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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Einstellen eines Brennstoffzellensystems.
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Stand der Technik
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Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoffs zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser um. Das Umwandeln von Wasserstoff erfolgt dabei, indem Wasserstoffmoleküle anodenseitig verbraucht bzw. entfernt werden.
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Eine PEM Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und der dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere solcher einzelner Brennstoffzellen werden in einem Brennstoffzellenstapel gestapelt, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Innerhalb eines solchen Brennstoffzellenstapels bzw. „Stacks“, befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgen bzw. abgereicherte feuchte Luft sowie abgereichertes Anodenabgas ableiten.
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U. a. durch Diffusionsprozesse gelangt Stickstoff in den Anodenraum. Stickstoff stellt für eine Brennstoffzelle ein Inertgas da und senkt entsprechend deren Zellspannung. Somit ist Stickstoff abträglich für eine Gesamtspannung eines Brennstoffzellenstapels, was wiederum Wirkungsgradeinbußen des Brennstoffzellenstapels bedingt. Um derartige Wirkungsgradeinbußen zu minimieren, wird während eines Betriebs einer Brennstoffzelle wiederholt Gas aus dem Anodenraum ausgeleitet, um den Stickstoffgehalt in dem Brennstoffzellensystem zu reduzieren. Diese Ausleitung geschieht mit einem Spülventil, d.h. einem sog. „Purge-Ventil“.
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Die Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit frischem Wasserstoff erfolgt üblicherweise mittels Wasserstoffdosierventilen, die als Proportionalventil ausgeführt sein können. Dabei kann vorgesehen sein, dass mit einem Wasserstoffdosierventil ein Gasdruck innerhalb des Anodenpfads eines Brennstoffzellensystems, gemessen mittels eines Drucksensors an einer definierten Position, systembetriebspunktabhängig auf einen definierten Solldruck eingeregelt wird.
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Gründe für ein Nachfördern von frischem Wasserstoff können zum einen ein Verbrauch von Wasserstoff durch elektrochemische Umwandlung und zum anderen sonstige Verluste von Gasmolekülen aus dem Anodenraum durch bspw. zu langes Öffnen eines Drain-Ventils, wenn nach vollständiger Wasserentleerung Gas ausgeleitet wird sowie durch Öffnen eines Spülventils, sein.
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Üblicherweise sind Spülventile als sog. „normally closed Ventile“ mit definierter Blende als Strömungswiderstand ausgestattet. Mit einem solchen Strömungswiderstand kann baulich die maximal ausleitbare Gasmenge definiert werden.
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Ein Spülvorgang erfolgt zeitlich gesteuert mit von einem Systembetriebspunkt abhängiger Taktung oder auch basierend nach oder auf definierten Ereignissen im Systembetrieb. Wenn häufig ausgeleitet wird, wird eine Stickstoffkonzentration geringgehalten, jedoch auch Brennstoff verschwendet und ein Systemwirkungsgrad minimiert.
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Entsprechend ist eine genaue Kenntnis über eine einem Brennstoffzellensystem zugeführte Stickstoffkonzentration wichtig, um die Häufigkeit des Spülens systemeffizient zu optimieren.
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Wasserstoffsensoren, die in den Anodenpfad installiert werden, können hierzu verwendet werden. Diese stellen aber in jedem Fall einen Eingriff in den Anodenpfad dar, was mit mechanischen Schnittstellen einhergeht. Mechanische Schnittstellen können wiederum Leckagen verursachen. Ferner sind Wasserstoffsensoren teuer, haben eine geringe Lebensdauer hinsichtlich Kraftfahrzeuganwendungen und sind kaum verfügbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Einstellen eines Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein Brennstoffzellensystem optimal einzustellen und einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.
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Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, ein Anodensubsystem mit einem Proportionalventil zum Dosieren eines Volumens von dem Brennstoffzellenstapel zuzuführendem Gas, ein Spülventil zum Ableiten von Gas aus dem Anodensubsystem in einen Abgaspfad des Brennstoffzellensystems und ein Kontrollgerät zum Kontrollieren des Proportionalventils und des Spülventils. Das Kontrollgerät ist dazu konfiguriert, anhand eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführt wird, auf eine Wasserstoffkonzentration in einem dem Spülventil zugeführten Gas zu schließen.
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Weiterhin ist das Kontrollgerät dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit der ermittelten Wasserstoffkonzentration einzustellen.
