DE102021112763A1 - Method for determining the fuel concentration in an anode circuit, fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf (7) eines Brennstoffzellenstapels (4), wobei an den Anodenkreislauf (7) ein Brennstoffreservoir (10) über ein Leitungssystem angeschlossen ist, das wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf (7) strömungsverbundene und von Ventilen (14, 15) begrenzte Mitteldruckstrecke (12) mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem Niederdruckbereich (13) und mit einem in den Niederdruckbereich (13) eingebundenen Drucksensor (16), umfassend die Schritte:- Bereitstellen von Brennstoff in der Mitteldruckstrecke (12) unter vorgegebenen Druck und Temperaturbedingungen,- Betätigen des die Mitteldruckstrecke (12) vom Niederdruckbereich (13) trennenden Ventils (15) und dadurch Auslösen eines Druckpulses mit einem bekanntem ersten Druck (p1), und einer bekannten erster Temperatur (T1) und bekanntem Volumen (V1), der von der Mitteldruckstrecke (12) im Niederdruckbereich (13) propagiert,- Erfassen der Amplitude (24) des Druckpulses mittels des Drucksensors (16) und Bestimmen der Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplitude (24).Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining the fuel concentration in an anode circuit (7) of a fuel cell stack (4), a fuel reservoir (10) being connected to the anode circuit (7) via a line system which has at least one flow-connected to the anode circuit (7) and medium-pressure section (12) delimited by valves (14, 15) with a predetermined first volume (V1) for fuel, in which there is a higher fuel pressure than in a low-pressure area (13) and with a pressure sensor (16 ), comprising the steps:- providing fuel in the medium-pressure line (12) under predetermined pressure and temperature conditions,- actuating the valve (15) separating the medium-pressure line (12) from the low-pressure area (13) and thereby triggering a pressure pulse with a known first pressure (p1), and a known first temperature (T1) and volume (V1) measured by the M Medium-pressure line (12) propagates in the low-pressure area (13), - detecting the amplitude (24) of the pressure pulse by means of the pressure sensor (16) and determining the fuel concentration based on the detected amplitude (24). The invention also relates to a fuel cell device (1) for carrying out the procedure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Brennstoffkonzentration in einer Anodenstrecke einer Brennstoffzellenvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining the fuel concentration in an anode section of a fuel cell device. The invention also relates to a fuel cell device for carrying out the method.

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 Brennstoffunterversorgung (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 oder Schätzen der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf sind in den Druckschriften JP 2020 095 903 A , der EP 28 001 84 A1 und der EP 32 146 84 A angegeben. Gemein haben die aus diesen Druckschriften bekannte Verfahren, dass mindestens zwei Drucksensoren für die Bestimmung der Brennstoffkonzentration benötigt werden. Die Brennstoffkonzentration wird zudem vergleichsweise kompliziert berechnet.Methods for calculating or estimating the fuel concentration in the anode loop are in the references JP 2020 095 903 A , the EP 28 001 84 A1 and the EP 32 146 84 A specified. What the methods known from these publications have in common is that at least two pressure sensors are required to determine the fuel concentration. The fuel concentration is also calculated in a comparatively complicated manner.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und robusteres Verfahren, sowie eine vereinfachte Brennstoffzellenvorrichtung zum Bestimmen der Brennstoffkonzentration in der Anodenstrecke anzugeben.It is therefore the object of the present invention to specify a simplified and more robust method and a simplified fuel cell device for determining the fuel concentration in the anode section.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 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 10. 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 an den Anodenkreislauf ein Brennstoffreservoir über ein Leitungssystem angeschlossen ist, das wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf strömungsverbundene und von Ventilen begrenzte Mitteldruckstrecke mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke gelegenen mit dem Anodeneinlass strömungsverbundenen Niederdruckbereich und mit einem in den Niederdruckbereich eingebundenen Drucksensor umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

  • - Bereitstellen von Brennstoff in der Mitteldruckstrecke unter vorgegebenen Druck und Temperaturbedingungen,
  • - Betätigen des die Mitteldruckstrecke vom Niederdruckbereich trennenden Ventils und dadurch Auslösen eines Druckpulses mit einem bekanntem ersten Druck (p1), und einer bekannten erster Temperatur (T1) und bekanntem Volumen (V1), der von der Mitteldruckstrecke im Niederdruckbereich propagiert,
  • - Erfassen der Amplitude des Druckpulses mittels des Drucksensors und Bestimmen der Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplitude.
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 a fuel reservoir is connected to the anode circuit via a line system which has at least one medium-pressure section with a predetermined first volume that is flow-connected to the anode circuit and is delimited by valves (V 1 ) for fuel, in which there is a higher fuel pressure than in a low-pressure area downstream of the medium-pressure section that is flow-connected to the anode inlet and with a pressure sensor integrated in the low-pressure area, comprises in particular the following steps:
  • - Provision of fuel in the medium-pressure section under specified pressure and temperature conditions,
  • - Actuating the valve separating the medium-pressure line from the low-pressure area and thereby triggering a pressure pulse with a known first pressure (p 1 ), and a known first temperature (T 1 ) and known volume (V 1 ), which propagates from the medium-pressure line in the low-pressure area,
  • - Detecting the amplitude of the pressure pulse using the pressure sensor and determining the fuel concentration based on the detected amplitude.

