoff.Using the thermal equation of state for ideal gases, the nitrogen partial pressure can be determined as follows: p * V = m * R * T => p p a right t N 2 = m N 2 R N 2 T 2 T 2 V A n O i.e e ,
Figure DE102020117820A1_0004
where R N2 the spec. is the gas constant of nitrogen, T 2T2 is the temperature at the anode outlet 3 measured by the temperature sensor, and V anode is the gas volume in the anode circuit 7. R N2 is the ideal specific gas constant of nitrogen.

Der Stickstoffanteil im Anodenkreislauf 7 verändert sich aufgrund von einer Diffusion des Stickstoffs von der Kathodenseite auf die Anodenseite und aufgrund von Spülvorgängen. Für die im Anodenkreislauf 7 vorhandene Menge an Stickstoff - bezogen auf den initialen Referenzzeitpunkt - gilt: m N 2 = I n i t M e s s z e i t p u n k m ˙ N 2 I n m ˙ N 2 A u s

Figure DE102020117820A1_0005
Damit ergibt sich eine Stickstoffmassenstrombilanz an den in den Figuren dargestellten Positionen Pos.1 bis Pos.5: m ˙ N 2 P o s 4 = m ˙ N 2 P o s 5 = m ˙ N 2 P o s 1 = m ˙ N 2 P o s 2
Figure DE102020117820A1_0006
m ˙ N 2 P o s 4 = m ˙ N 2 D i f f + m ˙ N 2 P o s 2
Figure DE102020117820A1_0007
m ˙ N 2 P o s 4 = m ˙ N 2 P o s 3 m ˙ N 2 P u r g e
Figure DE102020117820A1_0008
The proportion of nitrogen in the anode circuit 7 changes as a result of diffusion of the nitrogen from the cathode side to the anode side and as a result of flushing processes. The following applies to the amount of nitrogen present in the anode circuit 7 - based on the initial reference time: m N 2 = I n i t M e s s e.g e i t p and n k m ˙ N 2 I n m ˙ N 2 A and s
Figure DE102020117820A1_0005
This results in a nitrogen mass flow balance at the positions shown in the figures Pos.1 to Pos.5: m ˙ N 2 P O s 4 = m ˙ N 2 P O s 5 = m ˙ N 2 P O s 1 = m ˙ N 2 P O s 2
Figure DE102020117820A1_0006
m ˙ N 2 P O s 4 = m ˙ N 2 D i f f + m ˙ N 2 P O s 2
Figure DE102020117820A1_0007
m ˙ N 2 P O s 4 = m ˙ N 2 P O s 3 m ˙ N 2 P and right G e
Figure DE102020117820A1_0008

Sie wird insbesondere an Pos.4 betrachtet, da hier der Anteil an Wasserdampf (YH2Ovapsat) im Anodengas bekannt ist: m ˙ N 2 P o s N E U = m ˙ N 2 D i f f + m ˙ N 2 P o s 2 D i f f m ˙ N 2 P u r g e

Figure DE102020117820A1_0009
mit m ˙ N 2 D i f f = ( p P a r t N 2 D i f f A k L ) M N 2 ,
Figure DE102020117820A1_0010
wobei MN2 die molare Masse von Stickstoff, L die Dicke der Membran der Brennstoffzelle, K die Permeabilität und A die Fläche der vom Stickstoff zu „durchlaufenden“ Membran ist.It is considered in particular at Pos. 4, since the proportion of water vapor (Y H2Ovapsat ) in the anode gas is known here: m ˙ N 2 P O s N E u = m ˙ N 2 D i f f + m ˙ N 2 P O s 2 D i f f m ˙ N 2 P and right G e
Figure DE102020117820A1_0009
With m ˙ N 2 D i f f = ( p P a right t N 2 D i f f A k L ) M N 2 ,
Figure DE102020117820A1_0010
where M N2 is the molar mass of nitrogen, L is the thickness of the fuel cell membrane, K is the permeability and A is the area of the membrane to be “traversed” by the nitrogen.