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Unter Nachsteuern ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem in Reaktion auf einen Auslösevorgang, insbesondere einen mittels eines Spülventils durchgeführten Spülvorgang, ein Stellorgan, insbesondere ein Proportionalventil, eingestellt wird, um eine durch den Auslösevorgang ausgelöste Veränderung auszugleichen.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem ist dazu konfiguriert, sich dynamisch auf eine Wasserstoffkonzentration in einem dem Brennstoffzellensystem zugeführten Gas einzustellen. Dazu kann bspw. ein Spülventil und/oder ein Entwässerungsventil, d.h. ein sog. „Drain-Ventil“, in Abhängigkeit einer jeweilig ermittelten Wasserstoffkonzentration angesteuert werden. Insbesondere kann eine Zeit, für die das Spülventil und/oder das Entwässerungsventil angesteuert wird, in Abhängigkeit einer ermittelten Wasserstoffkonzentration angepasst, d.h. ausgehend von einem Standardwert verlängert oder verkürzt werden.
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Durch die dynamische Einstellung des vorgestellten Brennstoffzellensystems auf eine jeweilig ermittelte Wasserstoffkonzentration werden Betriebsprozesse des Brennstoffzellensystems, die zum Ausleiten von Brennstoff aus dem Brennstoffzellensystem führen, wie bspw. ein Spülvorgang und/oder ein Entwässerungsvorgang, derart gestaltet, dass eine Menge von ausgeleitetem Brennstoff minimiert und entsprechend eine Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert wird.
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Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass ein in einem Brennstoffzellensystem anliegender Druck, insbesondere ein Versorgungsdruck in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, von dem Brennstoffzellensystem konstant gehalten werden soll. Bei konstanter Temperatur verändert sich der in dem Brennstoffzellensystem anliegende Druck in Abhängigkeit einer in dem Brennstoffzellensystem vorhandenen Anzahl Moleküle. Durch Aktivierung eines Spülventils werden Gasmoleküle aus dem Anodenraum des Brennstoffzellensystems entfernt. Da Wasserstoffmoleküle im Vergleich zu Stickstoffmolekülen sehr einfach auszuleiten sind, hat sich gezeigt, dass je mehr Stickstoffmoleküle vorhanden sind, desto weniger Moleküle insgesamt bei vorliegendem Druck über das Spülventil ausgeleitet werden können.
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Weiterhin muss bei einem Ausleiten von Molekülen aus dem Anodenraum mittels des Spülventils die ausgeleitete Anzahl Moleküle durch Aktivierung eines Dosierventils kompensiert werden, um den Druck konstant zu halten. Entsprechend bestimmt eine in einem Brennstoffzellensystem vorliegende Stickstoffkonzentration eine Aktivität des Dosierventils, sodass anhand der Aktivität des Dosierventils auf eine Stickstoffkonzentration und, dadurch bedingt, auf eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellensystem geschlossen werden kann.
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Mit anderen Worten beruht die vorgestellte Erfindung auf dem Prinzip, dass sich die Dichte eines Gases bzw. einer Gasmischung, die einem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, in Abhängigkeit einer Wasserstoffkonzentration in dem Gas ändert, was wiederum dazu führt, dass sich eine Menge an Gas, die bereitzustellen ist, um einen vorgegebenen Druck zu erreichen, in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration in dem Gas ändert. Dies bedeutet, dass ein Dosierventil zum Dosieren von Gas bspw. länger oder stärker geöffnet werden muss, um einen vorgegebenen Versorgungsdruck in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems einzustellen, wenn ein Gas mit einer hohen Wasserstoffkonzentration und einer entsprechend niedrigen Stickstoffkonzentration verwendet wird, als wenn ein Gas mit einer geringen Wasserstoffkonzentration verwendet wird. Entsprechend sieht die vorgestellte Erfindung vor, dass eine Ansteuerungszeit des Dosierventils als Informationsquelle über eine Wasserstoffkonzentration bzw. eine Stickstoffkonzentration in einem jeweiligen Gas verwendet wird. Dazu ist es erforderlich, dass das Dosierventil ein Proportionalventil ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, für den Fall, dass die ermittelte Wasserstoffkonzentration unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, eine Ansteuerungszeit eines Wasserablassventils und/oder des Spülventils zu verlängern, um das Brennstoffzellensystem einzustellen, oder für den Fall, dass die ermittelte Wasserstoffkonzentration über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Ansteuerungszeit des Wasserablassventils und/oder des Spülventils zu verkürzen, um das Brennstoffzellensystem einzustellen.
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Durch ein Verkürzen der Ansteuerungszeit des Spülventils des vorgestellten Brennstoffzellensystems wird ein unnötiges Ausströmen von Brennstoff bzw. Wasserstoff, wie es bei Verwendung eines fest vorgegebenen Zeitfensters der Ansteuerungszeit des Spülventils vorkommen kann, vermieden.