Durch den Einsatz von lediglich einem Drucksensor kann auf zusätzliche Drucksensoren verzichtet werden, wodurch das Verfahren vereinfacht und Bauraum, Kosten sowie Gewicht bei der Brennstoffzellenvorrichtung eingespart werden können. Der ausgelöste Druckpuls mit dem bekannten ersten Druck (p1) und dem bekannten ersten Volumen (V1), sowie mit bekannter erster Temperatur (T1) weist folglich beim Auslösen bevorzugt immer dieselbe Amplitude auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Amplitude des Druckpulses allerdings auch durch Einstellen eines Öffnungsgrades des Ventils angepasst werden. Auch unter diesen Bedingungen ist die Amplitude des Druckpulses beim Auslösen desselben allerdings bekannt. Der Drucksensor kann dabei an beliebiger Stelle in den Niederdruckbereich eingebunden sein, beispielsweise stromauf einer Saugstrahlpumpe oder stromab einer Saugstrahlpumpe und stromauf des Anodeneinlasses, sowie auch stromab des Anodenauslasses. Dabei wird bevorzugt für die Ermittlung der Brennstoffkonzentration im Anodenkreislauf die Annahme getroffen, dass neben Wasserstoff und Stickstoff keine weiteren Moleküle vorhanden sind, womit die Brennstoffkonzentration bezüglich der Stickstoffkonzentration im Anodenkreislauf komplementär ist.By using only one pressure sensor, additional pressure sensors can be dispensed with, which simplifies the method and saves installation space, costs and weight in the fuel cell device. The triggered pressure pulse with the known first pressure (p 1 ) and the known first volume (V 1 ) and with the known first temperature (T 1 ) consequently preferably always has the same amplitude when triggered. In another preference th embodiment, however, the amplitude of the pressure pulse can also be adjusted by adjusting a degree of opening of the valve. Even under these conditions, however, the amplitude of the pressure pulse when it is triggered is known. The pressure sensor can be integrated at any point in the low-pressure area, for example upstream of an ejector pump or downstream of an ejector pump and upstream of the anode inlet, and also downstream of the anode outlet. In this case, the assumption is preferably made for determining the fuel concentration in the anode circuit that apart from hydrogen and nitrogen there are no other molecules present, with the result that the fuel concentration is complementary with regard to the nitrogen concentration in the anode circuit.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste Temperatur (T1) des in der Mitteldruckstrecke vorhandenen Brennstoffs mit einem in die Mitteldruckstrecke eingebundenen Wärmeübertrager eingestellt wird. Der Wärmeübertrager kann dabei insbesondere in einen Innenraumheizkreis eines Kraftfahrzeugs eingebunden sein.Furthermore, it is advantageous if the first temperature (T 1 ) of the fuel present in the medium-pressure section is set using a heat exchanger integrated into the medium-pressure section. The heat exchanger can be integrated in particular in an interior heating circuit of a motor vehicle.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Brennstoffkonzentration bestimmt wird anhand einer Amplitudendifferenz zwischen der Amplitude des Druckpulses beim Auslösen und der mittels des Drucksensors erfassten Amplitude. In anderen Worten wird bevorzugt eine Differenz gebildet aus der Amplitude des Druckpulses zum Zeitpunkt des Auslösens des Druckpulses und der Amplitude des Druckpulses beim Erfassen des Druckpulses durch den Drucksensor. Dabei gilt, je geringer die Brennstoffkonzentration, insbesondere die Wasserstoffkonzentration ist, desto höher ist die Amplitudendifferenz.In addition, it is preferred if the fuel concentration is determined using an amplitude difference between the amplitude of the pressure pulse when it is triggered and the amplitude detected by the pressure sensor. In other words, a difference is preferably formed from the amplitude of the pressure pulse at the time the pressure pulse is triggered and the amplitude of the pressure pulse when the pressure pulse is detected by the pressure sensor. In this case, the lower the fuel concentration, in particular the hydrogen concentration, the higher the amplitude difference.

Alternativ ist es von Vorteil, wenn die Brennstoffkonzentration bestimmt wird anhand einer Zeitdifferenz zwischen einem ersten Zeitpunkt des Auslösens des Druckpulses und einem zweiten Zeitpunkt des Erfassens der Amplitude des Druckpulses am Drucksensor. In anderen Worten wird die Brennstoffkonzentration anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Druckpulses bestimmt. Diese beiden Alternativen ermöglichen eine besonders einfache und schnelle Bestimmung der Brennstoffkonzentration.Alternatively, it is advantageous if the fuel concentration is determined using a time difference between a first point in time when the pressure pulse was triggered and a second point in time when the amplitude of the pressure pulse was recorded at the pressure sensor. In other words, the fuel concentration is determined based on the propagation speed of the pressure pulse. These two alternatives enable the fuel concentration to be determined particularly easily and quickly.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn für eine Mehrzahl an bekannten Brennstoffkonzentrationen ein Kennfeld von Referenzamplitudendifferenzen oder Referenzzeitdifferenzen erstellt wird, und wenn zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration die erfassten Zeitdifferenzen mit den Referenzzeitdifferenzen oder die erfassten Amplitudendifferenzen mit den Referenzamplitudendifferenzen verglichen werden.In particular, it is advantageous if a characteristic map of reference amplitude differences or reference time differences is created for a plurality of known fuel concentrations, and if the detected time differences are compared with the reference time differences or the detected amplitude differences with the reference amplitude differences to determine the fuel concentration.

Zur Einsparung von Bauraum, Kosten und Gewicht ist es bevorzugt, wenn in den Niederdruckbereich genau ein Drucksensor eingebunden ist. In einer Ausführungsform kann der genau eine Drucksensor auch als ein Differenzdrucksensor gebildet sein.In order to save installation space, costs and weight, it is preferred if exactly one pressure sensor is integrated into the low-pressure area. In one embodiment, exactly one pressure sensor can also be formed as a differential pressure sensor.

Zur noch genaueren Bestimmung der Brennstoffkonzentration und zum Verifizieren der zuvor bestimmten Brennstoffkonzentration ist vorzugsweise im Niederdruckbereich mindestens ein weiterer Drucksensor angeordnet. Der weitere Drucksensor erfasst eine weitere Amplitude des Druckpulses und die Brennstoffzellenkonzentration wird anhand der erfassten weiteren Amplitude bestimmt und gegebenenfalls mit einer zuvor bestimmten Brennstoffkonzentration verglichen. Die Brennstoffkonzentration kann in diesem Fall auch anhand einer Amplitudendifferenz der am Drucksensor und am weiteren Drucksensor erfassten Amplituden des Druckpulses bestimmt werden. Alternativ kann die Brennstoffkonzentration auch anhand der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Erfassens des Druckpulses am Drucksensor und dem Zeitpunkt des Erfassens der Amplitude des Druckpulses am weiteren Drucksensor bestimmt werden. Der weitere Drucksensor kann dabei an beliebiger Stelle in den Niederdruckbereich eingebunden sein, beispielsweise stromauf einer Saugstrahlpumpe oder stromab einer Saugstrahlpumpe und stromauf des Anodeneinlasses, sowie auch stromab des Anodenauslasses.In order to determine the fuel concentration even more precisely and to verify the previously determined fuel concentration, at least one further pressure sensor is preferably arranged in the low-pressure area. The further pressure sensor detects a further amplitude of the pressure pulse and the fuel cell concentration is determined on the basis of the further amplitude detected and optionally compared with a previously determined fuel concentration. In this case, the fuel concentration can also be determined using an amplitude difference between the amplitudes of the pressure pulse detected at the pressure sensor and at the additional pressure sensor. Alternatively, the fuel concentration can also be determined based on the time difference between the point in time at which the pressure pulse is detected at the pressure sensor and the point in time at which the amplitude of the pressure pulse is detected at the additional pressure sensor. The additional pressure sensor can be integrated at any point in the low-pressure area, for example upstream of an ejector pump or downstream of an ejector pump and upstream of the anode inlet, and also downstream of the anode outlet.

