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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gaszusammensetzung in einem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff zu elektrischer Energie, wobei Abwärme und Wasser erzeugt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf, die über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgt wird. Während der Wasserstoff üblicherweise in einem Tank bevorratet wird, kann der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen werden.
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In der praktischen Anwendung werden mehrere solcher Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel oder „Stack“ angeordnet, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Zur Versorgung jeder einzelnen Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luft, ist der Brennstoffzellenstapel von Versorgungskanälen durchzogen. Weitere den Brennstoffzellenstapel durchsetzende Kanäle dienen dem Abtransport des aus den Brennstoffzellen austretenden abgereicherten Anodenabgases sowie der abgereicherten feuchten Luft.
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Systematisch hat sich zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem das noch wasserstoffhaltige Anodenabgas mittels einer Gasfördereinrichtung den Brennstoffzellen wieder zugeführt wird. Dieser Vorgang wird Rezirkulation genannt. Als Gasfördereinrichtung kann eine Strahlpumpe oder eine Hybridlösung bestehend aus einer Strahlpumpe und einem Gebläse verwendet werden.
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Rezirkuliertes Anodenabgas kann Stickstoff enthalten, das durch Diffusion von der Kathodenseite auf die Anodenseite gelangt. Die Folge ist eine Herabsetzung der Zellspannung, da Stickstoff für die in der Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion ein Inertgas darstellt. Liegt es in sehr hoher Konzentration vor, kann es zudem die Zelle schädigen, da diese nicht mehr mit ausreichend Wasserstoff versorgt wird.
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Zur Herabsetzung der Stickstoffkonzentration wird daher der Rezirkulationsraum von Zeit zu Zeit gespült. Dieser Vorgang wird Purgen genannt. Über ein Purge-Ventil wird ein Teil des Anodenabgases aus dem Rezirkulationsraum ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt. Zu häufiges Purgen reduziert jedoch den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems, da mit dem Stickstoff auch Wasserstoff ausgeleitet wird. Die Kenntnis der Stickstoffkonzentration ist daher wichtig, um das Ausleiten von Anodenabgas hinsichtlich Systemeffizienz zu optimieren und gleichzeitig die Schädigung der Zellen auf ein Minimum zu reduzieren.
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Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz von Wasserstoffsensoren bekannt. Diese werden im Anodenpfad angeordnet, um verlässliche Messwerte über die Wasserstoffkonzentration zu liefern. Diese lässt dann einen Rückschluss auf die Stickstoffkonzentration zu. Der Einsatz derartiger Sensoren im Anodenpfad führt jedoch zu mechanischen Schnittstellen, in denen Leckagen auftreten können. Zudem sind derartige Sensoren teuer und weisen eine geringe Lebensdauer bei Anwendung im mobilen Bereich, wie beispielsweise wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen auf.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Sensoren zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts des Anodengases in einem Anodengaspfad des Brennstoffzellensystems bekannt. Diese messen den Wasserstoffgehalt nach dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip. Entsprechende Sensoren sind beispielhaft in der
DE 10 2005 058 830 A1 und in der
DE 10 2005 058 832 A1 offenbart.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Bestimmung der Gaszusammensetzung in einem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems unabhängig von einem Wasserstoffsensor und damit einfacher und günstiger zu gestalten.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Verfahren dient der Bestimmung der Gaszusammensetzung in einem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems, über den im Betrieb des Brennstoffzellensystems mindestens eine Brennstoffzelle mit Anodengas versorgt wird. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe eines im Anodenpfad angeordneten Klangkörpers, der von dem Anodengas an-, um- und/oder durchströmt wird, ein Ton erzeugt und der Ton wird hinsichtlich seiner Frequenz ausgewertet.
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Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass strömende Gase und Gasgemische in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten aufweisen. Ein in der Gasströmung angeordneter Klangkörper erzeugt somit je nach Gas bzw. Gaszusammensetzung einen Ton einer bestimmten Frequenz. Anhand der Frequenz kann dann auf das Gas bzw. die Gaszusammensetzung geschlossen werden. Die Bestimmung der Gaszusammensetzung basiert somit auf einer akustischen Auswertung.