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Durch ein Verlängern der Ansteuerungszeit des Spülventils des vorgestellten Brennstoffzellensystems kann ein einzelner Spülvorgang verwendet werden, um das Brennstoffzellensystem in einen vorgegebenen Betriebszustand zu bringen. Entsprechend können durch eine Verlängerung der Ansteuerungszeit des Spülventils ggf. weitere Spülvorgänge und, dadurch bedingtes unnötiges Ausströmen von Brennstoff bzw. Wasserstoff, wie es bei Verwendung eines fest vorgegebenen Zeitfensters der Ansteuerungszeit des Spülventils vorkommen kann, vermieden werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem weiterhin einen Differenzdrucksensor zum Ermitteln eines Differenzdrucks zwischen einer Position vor dem Spülventil und einer Position nach dem Spülventil umfasst, und dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, das Proportionalventil zum Nachsteuern mit einem elektrischen Steuerungsstrom zu beaufschlagen, der bewirkt, dass eine Veränderung eines Versorgungsdrucks im Brennstoffzellenstapel, die sich bei einem Spülvorgang einstellt, durch Einleiten von zusätzlichem Gas in das Anodensubsystem kompensiert wird.
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Da sich ein über einem Spülventil anliegender Druck in Abhängigkeit einer Wasserstoffkonzentration in einem das Spülventil anströmenden Gas ändert, bewirkt eine Änderung der Wasserstoffkonzentration in dem Gas auch eine Änderung eines dem Proportionalventil zugeführten bzw. zuzuführenden elektrischen Steuerungsstroms. Dies bedeutet i. d. R., dass das Proportionalventil bei einer hohen Wasserstoffkonzentration länger bzw. stärker geöffnet werden muss als bei einer geringen Wasserstoffkonzentration, um einen vorgegebenen Versorgungsdruck in einem Brennstoffzellenstapel einzustellen.
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Dabei kann der Versorgungsdruck direkt mittels eines einzelnen in dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Drucksensors oder als Differenzdruck zwischen einem Druck in dem Brennstoffzellenstapel und einem Druck außerhalb des Brennstoffzellenstapels ermittelt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, in dem elektrischen Steuerungsstrom, der dem Proportionalventil zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführt wird, eine Größe von Überschwingern beim Einstellen des Proportionalventils zu ermitteln und anhand der Größe der Überschwinger auf die Wasserstoffkonzentration in dem Gas zu schließen.
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Ein Überschwinger, d.h. ein Antwortverhalten einer Ausgangsgröße, die nach einer sprunghaften Änderung einer Eingangsgröße einen erwünschten Wert nicht direkt erreicht, sondern über einen Sollwert hinausschießt und sich erst danach auf den erwünschten Wert einstellt, ändert sich in Abhängigkeit einer Aktivität des Proportionalventils. So resultiert bspw. ein großer Überschwinger aus einer hohen Wasserstoffkonzentration, da ein bereitgestellter elektrischer Steuerungsstrom zum Aktivieren des Proportionalventils nur geringen Gegendruck zu überwinden hat und entsprechend eine weite Öffnungsbewegung des Proportionalventils bewirkt und umgekehrt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, anhand eines Verhältnisses einer Stromstärke eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil zugeführt wird, wenn sich beim Nachsteuern an dem Proportionalventil ein quasi stationärer Zustand einstellt, zu einer Stromstärke eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil vor dem Spülvorgang zugeführten wird, auf die Wasserstoffkonzentration in dem Gas zu schließen.
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Eine Änderung eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil des vorgestellten Brennstoffzellensystems zugeführt wird, um für einen Spülvorgang nachzusteuern, steht in direktem Zusammenhang mit einer Wasserstoffkonzentration in einem das Spülventil bzw. dem Proportionalventil zugeführten Gas. Diese Änderung des elektrischen Steuerungsstroms kann als Verhältnis einer Stromstärke eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil zugeführt wird, wenn sich beim Nachsteuern an dem Proportionalventil ein quasi stationärer Zustand einstellt, zu einer Stromstärke eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil vor dem Spülvorgang zugeführten wird, besonders einfach und genau ermittelt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, anhand eines Gradienten einer Stromstärke eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführt wird, auf die Wasserstoffkonzentration in dem Gas zu schließen.