Das Verfahren lässt sich insbesondere vor oder bei einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung durchführen, kann aber auch während einer kurzen Unterbrechung des Betriebs erfolgen. Bei der Durchführung des Verfahrens liegt kein Strom an, so dass keine Reaktion an den Brennstoffzellen abläuft. Dadurch tritt keine Brennstoffkonzentrationsänderung aufgrund der in den Brennstoffzellen ablaufenden Reaktionen auf, insbesondere durch die bei der Reaktion entstehenden Produkte wie Wasser auf.The method can be carried out in particular before or when the fuel cell device is started, but can also be carried out during a brief interruption in operation. When the method is carried out, there is no current, so that no reaction takes place in the fuel cells. As a result, there is no change in the fuel concentration as a result of the reactions taking place in the fuel cells, in particular as a result of the products formed during the reaction, such as water.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn mindestens ein weiterer Druckpuls durch Betätigen des die Mitteldruckstrecke vom Niederdruckbereich trennenden Ventils ausgelöst wird, wenn die Amplitude des weiteren Druckpulses durch den Drucksensor erfasst wird, und wenn die Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplitude bestimmt wird. Folglich kann eine Mehrzahl von Druckpulsen im zeitlichen Abstand zueinander ausgelöst werden und die Brennstoffkonzentration für jeden dieser Druckpulse anhand der erfassten Amplituden bestimmt werden. Alternativ ist es auch möglich, anhand dieser Kennlinien und dem Erfassen einer Amplitudendifferenz oder Zeitdifferenz bei bekannter Brennstoffkonzentration, durch Vergleich mit der Kennlinie, auf die Alterung des Brennstoffzellenstapels zu schließen. Mit zunehmender Alterung, das heißt Degradation, des Brennstoffzellenstapels, werden die erfassten Druckverluste und damit die Amplitudendifferenzen für die jeweilige Brennstoffkonzentration höher im als zu Beginn seiner Betriebsdauer/Lebensdauer (BOL, „begin of life“ englisch für Zeitpunkt des erstmaligen Betriebsbeginns). Somit kann eine Degradation des Brennstoffzellenstapels anhand einer kontinuierlichen Erhöhung der Amplitudendifferenz bei einer vorgegebenen Brennstoffkonzentration erfasst und dann bei dem Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration mitberücksichtigt werden.Furthermore, it is preferred if at least one further pressure pulse is triggered by actuating the valve separating the medium-pressure section from the low-pressure area, when the amplitude of the further pressure pulse is detected by the pressure sensor, and when the fuel concentration is determined using the detected amplitude. Consequently, a plurality of pressure pulses can be triggered at a time interval from one another and the fuel concentration can be determined for each of these pressure pulses using the detected amplitudes. Alternatively, it is also possible using these characteristic curves and detecting an amplitude difference or time difference with known fuel concentration, by comparison with the characteristic curve, to deduce the aging of the fuel cell stack. With increasing aging, i.e. degradation, of the fuel cell stack, the recorded pressure losses and thus the amplitude differences for the respective fuel concentration become higher than at the beginning of its operating time/service life (BOL, "beginning of life" for the time of the first start of operation). A degradation of the fuel cell stack can thus be detected based on a continuous increase in the amplitude difference at a specified fuel concentration and then taken into account in the method for determining the fuel concentration.

Um eine Inbetriebnahme oder einen Start der Brennstoffzellenvorrichtung bei zu geringer Brennstoffkonzentration zu verhindern, wie sie insbesondere nach langen Standzeiten der Brennstoffzellenvorrichtung vorliegen, ist es bevorzugt, wenn solange weitere Druckpulse ausgelöst werden und die Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplituden bestimmt wird, bis die bestimmte Brennstoffkonzentration einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der Brennstoffzellenvorrichtung wird erst dann eine Starterlaubnis erteilt, wenn die bestimmte Brennstoffkonzentration den Grenzwert überschreitet. Die Brennstoffkonzentration oder auch der Brennstoffanteil im Anodenkreislauf sollte dabei bevorzugt größer als 50% zumindest größer als 40% sein.In order to prevent the fuel cell device from being put into operation or started when the fuel concentration is too low, as is the case in particular after the fuel cell device has been idle for a long time, it is preferred if further pressure pulses are triggered and the fuel concentration is determined on the basis of the detected amplitudes until the determined fuel concentration exceeds the specified limit. The fuel cell device is not allowed to start until the determined fuel concentration exceeds the limit value. The fuel concentration or the proportion of fuel in the anode circuit should preferably be greater than 50%, at least greater than 40%.

Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst insbesondere einen einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig an eine Kathodengasversorgung und der einen an den Anodeneinlass und den Anodenauslass angeschlossenen Anodenkreislauf, der mittels eines Leitungssystems strömungsmechanisch mit einem Brennstoffreservoir für die Zufuhr von frischem Brennstoff verbunden ist. Das Leitungssystem umfasst wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf strömungsverbundene und von Ventilen begrenzte Mitteldruckstrecke mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke gelegenen mit dem Anodeneinlass strömungsverbundenen Niederdruckbereich mit einem vorgegebenen zweiten Volumen (V2). Weiterhin ist in den Niederdruckbereich ein Drucksensor eingebunden, sowie ein Steuergerät vorhanden, das zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.The fuel cell device comprises in particular a fuel cell stack having an anode inlet and an anode outlet, which is connected on the cathode side to a cathode gas supply and an anode circuit which is connected to the anode inlet and the anode outlet and which is fluidically connected to a fuel reservoir for the supply of fresh fuel by means of a line system. The line system comprises at least one medium-pressure section, flow-connected to the anode circuit and delimited by valves, with a predetermined first volume (V 1 ) for fuel, in which there is a higher fuel pressure than in a low-pressure region downstream of the medium-pressure section, flow-connected to the anode inlet and having a predetermined second volume ( v2 ). Furthermore, a pressure sensor is integrated into the low-pressure area, as well as a control device that is set up to carry out the method described above.

Auch mit dieser Brennstoffzellenvorrichtung ist der Vorteil verbunden, dass teure und eventuell nicht zugelassene Brennstoffsensorik entfallen kann, wobei ausschließlich günstige Druckmesssensorik und optional Temperaturmesssensorik Einsatz finden.This fuel cell device also has the advantage that expensive and possibly unapproved fuel sensors can be dispensed with, with only inexpensive pressure measurement sensors and optionally temperature measurement sensors being used.

Weiterhin ist es insbesondere von Vorteil, wenn in den Niederdruckbereich genau ein Drucksensor eingebunden ist. Durch den Verzicht auf weitere Drucksensoren kann Bauraum, Gewicht und Kosten eingespart werden. Der genau eine Drucksensor kann dabei an beliebiger Stelle in den Niederdruckbereich eingebunden sein, insbesondere stromab oder stromauf eine Saugstrahlpumpe, stromab einer Saugstrahlpumpe und stromauf des Anodeneinlasses oder stromab des Anodenauslasses. Dies erhöht die Flexibilität bei der Konstruktion der Brennstoffzellenvorrichtung.Furthermore, it is particularly advantageous if exactly one pressure sensor is integrated into the low-pressure area. By dispensing with additional pressure sensors, installation space, weight and costs can be saved. Precisely one pressure sensor can be integrated at any point in the low-pressure area, in particular downstream or upstream of an ejector pump, downstream of an ejector pump and upstream of the anode inlet or downstream of the anode outlet. This increases flexibility in designing the fuel cell device.

Weiterhin ist es auch möglich, weitere Drucksensoren in den Niederdruckbereich einzubinden. Diese Drucksensoren sind für die Messung der Brennstoffkonzentration nicht notwendig, können aber zusätzlich die mittels des ersten Drucksensors bestimmten Brennstoffkonzentration verifizieren.Furthermore, it is also possible to integrate additional pressure sensors into the low-pressure area. These pressure sensors are not necessary for measuring the fuel concentration, but can additionally verify the fuel concentration determined by means of the first pressure sensor.

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,
  • 2 eine Darstellung des Druckverlusts in Abhängigkeit von der Brennstoffkonzentration, und
  • 3 ein Kennfeld, in welchem die Amplitudendifferenz über die Brennstoffkonzentration aufgetragen ist.
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,
  • 2 a representation of the pressure loss as a function of the fuel concentration, and
  • 3 a map in which the amplitude difference is plotted against the fuel concentration.

Aus der 1 ist zu ersehen, dass bei dem zur Erläuterung der Erfindung gezeigten Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 anodenseitig ein Anodenkreislauf 7 mit einer Brennstoffrezirkulationsleitung 2 vorliegt, die von einem Anodenauslass 3 eines Brennstoffzellenstapels 4 zu der Brennstoffleitung 5 stromauf des Anodeneinlasses 6 geführt ist. Der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 kann ein nicht näher gezeigter Anodenabscheider zugeordnet sein, um überschüssige Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf 7 zu entfernen. Da in einer Brennstoffzelle die Reaktanten überstöchiometrisch bereitgestellt sind, ist in die Rezirkulationsleitung ein Rezirkulationsgebläse 8 eingebunden, um den in der Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel 4 mit mehreren Brennstoffzellen nicht umgesetzten Brennstoff jeweils erneut zuzuführen, mithin zu „rezirkulieren“. Vorzugsweise mündet die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 in eine regelbare Saugstrahlpumpe 9 der Brennstoffleitung 5, so dass unterschiedliche Anteile des einem Brennstoffreservoir 10 entnommenen frischen Brennstoffes und des rezirkulierten Brennstoffes dem Anodeneinlass 6 des Brennstoffzellenstapels 4 erneut zugeführt werden können. Alternativ kann auf die Saugstrahlpumpe 9 auch verzichtet werden und die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 direkt in die Brennstoffleitung 5 münden. Optional ist in der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 stromab oder alternativ stromauf des Rezirkulationsgebläses 8 ein Purgeventil 11 angeordnet, um den Anodenkreislauf zu spülen, sollte die im Anodenkreislauf 7 vorhandene Brennstoffkonzentration unter einen kritischen Wert fallen oder sollte der Anteil an Inertgasen darin zu groß werden.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 runs from an anode outlet 3 of a fuel cell stack 4 to the fuel line device 5 is performed upstream of the anode inlet 6. An anode separator (not shown in detail) can be associated with the fuel recirculation line 2 in order to remove excess liquid from the anode 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 a 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.