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Wenn von der Bestimmung der Gaszusammensetzung die Rede ist, geht es vorrangig um die Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und/oder der Bestimmung der Stickstoffkonzentration im Anodengas. Sofern die Wasserstoffkonzentration bestimmt wird, kann - unter der Hypothese von 100% relativer Feuchte - von dieser auf die Stickstoffkonzentration geschlossen werden und umgekehrt. Wird eine zu hohe Stickstoffkonzentration festgestellt, kann ein Teil des zur Rezirkulation vorgesehenen Anodenabgases aus dem System ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt werden. In Kenntnis der Gaszusammensetzung kann zudem das Ausleiten von Anodenabgas bzw. Spülen („Purgen“) auf die Fälle reduziert werden, in denen eine bestimmte Wasserstoffkonzentration unterschritten wird. Auf diese Weise wird kein Wasserstoff durch unnötiges Spülen verschwendet.
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Die Schallgeschwindigkeit eines Gasgemischs ist abhängig von den enthaltenen Gastypen sowie der jeweiligen Konzentration eines Gastyps. Ändert sich die Konzentration eines in einem Gasgemisch enthaltenen Gases, wirkt sich dies auf die Schallgeschwindigkeit des Gasgemischs aus.
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Stickstoff weist beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit von 333,6 m/s bei 298,15 K auf, die Schallgeschwindigkeit von Wasserstoff beträgt im Vergleich dazu 1300 m/s. Wasserstoff regt demnach den Klangkörper dazu an, einen höheren Ton zu erzeugen. Gleiches gilt analog in Bezug auf ein Gasgemisch. Je höher die Wasserstoffkonzentration in dem Gasgemisch ist, desto höher ist der mit Hilfe des Klangkörpers erzeugte Ton.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher vorgeschlagen, dass im Rahmen der Auswertung der Frequenz des mit Hilfe des Klangkörpers erzeugten Tons zunächst die Schallgeschwindigkeit des Anodengases bestimmt wird und dann von der Schallgeschwindigkeit durch Vergleich auf die Gaszusammensetzung geschlossen wird. Dem Vergleich können beispielsweise die Frequenzspektren bekannter Gase und/oder Gasgemische zugrunde gelegt werden. Diese können zuvor, beispielsweise im Rahmen von Versuchen, ermittelt und in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit abgelegt worden sein.
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Der bei dem Verfahren eingesetzte Klangkörper ist vorzugsweise derart im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems angeordnet, dass er von dem Anodengas an-, um- und/oder durchströmt wird. Der Klangkörper wird weiterhin vorzugsweise über die Gasströmung in Schwingung versetzt, so dass ein Ton erzeugt wird, dessen Frequenz von der Gaszusammensetzung abhängig ist. Bei dem Klangkörper kann es sich beispielsweise um einen Körper handeln, der nach Art einer Flöte oder Pfeife aufgebaut ist. Der Klangkörper kann somit vergleichsweise einfach aufgebaut sein. Dies gilt insbesondere bei einem Vergleich des Klangkörpers mit einem Wasserstoffsensor. Das vorgeschlagene Verfahren hilft somit Kosten einzusparen.
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Der Klangkörper kann durch ein zusätzlich im Anodenpfad angeordnetes Bauteil realisiert werden. Alternativ kann ein bereits vorhandener Körper als Klangkörper verwendet werden. Das heißt, dass nicht zwingend ein zusätzlicher Körper in den Anodenpfad eingesetzt werden muss.
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Bei dem bereits vorhandenen Körper kann es sich beispielsweise um einen den Anodenpfad begrenzenden Leitungs- oder Rohrabschnitt handeln, der von Anodengas durchströmt wird. Möglich ist auch die Nutzung einer im Anodenpfad angeordneten Komponente als Klangkörper. Bei dieser Komponente kann es sich beispielsweise um einen im Anodenpfad angeordneten Wasserabscheider handeln, der einen von Anodengas an-, um- und/oder durchströmten Querschnitt aufweist. Weitere als Klangkörper einsetzbare, bereits vorhandene Komponenten sind denkbar.
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Der mit Hilfe des Klangkörpers erzeugte Ton wird bevorzugt an eine Auswerteeinheit außerhalb des Anodenpfads übermittelt. Der Eingriff in den Anodenpfad ist demnach minimal. Dies gilt insbesondere, wenn ein bereits vorhandener Körper als Klangkörper verwendet wird, da in diesem Fall nicht einmal ein zusätzlicher Körper in den Anodenpfad eingesetzt werden muss.