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Da eine Änderung einer Stromstärke eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführt wird, sich in direkter Abhängigkeit zu einer Aktivität des Proportionalventils ändert, bildet die Änderung und insbesondere der Gradient der Stromstärke entsprechend eine veränderte Reaktion des Proportionalventils auf eine veränderte Wasserstoffkonzentration zuverlässig und exakt ab.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Temperatursensor zum Ermitteln einer am Übergang von dem Anodensubsystem zu dem Brennstoffzellenstapel anliegenden Temperatur umfasst, und dass die Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, anhand einer durch den Temperatursensor ermittelten Temperatur auf eine Wasserkonzentration in dem Gas zu schließen und anhand der Wasserkonzentration in Verbindung mit einem elektrischen Steuerungsstrom, der dem Proportionalventil zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführt wird, auf eine Wasserstoffkonzentration in dem Gas zu schließen.
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Mittels eines Temperatursensors kann eine Temperatur in einem gasführenden Teil des vorgestellten Brennstoffzellensystems ermittelt werden, sodass mittels Kenntnis der Temperatur in dem gasführenden Teil, insbesondere im Anodenpfad und der in der Praxis oft verwendeten Annahme von einer vollständigen Sättigung der Gasphase mit Wasser, ein Wasseranteil berechnet werden kann. Entsprechend kann anhand der Temperatur auf eine relative Luftfeuchtigkeit eines in dem gasführenden Teil strömenden Gases geschlossen werden. Daher kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem mittels eines Temperatursensors zusätzlich zu der Wasserstoffkonzentration auch auf die relative Luftfeuchtigkeit eingestellt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kontrolleinheit ein Zuordnungsschema umfasst, das jeweiligen ermittelten Werten einer an dem Proportionalventil anliegenden Stromstärke eine entsprechende Wasserstoffkonzentration zuordnet.
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Bspw. kann die Kontrolleinheit ein mehrdimensionales Zuordnungsschema umfassen, das jeweiligen Werten einer Wasserstoffkonzentration und/oder einer relativen Luftfeuchtigkeit entsprechende Einstellungsparameter des Brennstoffzellensystems zuordnet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Einstellen eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, ein Anodensubsystem mit einem Proportionalventil zum Dosieren eines Volumens von dem Brennstoffzellenstapel zuzuführendem Gas und ein Spülventil zum Ableiten von Gas aus dem Anodensubsystem in einen Abgaspfad des Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst einen Ermittlungsschritt zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem dem Spülventil zugeführten Gas anhand eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführten wird, und einen Einstellungsschritt zum Einstellen des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der ermittelten Wasserstoffkonzentration.
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Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Betreiben des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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Es kann vorgesehen sein, dass in dem Einstellungsschritt ein Entwässerungsventil und/oder ein Spülventil eingestellt wird, wobei für den Fall, dass die ermittelte Wasserstoffkonzentration unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, eine Ansteuerungszeit des Entwässerungsventils und/oder des Spülventils verlängert wird, oder für den Fall, dass die ermittelte Wasserstoffkonzentration über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Ansteuerungszeit des Entwässerungsventils und/oder des Spülventils verkürzt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1a einen Zusammenhang zwischen verschiedenen Wasserstoffkonzentrationen in einem Gas und einem dadurch bedingten Massenstrom,
- 1b einen Zusammenhang zwischen verschiedenen Wasserstoffkonzentrationen in einem Gas und einem dadurch bedingten Molenstrom,
- 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1a ist ein Diagramm 100 dargestellt. Das Diagramm 100 spannt sich auf seiner Abszisse über einen Differenzdruck an einem Spülventil und auf seiner Ordinate über einen Massenstrom, also eine Masse pro Zeiteinheit in [g/s], an dem Spülventil auf.
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Ein erster Verlauf 101 entspricht einem Gas mit einer ersten, niedrigen Wasserstoffkonzentration. Ein zweiter Verlauf 103 entspricht einem Gas mit einer zweiten, hohen Wasserstoffkonzentration, wie durch Pfeil 105 angedeutet.
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Beim Vergleich des ersten Verlaufs 101 mit dem zweiten Verlauf 103 fällt auf, dass mit zunehmendem Massenstrom beide Verläufe auch einen zunehmenden Druck am Spülventil bedingen, wobei der Druck gemäß dem zweiten Verlauf 103 aufgrund der hohen Wasserstoffkonzentration weniger stark steigt als der erste Verlauf 101.
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Entsprechend fällt bei einem vorgegebenen Druck der Massenstrom bei hoher Wasserstoffkonzentration geringer aus als bei niedriger Wasserstoffkonzentration.
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In 1b ist ein Diagramm 107 dargestellt. Das Diagramm 107 spannt sich auf seiner Abszisse über deinen Differenzdruck an einem Spülventil und auf seiner Ordinate über einen Molenstrom, also einer Anzahl Moleküle pro Zeiteinheit in [mol/s], an dem Spülventil auf.