Der Brennstoff ist mit Hochdruck im Brennstoffreservoir 10 gespeichert, sodass sich das zum Anodeneinlass 6 erstreckende Leitungssystem aus einem zwischen dem Brennstoffreservoir 10 und einem ersten Ventil 14 befindliche Hochdruckleitungsteil 20 ebenfalls unter Hochdruck befindet. Das erste Ventil 14 dient als Drossel, sodass zwischen dem ersten Ventil 14 und dem zweiten Ventil 15 das Leitungssystem eine Mitteldruckstrecke 12 umfasst, in der ein gegenüber dem Hochdruck vorliegender geringerer Mitteldruck vorliegt. Auch das zweite Ventil 15 ist als Drossel zu verstehen, sodass sich an die Mitteldruckstrecke 12 ein Niederdruckbereich 13 anschließt, der ebenfalls den Anodenkreislauf 7 einschließt. Durch Betätigen des zweiten Ventils 15 wird ein Druckpuls mit bekanntem ersten Druck (p1) und bekanntem Volumen (V1), sowie mit bekannter Temperatur (T1) ausgelöst. Dieser propagiert von der Mitteldruckstrecke 12 im Niederdruckbereich 13.The fuel is stored at high pressure in the fuel reservoir 10, so that the line system extending to the anode inlet 6 and consisting of a high-pressure line part 20 located between the fuel reservoir 10 and a first valve 14 is also under high pressure. The first valve 14 serves as a throttle, so that between the first valve 14 and the second valve 15 the line system comprises a medium-pressure section 12 in which there is a lower medium pressure than the high pressure. The second valve 15 is also to be understood as a throttle, so that a low-pressure area 13 , which also includes the anode circuit 7 , is connected to the medium-pressure line 12 . Actuating the second valve 15 triggers a pressure pulse with a known first pressure (p 1 ) and a known volume (V 1 ), and with a known temperature (T 1 ). This propagates from the medium-pressure line 12 in the low-pressure area 13.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist vorliegend eine robuste Sensorik zur Messung von Drücken und Temperaturen auf. Hierbei ist ein Drucksensor 16 zur Erfassung einer Amplitude 24 des Druckpulses in den Niederdruckbereich 13 eingebunden. Dieser kann optional noch um einen Sensor 16' zur Messung einer Temperatur im Niederdruckbereich 13 ergänzt sein. Ferner weist auch die Mitteldruckstrecke 12 optional einen Sensor 17 zur Messung der Temperatur T1 des Druckpulses auf. Der Drucksensor 16 kann an beliebiger Stelle in den Niederdruckbereich 13 eingebunden sein. Vorliegend ist er stromab des zweiten Ventils 15 und stromauf der Saugstrahlpumpe 9 angeordnet. Es ist aber auch möglich den Drucksensor stromab der Saugstrahlpumpe 9 und stromauf des Anodeneinlasses 6 oder stromab des Anodenauslasses 3 in den Niederdruckbereich einzubinden. Zur Ausführung des Verfahrens zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration benötigt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 genau einen Drucksensor 16. Zur Verifizierung der Brennstoffkonzentration können aber auch weitere Drucksensoren 18, 19 in den Niederdruckbereich eingebunden sein. Diese können in den Niederdruckbereich stromab des zweiten Ventils 15 und stromauf der Saugstrahlpumpe 9, oder stromab der Saugstrahlpumpe 9 und stromauf des Anodeneinlasses 6 oder stromab des Anodenauslasses 3 eingebunden sein.In the present case, the fuel cell device 1 has a robust sensor system for measuring pressures and temperatures. A pressure sensor 16 for detecting an amplitude 24 of the pressure pulse is integrated into the low-pressure area 13 . This can optionally be supplemented by a sensor 16 ′ for measuring a temperature in the low-pressure area 13 . Furthermore, the medium-pressure line 12 optionally has a sensor 17 for measuring the temperature T 1 of the pressure pulse. The pressure sensor 16 can be integrated at any point in the low-pressure area 13 . In the present case, it is arranged downstream of the second valve 15 and upstream of the ejector pump 9 . However, it is also possible to integrate the pressure sensor downstream of the ejector pump 9 and upstream of the anode inlet 6 or downstream of the anode outlet 3 in the low-pressure region. In order to carry out the method for determining the fuel concentration, the fuel cell device 1 requires exactly one pressure sensor 16. However, further pressure sensors 18, 19 can also be integrated in the low-pressure area to verify the fuel concentration. These can be integrated into the low-pressure area downstream of the second valve 15 and upstream of the ejector pump 9 , or downstream of the ejector pump 9 and upstream of the anode inlet 6 or downstream of the anode outlet 3 .

Mit dieser Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 lässt sich die Brennstoffkonzentration, insbesondere beim Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1, ermitteln unter der Annahme, dass neben Wasserstoff und Stickstoff keine weiteren Atome/Moleküle im Anodenkreislauf vorhanden sind und die Brennstoffkonzentration bezüglich der Stickstoffkonzentration im Anodenkreislauf komplementär vorliegt.With this configuration of the fuel cell device 1, the fuel concentration, in particular when starting the fuel cell device 1, can be determined on the assumption that there are no other atoms/molecules in the anode circuit in addition to hydrogen and nitrogen and that the fuel concentration is complementary to the nitrogen concentration in the anode circuit.

Das Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

  • - Bereitstellen von Brennstoff in der Mitteldruckstrecke 12 unter vorgegebenen Druck und Temperaturbedingungen,
  • - Betätigen des die Mitteldruckstrecke 12 vom Niederdruckbereich 13 trennenden Ventils 15 und dadurch Auslösen eines Druckpulses mit einem bekanntem ersten Druck (p1), und einer bekannten erster Temperatur (T1) und bekanntem Volumen (V1), der von der Mitteldruckstrecke 12 im Niederdruckbereich 13 propagiert,
  • - Erfassen der Amplitude 24 des Druckpulses mittels des Drucksensors 16 und Bestimmen der Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplitude 24.
The method for determining the fuel concentration includes the following steps in particular:
  • - Provision of fuel in the medium-pressure section 12 under specified pressure and temperature conditions,
  • - Actuating the valve 15 separating the medium-pressure line 12 from the low-pressure area 13 and thereby triggering a pressure pulse with a known first pressure (p 1 ), and a known first temperature (T 1 ) and known volume (V 1 ), which is transmitted from the medium-pressure line 12 in the low pressure area 13 propagated,
  • - Detecting the amplitude 24 of the pressure pulse by means of the pressure sensor 16 and determining the fuel concentration based on the detected amplitude 24.

Dies ermöglicht ein einfach durchzuführendes Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration, mit einer reduzierten Anzahl an Drucksensoren, nämlich mit genau einem Drucksensor 16.This enables a method for determining the fuel concentration that is easy to carry out, with a reduced number of pressure sensors, namely with exactly one pressure sensor 16.

