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
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
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).
- - 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.
-
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
Anhand von
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:
Der Stickstoffanteil (yN2) lässt sich durch den Partialdruck ausdrücken mit
Unter Heranziehung der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase lässt sich der Stickstoffpartialdruck wie folgt bestimmen: p * V = m * R * T =>
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:
Sie wird insbesondere an Pos.4 betrachtet, da hier der Anteil an Wasserdampf (YH2Ovapsat) im Anodengas bekannt ist:
Für den Diffusionspartialdruck des Stickstoffs von Kathodenseite auf Anodenseite gilt der Massenerhaltungssatz, wobei sich folgender Zusammenhang ergibt:
Zusätzlich werden die Spülvorgänge des Anodenkreislaufs 7 berücksichtigt, wobei
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
Ferner gilt - erneut ausgehend von der idealen Gasgleichung - für die Gesamtmasse (mges) des Anodengases:
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
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]
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024156128A1 (en) * | 2023-01-28 | 2024-08-02 | 上海重塑能源科技有限公司 | Calculation method and calculation device for concentration of anode component of fuel cell |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006351318A (en) | 2005-06-15 | 2006-12-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
DE102011054459A1 (en) | 2010-10-27 | 2012-07-19 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) | Anodic gas composition utilizing H2 injection pressure wave propagation rates |
US20190288310A1 (en) | 2018-03-14 | 2019-09-19 | Hyundai Motor Company | Method and system for estimating hydrogen concentration of fuel cell |
-
2020
- 2020-07-07 DE DE102020117820.4A patent/DE102020117820A1/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006351318A (en) | 2005-06-15 | 2006-12-28 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
DE102011054459A1 (en) | 2010-10-27 | 2012-07-19 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) | Anodic gas composition utilizing H2 injection pressure wave propagation rates |
US20190288310A1 (en) | 2018-03-14 | 2019-09-19 | Hyundai Motor Company | Method and system for estimating hydrogen concentration of fuel cell |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024156128A1 (en) * | 2023-01-28 | 2024-08-02 | 上海重塑能源科技有限公司 | Calculation method and calculation device for concentration of anode component of fuel cell |
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