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Ein erster Verlauf 109 entspricht einem Gas mit einer ersten, niedrigen Wasserstoffkonzentration. Ein zweiter Verlauf 111 entspricht einem Gas mit einer zweiten hohen Wasserstoffkonzentration, wie durch Pfeil 113 angedeutet.
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Beim Vergleich von 1a mit 1b fällt auf, dass sich die in 1a dargestellten Trends in 1b umkehren, sodass mit zunehmender Wasserstoffkonzentration der Molenstrom bei kontantem Druck steigt.
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Je nachdem, welche Wasserstoffkonzentration im Anodenpfad bei einem Spülvorgang vorliegt, muss das erfindungsgemäß vorgesehene Proportionalventil mehr oder weniger stark nachsteuern, um einen durch den Spülvorgang bedingten Gasverlust bzw. einen Druckverlust zu kompensieren. Entsprechend geht eine geringere Wasserstoffkonzentration mit einem stärkeren Nachsteuern des Proportionalventils einher und umgekehrt.
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Anhand eines Verhaltens des Proportionalventils beim Nachsteuern in Reaktion auf einen Spülvorgang kann auf eine Wasserstoffkonzentration in einem einer entsprechenden Brennstoffzelle zugeführten Gas geschlossen werden. Daher beruht die vorgestellte Erfindung auf dem Prinzip, dass das Brennstoffzellensystem in Reaktion auf ein Verhalten des Proportionalventils beim Nachsteuern auf einen Spülvorgang eingestellt wird und bspw. eine Ansteuerung des Spülventils und/oder eines Wasserablassventils des Brennstoffzellensystems dynamisch angepasst, d.h. ausgehend von einem Standardwert verlängert oder zu verkürzt bzw. verstärkt oder reduziert wird. Dazu wird ein elektrischer Steuerungsstrom der dem Proportionalventil in Reaktion auf den Spülvorgang zugeführt wird, ausgewertet. Da sich der Steuerungsstrom proportional zur Öffnung des Proportionalventils ändert, gibt ein Stromstärke des Steuerungsstroms Auskunft über einen Öffnungsgrad des Proportionalventils. Anhand des Öffnungsgrads und der Öffnungsdauer des Proportionalventils kann auf eine durch das Proportionalventil einem Anodensubsystem zugeführte Menge an Wasserstoff und, dadurch bedingt, auf eine Wasserstoffkonzentration in dem Anodensubsystem geschlossen werden.
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Anhand einer bekannten Wasserstoffkonzentration kann bei bekannter Temperatur und entsprechend bekannter relativer Luftfeuchte in einem Brennstoffzellenstapel auch auf eine entsprechende Stickstoffkonzentration geschlossen werden, und umgekehrt.
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In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 201, ein Anodensubsystem 203 mit einem Proportionalventil 205 zum Dosieren eines Volumens von dem Brennstoffzellenstapel 201 zuzuführendem Gas, ein Spülventil 207 zum Ableiten von Gas aus dem Anodensubsystem in einen Abgaspfad 209 des Brennstoffzellensystems 200 und ein Kontrollgerät 211 zum Kontrollieren des Proportionalventils 205 und des Spülventils 207.
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Das Kontrollgerät 211 ist dazu konfiguriert, anhand eines elektrischen Steuerungsstroms, der dem Proportionalventil 205 zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführt wird, auf eine Wasserstoffkonzentration in einem dem Spülventil 207 zugeführten Gas zu schließen und das Brennstoffzellensystem 200 in Abhängigkeit der ermittelten Wasserstoffkonzentration einzustellen. Dazu kann das Kontrollgerät 211 einen Prozessor, wie bspw. eine CPU, einen ASIC oder jeden weiteren programmierbaren Schaltkreis umfassen.
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Insbesondere ist das Kontrollgerät 211 dazu konfiguriert, eine Ansteuerung des Spülventils 207 und/oder eines Wasserablassventils 213 des Brennstoffzellensystems 200 dynamisch anzupassen, d.h. ausgehend von einem Standardwert in Abhängigkeit der ermittelten Wasserstoffkonzentration zu verlängern oder zu verkürzen bzw. zu verstärken oder zu reduzieren.
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In 3 ist ein Verfahren 300 dargestellt. Das Verfahren 300 umfasst einen Ermittlungsschritt 301 zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem einem Spülventil zugeführten Gas anhand eines elektrischen Steuerungsstroms, der einem Proportionalventil zum Nachsteuern auf einen Spülvorgang zugeführt wird, und einen Einstellungsschritt 303 zum Einstellen des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der ermittelten Wasserstoffkonzentration.