Die Brennstoffkonzentration kann entweder anhand einer Amplitudendifferenz zwischen der Amplitude 24 des Druckpulses beim Auslösen und der mittels des Drucksensors 16 erfassten Amplitude 24 bestimmt werden, oder anhand einer Zeitdifferenz zwischen einem ersten Zeitpunkt des Auslösens des Druckpulses und einem zweiten Zeitpunkt des Erfassens der Amplitude 24 des Druckpulses am Drucksensor 16.The fuel concentration can be determined either on the basis of an amplitude difference between the amplitude 24 of the pressure pulse when it is triggered and the amplitude 24 detected by means of the pressure sensor 16, or on the basis of a time difference between a first point in time when the Pressure pulse and a second point in time of detecting the amplitude 24 of the pressure pulse at the pressure sensor 16.

In 2 ist zur besseren Erläuterung des Verfahrens schematisch der Druck für verschiedene Brennstoffkonzentrationen dargestellt. Die durchgezogene Linie repräsentiert den Druckpuls beim Auslösen 21, während die gestrichelten Linien die Druckantwort, d.h. den Druckpuls bei Erfassen durch den Drucksensor 16 darstellt. Die enger gestrichelte Linie 22 zeigt dabei den durch den Drucksensor 16 erfassten Druck bei einer 45 % Brennstoffkonzentration, während die breiter gestrichelte Linie 23 den durch den Drucksensor 16 erfassten Druck bei einer 25% Brennstoffkonzentration darstellt. Anhand der 2 wird somit deutlich, dass die Amplitude 24 des Druckpulses mit abnehmender Brennstoffkonzentration abnimmt. Somit wird die Amplitudendifferenz mit abnehmender Brennstoffkonzentration größer.In 2 the pressure for different fuel concentrations is shown schematically for a better explanation of the method. The solid line represents the pressure pulse upon triggering 21, while the dashed lines represent the pressure response, ie the pressure pulse upon detection by the pressure sensor 16. The narrower dashed line 22 shows the pressure detected by the pressure sensor 16 at a 45% fuel concentration, while the wider dashed line 23 represents the pressure detected by the pressure sensor 16 at a 25% fuel concentration. Based on 2 It is thus clear that the amplitude 24 of the pressure pulse decreases as the fuel concentration decreases. Thus, as the fuel concentration decreases, the amplitude difference increases.

Mittels der weiteren Drucksensoren 18,19 kann eine weitere Amplitude 24 des Druckpulses erfasst werden. Die Brennstoffzellenkonzentration kann dann bestimmt oder verifiziert werden anhand der erfassten weiteren Amplitude 24, d.h. anhand der Amplitudendifferenz zwischen dem Druckpuls beim Auslösen und der mittels des weiteres Drucksensors 18,19 erfassten weiteren Amplitude 24, oder anhand der Amplitudendifferenz zwischen der mittels des Drucksensors 16 erfassten Amplitude 24 und der mittels des weiteren Drucksensors 18,19 erfassten weiteren Amplitude 24. Alternativ kann auch die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Zeitpunkt des Auslösens des Druckpulses und dem dritten Zeitpunkt des Erfassens der weiteren Amplitude 24 des Druckpulses mittels des weiteren Drucksensors 18, 19 oder die Zeitdifferenz zwischen dem zweiten Zeitpunkt des Erfassens des Druckpulses mittels des Drucksensors 16 und dem dritten Zeitpunkt des Erfassens der weiteren Amplitude 24 des Druckpulses mittels des weiteren Drucksensors 18,19 zur Bestimmung oder Verifizierung der Brennstoffzellenkonzentration herangezogen werden. Die Temperatur T1 des in der Mitteldruckstrecke 12 vorhandenen Brennstoffs kann mit einem in die Mitteldruckstrecke 12 eingebundenen Wärmeübertrager eingestellt werden und mittels des Temperatursensors 17 erfasst werden.A further amplitude 24 of the pressure pulse can be detected by means of the further pressure sensors 18,19. The fuel cell concentration can then be determined or verified based on the detected additional amplitude 24, i.e. based on the amplitude difference between the pressure pulse upon triggering and the additional amplitude 24 detected by means of the additional pressure sensor 18, 19, or based on the amplitude difference between the amplitude detected by means of the pressure sensor 16 24 and the additional amplitude 24 detected by means of the additional pressure sensor 18, 19. Alternatively, the time difference between the first point in time at which the pressure pulse was triggered and the third point in time at which the additional amplitude 24 of the pressure pulse was detected by means of the additional pressure sensor 18, 19 or the time difference between the second point in time when the pressure pulse is recorded by means of the pressure sensor 16 and the third point in time when the further amplitude 24 of the pressure pulse is recorded by means of the further pressure sensor 18, 19 for determining or verifying the fuel cell concentration. The temperature T 1 of the fuel present in the medium-pressure section 12 can be set using a heat exchanger integrated into the medium-pressure section 12 and can be detected by means of the temperature sensor 17 .

Weiterhin können auch zeitlich voneinander beabstandet eine Mehrzahl von Druckpulsen durch das Betätigen des zweiten Ventils 15 ausgelöst werden. Durch Einstellung des Öffnungsgrads des Ventils können die Druckpulse dabei unterschiedliche Amplituden 24 aufweisen. Es können aber auch Druckpulse mit gleichen Amplituden 24 ausgelöst werden. Für jeden der Druckpulse wird dann die Amplitude 24 mittels zumindest des Drucksensors 16 erfasst und dann für jeden der Druckpulse die Brennstoffkonzentration anhand der jeweils durch den Drucksensor erfassten Amplitude 24 bestimmt. Dies kann so lange wiederholt werden, d.h. es können so lange Druckpulse ausgelöst werden und die Brennstoffkonzentration bestimmt werden, bis die bestimmte Brennstoffkonzentration einen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Der Brennstoffzellenvorrichtung wird erst dann einer Starterlaubnis erteilt, wenn die bestimmte Brennstoffkonzentration den Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert liegt dabei bevorzugt über 50 Prozent Brennstoffanteil in dem Anodenkreislauf 7, zumindest über 45 Prozent. Dies verhindert insbesondere bei langen Standzeiten der Brennstoffzellenvorrichtung 1, eine Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1 bei einer zu geringen Brennstoffkonzentration und damit eine Schädigung der Brennstoffzellenvorrichtung 1.Furthermore, a plurality of pressure pulses can also be triggered at a time interval from one another by actuating the second valve 15 . The pressure pulses can have different amplitudes 24 by adjusting the degree of opening of the valve. However, pressure pulses with the same amplitudes 24 can also be triggered. The amplitude 24 is then detected for each of the pressure pulses by means of at least the pressure sensor 16 and the fuel concentration is then determined for each of the pressure pulses using the amplitude 24 respectively detected by the pressure sensor. This can be repeated, i.e. pressure pulses can be triggered and the fuel concentration determined, until the determined fuel concentration exceeds a predetermined or specifiable limit value. The fuel cell device is not allowed to start until the determined fuel concentration exceeds the limit value. The limit value is preferably more than 50 percent of the fuel in the anode circuit 7, at least more than 45 percent. This prevents the fuel cell device 1 from being started up when the fuel concentration is too low, and thus damage to the fuel cell device 1, particularly when the fuel cell device 1 has been idle for a long time.