Für den Diffusionspartialdruck des Stickstoffs von Kathodenseite auf Anodenseite gilt der Massenerhaltungssatz, wobei sich folgender Zusammenhang ergibt: p P a r t N 2 D i f f N 2 D i f f = p P a r t N 2 K a t h o d e p P a r t N 2 A n o d e

Figure DE102020117820A1_0011
The law of conservation of mass applies to the diffusion partial pressure of nitrogen from the cathode side to the anode side, with the following relationship being obtained: p P a right t N 2 D i f f N 2 D i f f = p P a right t N 2 K a t H O i.e e p P a right t N 2 A n O i.e e
Figure DE102020117820A1_0011

Zusätzlich werden die Spülvorgänge des Anodenkreislaufs 7 berücksichtigt, wobei m ˙ N 2 P u r g e = x N 2 m ˙ P u r g e

Figure DE102020117820A1_0012
Purge ergibt sich dabei aus einer Durchflussmengenvermessung des Purgeventils 11. Der aus dem Spülventil austretende Massenanteil (xN2) an Stickstoff lässt sich auch ausdrücken durch x N 2 = m N 2 P o s 3 m g e s = m ˙ N 2 P o s 3 m ˙ g e s
Figure DE102020117820A1_0013
In addition, the rinsing processes of the anode circuit 7 are taken into account, where m ˙ N 2 P and right G e = x N 2 m ˙ P and right G e
Figure DE102020117820A1_0012
purge results from a flow rate measurement of the purge valve 11. The mass fraction (x N2 ) of nitrogen exiting the purge valve can also be expressed as x N 2 = m N 2 P O s 3 m G e s = m ˙ N 2 P O s 3 m ˙ G e s
Figure DE102020117820A1_0013

Hierbei wird mN2Pos3 aus der initialen Anodengaszusammensetzung bei Systemstart oder beim (Neu-)Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1, z.B. nach einer vorgegebenen Abstellzeit, herangezogen.In this case, m N2Pos3 is used from the initial anode gas composition when the system is started or when the fuel cell device 1 is (re)started, for example after a specified shutdown time.

Ferner gilt - erneut ausgehend von der idealen Gasgleichung - für die Gesamtmasse (mges) des Anodengases: p V = m R T = > m g e s = p V g e s R T

Figure DE102020117820A1_0014
Für den Gasvolumenstrom (V̇ges) lässt sich folgende Gleichung aufstellen: p V = m R T = > m ˙ g e s P o s 3 = p V ˙ g e s P o s 3 R T
Figure DE102020117820A1_0015
Hierbei gilt es wiederum die Purgevorgänge zu berücksichtigen, so dass sich am Stapelausgang folgende Situation findet: V̇gesPos3 = V̇ges - V̇Purge.Furthermore, the following applies - again based on the ideal gas equation - for the total mass (mges) of the anode gas: p V = m R T = > m G e s = p V G e s R T
Figure DE102020117820A1_0014
(Ges V) for the gas volume flow can be set up the following equation: p V = m R T = > m ˙ G e s P O s 3 = p V ˙ G e s P O s 3 R T
Figure DE102020117820A1_0015
This applies in turn to consider the Purgevorgänge so that the stack output following situation is: V = V Total gesPos3 - V Purge.

Der Gesamtvolumenstrom (V̇ges) lässt sich entweder modellbasiert ermitteln oder durch eine Leistungsaufnahme des Rezirkulationsgebläses 8 messen/berechnen, wobei sich also beispielsweise V̇ges aus der Umdrehungszahl ergibt. Für p wird der Druckwert des Drucksensors herangezogen und für T der Temperaturwert des Temperatursensors.The total volume flow (V ges) can either be determined based on a model or measured by a power consumption of the recirculation blower 8 / calculate, whereby thus, for example, V ges results from the number of revolutions. The pressure value of the pressure sensor is used for p and the temperature value of the temperature sensor for T.