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Des Weiteren bevorzugt wird der mit Hilfe des Klangkörpers erzeugte Ton unter Verwendung eines außerhalb des Anodenpfads angeordneten akustischen Signalaufnehmers oder Schallwandlers, insbesondere unter Verwendung eines Mikrofons, an die außerhalb des Anodenpfads angeordnete Auswerteeinheit übermittelt. Durch diese Art der Tonübermittlung entfällt die sonst bei Sensoren übliche mechanische Schnittstelle. Das heißt, dass ein Durchbruch in einer den Anodenpfad begrenzenden Leitung entfallen kann, wodurch sich die Gefahr einer Leckage verringert. Das vorgeschlagene Verfahren kann somit als „nichtinvasiv“ bezeichnet werden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Frequenz des mit Hilfe des Klangkörpers erzeugten Tons mit Hilfe eines im oder am Anodenpfad vorhandenen Drucksensors erfasst wird. In diesem Fall wird das Messsignal des Drucksensors an eine Auswerteeinheit zur Auswertung übermittelt. Der Drucksensor ist hierzu in datenübertragender Weise mit der Auswerteeinheit verbunden, die selbst vorzugsweise außerhalb des Anodenpfads angeordnet ist. Vorteilhafterweise wird ein Drucksensor verwendet, der zur Regelung des Anodensystems benötigt wird und daher sowieso vorhanden ist. Auf diese Weise muss am Anodensystem keine Änderung vorgenommen werden.
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Da in der Regel die Temperatur eines Gases oder Gasgemischs Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit hat, wird ferner vorgeschlagen, dass die Temperatur des Anodengases gemessen und bei der Bestimmung der Gaszusammensetzung berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann die Gaszusammensetzung noch genauer bestimmt werden. Vorteilhafterweise wird ein bereits vorhandener Temperatursensor zur Temperaturmessung verwendet, so dass kein zusätzlicher Sensor erforderlich ist. Damit entfällt eine weitere mechanische Schnittstelle, die in der Regel leckagebehaftet ist.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gaszusammensetzung in einem Anodenpfad eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, über den mindestens eine Brennstoffzelle im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit Anodengas versorgbar ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung aus durch:
- - einen im Anodenpfad angeordneten Klangkörper, der im Betrieb des Brennstoffzellensystems von dem Anodengas an-, um- und/oder durchströmt wird und dabei einen Ton erzeugt,
- - eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Frequenz des mit Hilfe des Klangkörpers erzeugten Tons.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist damit insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich demnach die gleichen Vorteile erzielen. Insbesondere kann ein teurer Wasserstoffsensor im Anodenpfad eingespart werden, um die Wasserstoffkonzentration des Anodengases zu überwachen. Ferner kann in Kenntnis der Gaszusammensetzung das Spülen („Purgen“) bedarfsgerecht durchgeführt werden, so dass Wasserstoff eingespart wird. Im Ergebnis kann somit die Effizienz eines mit der Vorrichtung ausgestatteten Brennstoffzellensystems gesteigert werden. Zugleich ist sichergestellt, dass rechtzeitig gespült wird, so dass eine bestimmte Wasserstoffkonzentration, die zum schadensfreien Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle benötigt wird, nicht unterschritten wird.