2 zeigt eine Kennlinie bei der für eine Mehrzahl an vorgegebenen Brennstoffkonzentrationen Referenzamplitudendifferenzen bestimmt wurden. Somit können die im Rahmen des vorgestellten Verfahrens bestimmte Amplitudendifferenzen mit den Referenzamplitudendifferenzen bzw. der daraus erzielten Kennlinie verglichen werden, und so auf die Brennstoffkonzentration geschlossen werden. Analog und nicht gezeigt, können auch für eine Mehrzahl an vorgegebenen Brennstoffkonzentrationen Referenzzeitdifferenzen, also Referenzausbreitungsgeschwindigkeiten bestimmt werden. Die im Rahmen des vorgestellten Verfahrens zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration bestimmten Zeitdifferenzen können dann mit den Referenzdifferenzen bzw. der daraus erzielten Kennlinie verglichen werden, um auf die Brennstoffkonzentration schließen zu können. 2 shows a characteristic in which reference amplitude differences were determined for a plurality of specified fuel concentrations. Thus, the amplitude differences determined within the framework of the method presented can be compared with the reference amplitude differences or the characteristic curve obtained therefrom, and the fuel concentration can thus be inferred. Analogously and not shown, reference time differences, ie reference propagation velocities, can also be determined for a plurality of predetermined fuel concentrations. The time differences determined as part of the method presented for determining the fuel concentration can then be compared with the reference differences or the characteristic curve obtained from them in order to be able to draw conclusions about the fuel concentration.

Alternativ ist es auch möglich, anhand dieser Kennlinien und dem Erfassen einer Amplitudendifferenz bei bekannter Brennstoffkonzentration, durch Vergleich mit der Kennlinie, auf die Alterung des Brennstoffzellenstapels zu schließen.Alternatively, it is also possible to draw conclusions about the aging of the fuel cell stack on the basis of these characteristic curves and the detection of an amplitude difference when the fuel concentration is known, by comparing it with the characteristic curve.

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
Mitteldruckstreckemedium-pressure section
1313
Niederdruckbereichlow pressure area
1414
erstes Ventilfirst valve
1515
zweites Ventilsecond valve
1616
Drucksensor/ NiederdruckbereichPressure sensor/ low pressure area
16'16'
Sensor (Temperatur T2) / NiederdruckbereichSensor (temperature T 2 ) / low pressure area
1717
Sensor (Temperatur T1) / MitteldruckstreckeSensor (temperature T 1 ) / medium-pressure section
1818
weiterer Drucksensor / Anodeneinlassfurther pressure sensor / anode inlet
18'18'
weiterer Sensor (Temperatur T3) / Anodeneinlassfurther sensor (temperature T 3 ) / anode inlet
1919
weiterer Drucksensor / Anodenauslassfurther pressure sensor / anode outlet
19'19'
weiterer Sensor (Temperatur T4) / Anodenauslassfurther sensor (temperature T 4 ) / anode outlet
2020
Hochdruckleitungsteilhigh-pressure line part
2121
Druckpuls beim AuslösenPressure pulse when triggered
2222
Druckpuls beim Erfassen durch den Drucksensor (25% Brennstoffkonzentration)Pressure pulse when detected by the pressure sensor (25% fuel concentration)
2323
Druckpuls beim Erfassen durch den Drucksensor (45% Brennstoffkonzentration)Pressure pulse when detected by the pressure sensor (45% fuel concentration)
2424
Amplitudeamplitude

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • JP 2020095903 A [0005]JP 2020095903 A [0005]
  • EP 2800184 A1 [0005]EP 2800184 A1 [0005]
  • EP 3214684 A [0005]EP 3214684A [0005]

Claims (10)