Im Ergebnis lässt sich auf diese Weise die Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf 7 zu beliebigen Zeitpunkten allein basierend auf den Messwerten des robusten Drucksensors und des robusten Temperatursensors unter Verzicht auf einen Konzentrationssensor bestimmen.As a result, the fuel concentration in the anode circuit 7 can be determined at any point in time based solely on the measured values of the robust pressure sensor and the robust temperature sensor, without a concentration sensor.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffrezirkulationsleitungfuel recirculation line
33
Anodenauslassanode outlet
44
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
55
Brennstoffleitungfuel line
66
Anodeneinlassanode inlet
77
Anodenkreislaufanode circuit
88th
Rezirkulationsgebläserecirculation fan
99
Saugstrahlpumpeejector pump
1010
Brennstoffreservoirfuel reservoir
1111
Purgeventilpurge valve
1212
Sensormessstellesensor measuring point

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2019/0288310 A1 [0005]US 2019/0288310 A1 [0005]
  • DE 102011054459 A1 [0005]DE 102011054459 A1 [0005]
  • JP 2006351318 A [0005]JP2006351318A [0005]

Claims (8)

Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf (7) eines einen Anodeneinlass (6) und einen Anodenauslass (3) umfassenden Brennstoffzellenstapels (4) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), wobei dem Anodenauslass (3) eine in den Anodenabgasstrom eingebrachte Sensormessstelle (12) mit einem Drucksensor (p2p4) und einem Temperatursensor (T2T2) zugeordnet ist, umfassend die Schritte: - Ermitteln eines Wasserdampfanteils (yH2Ovapsat) des am Anodenauslass (3) vorhandenen Gasgemisches mit der Annahme, dass an der Sensormessstelle (12) vollständig gesättigter Wasserdampf vorliegt, durch Bildung des Quotienten aus dem Wasserdampfpartialdruck (ppartH2ovapsat) anhand der bekannten Sättigungsdampfdruckkurve für Wasserdampf und aus einem vom Drucksensor (p2p4) gemessenen Druckwert, - Ermitteln eines Stickstoffanteils (yN2) des am Anodenauslass (3) vorhandenen Gasgemisches durch Bildung des Quotienten aus dem Stickstoffpartialdruck (ppartN2) und dem vom Drucksensor (p2p4) gemessenen Druckwert, wobei der Stickstoffpartialdruck (ppartN2) aus der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase ermittelt wird anhand eines vom Temperatursensor (T2T2) gemessenen Temperaturwerts, einem bekannten oder geschätzten Gasvolumen (VAnode) im Anodenkreislauf (7) und einer im Anodenkreislauf (7) vorhandenen bekannten oder ermittelten Stickstoffmasse (mN2), und - Ermitteln des Brennstoffanteils (yH2) anhand des ermittelten Wasserdampfanteils (yH2ovapsat) und des ermittelten Stickstoffanteils (yN2).Method for determining the fuel concentration in an anode circuit (7) of a fuel cell stack (4) of a fuel cell device (1) comprising an anode inlet (6) and an anode outlet (3), the anode outlet (3) having a sensor measuring point (12) introduced into the anode exhaust gas flow is assigned to a pressure sensor (p 2p4 ) and a temperature sensor (T 2T2 ), comprising the steps of: - determining a water vapor content (y H2Ovapsat ) of the gas mixture present at the anode outlet (3) with the assumption that water vapor is completely saturated at the sensor measuring point (12). is present, by forming the quotient from the water vapor partial pressure (ppart H2ovapsat ) using the known saturation vapor pressure curve for water vapor and from a pressure value measured by the pressure sensor (p 2p4 ), - determining a nitrogen content (y N2 ) of the gas mixture present at the anode outlet (3) by forming the Quotient of the nitrogen partial pressure (ppart N2 ) and that of the D pressure sensor (p 2p4 ), the nitrogen partial pressure (ppart N2 ) being determined from the thermal equation of state for ideal gases using a temperature value measured by the temperature sensor (T 2T2 ), a known or estimated gas volume (V anode ) in the anode circuit (7) and a known or determined mass of nitrogen (m N2 ) present in the anode circuit (7), and - determining the proportion of fuel (y H2 ) based on the determined proportion of water vapor (y H2ovapsat ) and the determined proportion of nitrogen (y N2 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein initial bekannter Wasserdampfanteil (yH2Ovapsat), ein initial bekannter Stickstoffanteil (yN2) und ein initial bekannter Brennstoffanteil (yH2) als Referenz herangezogen werden.procedure after claim 1 , characterized in that an initially known water vapor fraction (y H2Ovapsat ), an initially known nitrogen fraction (y N2 ) and an initially known fuel fraction (y H2 ) are used as a reference. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein initial bekannter Stickstoffanteil (yN2) zu einem initialen Zeitpunkt (Init) vorgegeben oder gemessen wird, und dass bei Ermittlung des Stickstoffanteils (yN2) zu einem Zeitpunkt der Bestimmung des Brennstoffanteils (yH2) seit dem initialen Zeitpunkt (Init) einerseits jeder durch Diffusion bewirkte, dem Anodenkreislauf (7) zufließende Stickstoffmassenstrom (ṁN2in) und andererseits jeder durch Purge bewirkte, aus dem Anodenkreislauf (7) abfließende Stickstoffmassenstrom (ṁN2Aus) berücksichtigt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that an initially known nitrogen content (y N2 ) is specified or measured at an initial point in time (Init), and that when the nitrogen content (y N2 ) is determined at a point in time, the fuel content (y H2 ) is determined since the initial point in time (Init) on the one hand each nitrogen mass flow (ṁ N2in ) caused by diffusion and flowing into the anode circuit (7) and on the other hand each nitrogen mass flow (ṁ N2Aus ) flowing out of the anode circuit (7) caused by purge is taken into account. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasvolumenstrom (V̇ges) im Anodenkreislauf (7) bei der Ermittlung des Brennstoffanteils (yH2) berücksichtigt wird, und dass der Gasvolumenstrom (V̇ges) anhand der Leistungsaufnahme eines in den Anodenkreislauf (7) eingebundenen Rezirkulationsgebläses (8) ermittelt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , Characterized in that the gas volume flow (V ges) in the anode circuit (7) is taken into account when determining the portion of fuel (y H2), and that the gas volume flow (V ges) of the power consumption based on a integrated in the anode circuit (7), the recirculation blower (8 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der am Anodenauslass (3) vorliegende Gasvolumenstrom (V̇gesPos3) aus einer Differenz des beim Rezirkulationsgebläse (8) vorliegenden Gasvolumenstroms (V̇ges) und dem über ein Purgventil (11) aus dem Anodenkreislauf (7) austretende Gasvolumenstrom (V̇Purge) ermittelt wird.procedure after claim 4 , characterized in that the gas volume flow (V̇ gesPos3 ) present at the anode outlet (3) consists of a difference between the gas volume flow (V̇ ges ) present in the recirculation fan (8) and the gas volume flow (V̇ Purge ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasvolumenstrom (V̇ges) auf einem Modell basierend ermittelt und bei der Ermittlung des Brennstoffanteils (yH2) berücksichtigt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 Is characterized in that the gas volume flow is determined (V ges) based on a model and taken into account when determining the portion of fuel (y H2). 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 strömungsmechanisch mit einem Brennstoffreservoir (10) für die Zufuhr von frischem Brennstoff verbunden ist, und in welchen ein Purgeventil (11) zum Spülen des Anodenkreislaufs (7) eingebunden ist, sowie mit einem Steuergerät, das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (4) having an anode inlet (6) and an anode outlet (3), which on the cathode side is connected to a cathode gas supply and which comprises an anode circuit (7) connected to the anode inlet (6) and the anode outlet (3), which is flow-mechanically connected to a fuel reservoir (10) for the supply of fresh fuel, and in which a purge valve (11) for flushing the anode circuit (7) is integrated, and to a control unit which is used to carry out the method according to one of Claims 1 until 6 to perform. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7.Motor vehicle with a fuel cell device (1). claim 7 .
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