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Der Klangkörper kann ein zusätzlicher in den Anodenpfad eingesetzter Körper sein. Alternativ kann ein bereits vorhandener Körper bzw. eine bereits vorhandene Komponente, wie beispielsweise ein den Anodenpfad begrenzender Leitungs- bzw. Rohrabschnitt oder ein im Anodenpfad angeordneter Wasserabscheider, als Klangkörper verwendet werden. Die Verwendung eines bereits vorhandenen Körpers bzw. einer bereits vorhandenen Komponente als Klangkörper besitzt den Vorteil, dass ein Eingriff in den Anodenpfad nicht erforderlich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen akustischen Signalaufnehmer oder Schallwandler, insbesondere Mikrofon. Der akustische Signalaufnehmer oder Schallwandler ist dabei außerhalb des Anodenpfads angeordnet, vorzugsweise ist er in die Auswerteeinheit der Vorrichtung integriert. In diesem Fall bildet der akustische Signalaufnehmer bzw. Schallwandler eine Baueinheit mit der Auswerteeinheit aus, so dass diese platzsparend außerhalb des Anodenpfades in der Nähe des Klangkörpers angeordnet werden kann. Mit Hilfe des akustischen Signalaufnehmers bzw. Schallwandlers kann der mit Hilfe des Klangkörpers erzeugte Ton bzw. Schall in eine entsprechende elektrische Spannungsänderung umgewandelt und der Auswerteeinheit zur akustischen Auswertung zur Verfügung gestellt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann die Frequenz des mit Hilfe des Klangkörpers erzeugten Tons auch mit Hilfe eines Drucksensors erfasst werden. In diesem Fall ist im oder am Anodenpfad ein Drucksensor angeordnet. Da üblicherweise ein Drucksensor zur Regelung des Anodensystems benötigt wird, kann ein bereits vorhandener Drucksensor genutzt werden. Der Drucksensor ist in datenübertragender Weise mit der Auswerteeinheit verbunden, damit die Messsignale des Drucksensors an die Auswerteeinheit zur Auswertung übermittelt werden können.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Temperatursensor umfasst, der im oder am Anodenpfad zur Messung der Temperatur des Anodengases angeordnet ist. Bei der Bestimmung der Gaszusammensetzung des Anodengases kann somit die Temperatur berücksichtigt werden. Die Bestimmung ist in diesem Fall genauer. Da üblicherweise ein Temperatursensor im oder am Anodenpfad zur Temperaturmessung vorhanden ist, kann dieser verwendet werden. Das heißt, dass kein zusätzlicher Temperatursensor vorgesehen werden muss. Der Temperatursensor ist in datenübertragender Weise mit der Auswerteeinheit verbunden, damit die Messsignale des Temperatursensors an die Auswerteeinheit zur Auswertung übermittelt werden können.
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Darüber hinaus wird ein Computerprogrammprodukt für eine Auswerteeinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, das einen Programmcode aufweist, welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, wenn er auf einem Rechner der Auswerteeinheit abläuft. Das Verfahren kann somit automatisiert werden, so dass in vorgebbaren zeitlichen Abständen automatisch die Gaszusammensetzung im Anodenpfad bestimmt wird. Wird bzw. werden eine zu niedrige Wasserstoffkonzentration und/oder eine zu hohe Stickstoffkonzentration detektiert, kann gespült werden. Die Spülmenge wird dann durch frischen Wasserstoff ersetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 ein Diagramm zur Darstellung der Schallgeschwindigkeit eines binären Gasgemischs (H2 und N2) bei sich ändernder Wasserstoffkonzentration und gleichbleibender Gastemperatur,
- 2 ein Diagramm zur Darstellung der Schallgeschwindigkeit eines tertiären Gasgemischs (H2, N2 und H2O) bei sich ändernder Wasserstoffkonzentration und gleichbleibender Gastemperatur,
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Gas oder Gasgemisch hat eine bestimmte Schallgeschwindigkeit, die sich mit der Zusammensetzung des Gases bzw. Gasgemischs ändert. Diese Änderung ist messbar und wird beispielhaft anhand verschiedener Gasgemische in den 1 und 2 dargestellt.
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Bei dem Gasgemisch der 1 handelt es sich um ein binäres Gasgemisch aus Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2). Die Schallgeschwindigkeit ist auf der y-Achse des Diagramms in der Einheit m/s aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Wasserstoffkonzentration in der Einheit mol/mol aufgetragen. Die Kurve zeigt deutlich, dass mit steigender Wasserstoffkonzentration - und bei gleichbleibender Gastemperatur - die Schallgeschwindigkeit ebenfalls ansteigt.
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Das Diagramm der 2 zeigt die Schallgeschwindigkeit eines tertiären Gasgemischs aus Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) - bei 100% Luftfeuchtigkeit - aufgetragen über der Wasserstoffkonzentration. Die Kurve zeigt ebenfalls einen deutlichen Anstieg.