Verfahren zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf (7) eines einen Anodeneinlass (6) und einen Anodenauslass (3) umfassenden Brennstoffzellenstapels (4) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), wobei an den Anodenkreislauf (7) ein Brennstoffreservoir (10) über ein Leitungssystem angeschlossen ist, das wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf (7) strömungsverbundene und von Ventilen (14, 15) begrenzte Mitteldruckstrecke (12) mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke (12) gelegenen mit dem Anodeneinlass (6) strömungsverbundenen Niederdruckbereich (13) und mit einem in den Niederdruckbereich (13) eingebundenen Drucksensor (16), umfassend die Schritte: - Bereitstellen von Brennstoff in der Mitteldruckstrecke (12) unter vorgegebenen Druck und Temperaturbedingungen, - Betätigen des die Mitteldruckstrecke (12) vom Niederdruckbereich (13) trennenden Ventils (15) und dadurch Auslösen eines Druckpulses mit einem bekanntem ersten Druck (p1), und einer bekannten erster Temperatur (T1) und bekanntem Volumen (V1), der von der Mitteldruckstrecke (12) im Niederdruckbereich (13) propagiert, - Erfassen der Amplitude (24) des Druckpulses mittels des Drucksensors (16) und Bestimmen der Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplitude (24).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), a fuel reservoir (10) being connected to the anode circuit (7) via a line system which comprises at least one medium-pressure section (12) which is flow-connected to the anode circuit (7) and delimited by valves (14, 15) and has a predetermined first volume (V 1 ) for fuel, in which there is a higher fuel pressure than in one downstream of the medium-pressure section (12) located with the anode inlet (6) flow-connected low-pressure area (13) and with a pressure sensor (16) integrated into the low-pressure area (13), comprising the steps: - providing fuel in the medium-pressure section (12) under predetermined pressure and temperature conditions, - Actuate the valve separating the medium-pressure line (12) from the low-pressure area (13). tils (15) and thereby triggering a pressure pulse with a known first pressure (p 1 ), and a known first temperature (T 1 ) and known volume (V 1 ), which propagates from the medium-pressure section (12) in the low-pressure area (13), - Detecting the amplitude (24) of the pressure pulse by means of the pressure sensor (16) and determining the fuel concentration based on the detected amplitude (24). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkonzentration bestimmt wird anhand einer Amplitudendifferenz zwischen der Amplitude (24) des Druckpulses beim Auslösen und der mittels des Drucksensors (16) erfassten Amplitude (24).procedure after claim 1 , characterized in that the fuel concentration is determined based on an amplitude difference between the amplitude (24) of the pressure pulse when triggered and the means of the pressure sensor (16) detected amplitude (24). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffkonzentration bestimmt wird anhand einer Zeitdifferenz zwischen einem ersten Zeitpunkt des Auslösens des Druckpulses und einem zweiten Zeitpunkt des Erfassens der Amplitude (24) des Druckpulses am Drucksensor (16).procedure after claim 1 , characterized in that the fuel concentration is determined based on a time difference between a first point in time when the pressure pulse is triggered and a second point in time when the amplitude (24) of the pressure pulse is detected at the pressure sensor (16). Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Mehrzahl an bekannten Brennstoffkonzentrationen ein Kennfeld von Referenzamplitudendifferenzen oder Referenzzeitdifferenzen erstellt wird, und dass zur Bestimmung der Brennstoffkonzentration die erfassten Amplitudendifferenzen mit den Referenzamplitudendifferenzen oder die erfassten Zeitdifferenzen mit den Referenzzeitdifferenzen verglichen werden.procedure after claim 2 or 3 , characterized in that a characteristic diagram of reference amplitude differences or reference time differences is created for a plurality of known fuel concentrations, and in that the detected amplitude differences are compared with the reference amplitude differences or the detected time differences are compared with the reference time differences to determine the fuel concentration. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Niederdruckbereich (13) genau ein Drucksensor (16) vorhanden ist.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that in the low-pressure area (13) there is exactly one pressure sensor (16). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Niederdruckbereich (13) mindestens ein weiterer Drucksensor (18,19) angeordnet ist, dass der weitere Drucksensor (18,19) eine weitere Amplitude (24) des Druckpulses erfasst, und dass die Brennstoffzellenkonzentration bestimmt oder verifiziert wird anhand der erfassten weiteren Amplitude (24).Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that at least one further pressure sensor (18,19) is arranged in the low-pressure area (13), that the further pressure sensor (18,19) detects a further amplitude (24) of the pressure pulse, and that the fuel cell concentration is determined or verified using the detected further amplitude (24). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vor dem Start der Brennstoffzellenvorrichtung (1) durchgeführt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the method is carried out before the start of the fuel cell device (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Druckpuls durch Betätigen des die Mitteldruckstrecke (12) vom Niederdruckbereich (13) trennenden Ventils (15) ausgelöst wird, dass die Amplitude (24) des Druckpulses durch den Drucksensor (16) erfasst wird und dass die Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplitude (24) bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that at least one further pressure pulse is triggered by actuating the valve (15) separating the medium-pressure line (12) from the low-pressure area (13), that the amplitude (24) of the pressure pulse is detected by the pressure sensor (16) and that the fuel concentration is determined based on the detected amplitude (24). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Druckpulse ausgelöst werden und die Brennstoffkonzentration anhand der erfassten Amplituden (24) bestimmt wird, bis die bestimmte Brennstoffkonzentration einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und dass der Brennstoffzellenvorrichtung (1) erst dann eine Starterlaubnis erteilt wird, wenn die bestimmte Brennstoffkonzentration den Grenzwert überschreitet.procedure after claim 8 , characterized in that further pressure pulses are triggered and the fuel concentration is determined on the basis of the detected amplitudes (24) until the determined fuel concentration exceeds a predetermined limit value, and in that the fuel cell device (1) is only allowed to start when the determined fuel concentration exceeds the exceeds the limit. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem einen Anodeneinlass (6) und einen Anodenauslass (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (4), der kathodenseitig an eine Kathodengasversorgung und der einen an den Anodeneinlass (6) und den Anodenauslass (3) angeschlossenen Anodenkreislauf (7) umfasst, der mittels eines Leitungssystems strömungsmechanisch mit einem Brennstoffreservoir (10) für die Zufuhr von frischem Brennstoff verbunden ist, wobei das Leitungssystem wenigstens eine mit dem Anodenkreislauf (7) strömungsverbundene und von Ventilen (14, 15) begrenzte Mitteldruckstrecke (12) mit einem vorgegebenen ersten Volumen (V1) für Brennstoff umfasst, in welcher ein höherer Brennstoffdruck vorliegt als in einem stromab der Mitteldruckstrecke (12) gelegenen mit dem Anodeneinlass (6) strömungsverbundenen Niederdruckbereich (13) mit einem vorgegebenen zweiten Volumen (V2), und mit einem in den Niederdruckbereich (13) eingebundenen Drucksensor (16), sowie mit einem Steuergerät, das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.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 by means of a line system, the line system having at least one medium-pressure section (12) which is flow-connected to the anode circuit (7) and delimited by valves (14, 15) and has a predetermined first volume (V 1 ) for fuel, in which there is a higher fuel pressure than in a low-pressure region (13) which is flow-connected to the anode inlet (6) downstream of the medium-pressure section (12) and has a predetermined second volume (V 2 ), and with a Low-pressure area (13) integrated pressure sensor (16), and with a control unit for through conduct of the procedure according to one of Claims 1 until 9 is set up.
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