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Die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Gaszusammensetzung macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze, indem es über die Gasströmung im Anodenpfad 1 mit Hilfe eines Klangkörpers 3 einen Ton erzeugt und die Frequenz des Tons auswertet. Diese lässt dann einen Rückschluss auf die jeweilige Gaszusammensetzung zu.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist beispielhaft in der 3 gezeigt. Diese umfasst einen Klangkörper 3, beispielsweise einen zusätzlich in den Anodenpfad 1 eingesetzten Körper oder einen bereits vorhandenen Körper, wobei es sich auch um einen den Anodenpfad 1 begrenzenden Leitungsabschnitt handeln kann. Der Klangkörper 3 ist in der Weise angeordnet, dass er von Anodengas an-, um- und/oder durchströmt wird.
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In der 3 ist der Klangkörper 3 in eine im Anodenpfad 1 angeordnete Strahlpumpe 10 integriert, über die einer Brennstoffzelle 2 bzw. einem Brennstoffzellenstapel 8 Anodengas zugeführt wird. Die Strahlpumpe 10 ist somit Teil des Anodenpfads 1 (siehe Bezugszeichen in Klammern). Gleiches gilt in Bezug auf einen Rezirkulationspfad 9, in den aus der Brennstoffzelle 2 bzw. aus dem Brennstoffzellenstapel 8 austretendes Anodenabgas eingeleitet wird. Dieses wird über den Rezirkulationspfad 9 rezirkuliert und erneut der Brennstoffzelle 2 bzw. dem Brennstoffzellenstapel 8 zugeführt. Der Rezirkulationspfad 9 ist somit ebenfalls Teil des Anodenpfads 1 (siehe Bezugszeichen in Klammern). Ferner können im Anodenpfad 1, insbesondere im Bereich des Rezirkulationspfads 9, ein Wasserabscheider (nicht dargestellt) und/oder eine Fördereinrichtung (nicht dargestellt), beispielsweise in Form eines Gebläses, angeordnet sein. Mit Hilfe des Wasserabscheiders kann dem Anodenabgas Wasser entzogen werden. Die Fördereinrichtung unterstützt oder bewirkt die Rezirkulation des Anodenabgases. Frischer Wasserstoff wird dem Anodenpfad 1 stromaufwärts der Strahlpumpe 10 zugeführt.
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Das den Klangkörper 3 an-, um- und/oder durchströmende Anodengas versetzt den Klangkörper 1 in Schwingung, so dass dieser einen Ton erzeugt. Der Ton wird vorliegend von einem außerhalb des Anodenpfads 1 angeordneten Schallwandlers 5 in ein elektrisches Signal umgewandelt und an eine Auswerteeinheit 4 übermittelt. Diese wertet das Signal hinsichtlich der Frequenz des Tons aus und ermittelt anhand der Frequenz die Schallgeschwindigkeit des Anodengases. Durch Vergleich mit Schallgeschwindigkeiten bekannter Gasgemische kann dann die Gaszusammensetzung bestimmt werden.
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Durch den Verbrauch von Wasserstoff, durch die Rezirkulation von Anodenabgas sowie durch Diffusionsprozesse ändert sich über die Zeit die Zusammensetzung des Anodenabgases. Je nach Zusammensetzung des Anodengases ändert sich der mit Hilfe des Klangkörpers 3 erzeugte Ton. Diese Änderung wird erfasst und akustisch ausgewertet.
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In dem in der 3 dargestellten Beispiel sind im bzw. am Anodenpfad 1 ferner ein Temperatursensor 6 und ein Drucksensor 7 angeordnet. Diese sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich, aber in der Regel vorhanden, da sie für den Systembetrieb benötigt werden. Hieraus kann Nutzen für das erfindungsgemäße Verfahren gezogen werden.
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Mit Hilfe des Temperatursensors 6 kann die Temperatur des Anodengases bestimmt werden. Da die Temperatur Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit des Anodengases hat, kann in Kenntnis der Temperatur die Gaszusammensetzung noch genauer bestimmt werden. Mit Hilfe des Drucksensors 7 kann direkt die Frequenz des mittels des Klangkörpers 3 erzeugten Tons erfasst werden, so dass der Drucksensor 7 den Schallwandler 5 ersetzen kann. In diesem Fall werden die Messsignale des Drucksensors 7 an die Auswerteeinheit 4 zur Auswertung übermittelt. Die Messsignale des Drucksensors 7 können aber auch ergänzend zu den Signalen des Schallwandlers 5 ausgewertet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005058830 A1 [0008]
- DE 102005058832 A1 [0008]
