DE102022212445B3

DE102022212445B3 - Method, control device and computer program for determining a hydrogen concentration in a fuel cell system tank as well as gas mixture analysis device and fuel cell system

Info

Publication number: DE102022212445B3
Application number: DE102022212445.6A
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2022-11-22
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2042-11-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuerungsvorrichtung (160) und ein Computerprogramm zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem Tank (120) eines Brennstoffzellensystems (100) sowie eine Gasgemischanalysevorrichtung (180) und ein Brennstoffzellensystem (100) und eine Verwendung eines in einem Brennstoffzellensystem (100) angeordneten Wasserstoffsensors (131) zum Ermitteln der Wasserstoffkonzentration im Tank (120) des Brennstoffzellensystems (100). Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Empfangen eines Wasserstoffsignals von einem im Anodenleitungssystem (130) angeordneten Wasserstoffsensor (131), ein Feststellen eines Zeitpunkts, der angibt, dass ein Spülvorgang des Anodenleitungssystems (130) beendet ist, ein Feststellen, dass das im Tank (120) des Brennstoffzellensystems (100) vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems (100) ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist, wenn das zum Zeitpunkt des festgestellten Beendens des Spülvorgangs empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der größer ist als ein vorbestimmter Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert, und Senden eines Steuersignals, der angibt, dass das im Tank (120) des Brennstoffzellensystems (100) vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems (100) ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist.The present invention relates to a method, a control device (160) and a computer program for determining a hydrogen concentration in a tank (120) of a fuel cell system (100), as well as a gas mixture analysis device (180) and a fuel cell system (100) and a use in a fuel cell system ( 100) arranged hydrogen sensor (131) for determining the hydrogen concentration in the tank (120) of the fuel cell system (100). The method according to the invention comprises receiving a hydrogen signal from a hydrogen sensor (131) arranged in the anode line system (130), determining a time which indicates that a flushing process of the anode line system (130) has ended, and determining that the in the tank (120) the gas mixture present in the fuel cell system (100) has a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system (100) if the hydrogen signal received at the time of the determined termination of the purging process indicates a hydrogen concentration value that is greater than a predetermined hydrogen concentration threshold value, and sending a control signal which indicates that the gas mixture present in the tank (120) of the fuel cell system (100) has a sufficient hydrogen concentration for proper operation of the fuel cell system (100).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuerungsvorrichtung und ein Computerprogramm zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem Tank eines Brennstoffzellensystems sowie eine Gasgemischanalysevorrichtung und ein Brennstoffzellensystem und eine Verwendung eines in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Wasserstoffsensors zum Ermitteln der Wasserstoffkonzentration im Tank des Brennstoffzellensystems.The present invention relates to a method, a control device and a computer program for determining a hydrogen concentration in a tank of a fuel cell system as well as a gas mixture analysis device and a fuel cell system and a use of a hydrogen sensor arranged in a fuel cell system for determining the hydrogen concentration in the tank of the fuel cell system.

Brennstoffzellensysteme werden üblicherweise mit einem im Wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Gasgemisch betankt. Hierzu ist es wünschenswert, dass das getankte Gasgemisch eine Wasserstoffkonzentration aufweist, die größer ist als 99 %. Diese hohe Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch kann eine frühzeitige Alterung sowie Effizienzverluste der Brennstoffzelle vermeiden. Aus dem Stand der Technik sind Wasserstoffsensoren bekannt, die auf dem Wärmeleitfähigkeitsmessprinzip basieren. Dabei wird die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Gasgemischs ermittelt, woraus sich die Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch ableiten lässt, da die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff signifikant größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von vielen anderen Gaskomponenten im Gasgemisch.Fuel cell systems are usually fueled with a gas mixture consisting essentially of hydrogen. For this purpose, it is desirable that the fueled gas mixture has a hydrogen concentration that is greater than 99%. This high hydrogen concentration in the gas mixture can prevent premature aging and loss of efficiency of the fuel cell. Hydrogen sensors that are based on the thermal conductivity measurement principle are known from the prior art. The thermal conductivity of the entire gas mixture is determined, from which the concentration of hydrogen in the gas mixture can be derived, since the thermal conductivity of hydrogen is significantly greater than the thermal conductivity of many other gas components in the gas mixture.

Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise die US 9 450 258 B2 , US 10 211 471 B2 , US 2022/0278344 A1 , US 7 141 324 B2 und US 9 716 282 B2 bekannt.For example, from the prior art are: US 9,450,258 B2 , US 10 211 471 B2 , US 2022/0278344 A1 , US 7,141,324 B2 and US 9,716,282 B2 known.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zu Grunde, sicherzustellen, dass sich das in einem Tank eines Brennstoffzellensystems befindliche Gasgemisch die technisch erforderliche Reinheit im Hinblick auf den Wasserstoffgehalt aufweist und somit die Wasserstoffkonzentration des im Tank des Brennstoffzellensystems angeordneten Gasgemischs ausreichend hoch ist.The present invention is essentially based on the object of ensuring that the gas mixture located in a tank of a fuel cell system has the technically required purity with regard to the hydrogen content and thus the hydrogen concentration of the gas mixture arranged in the tank of the fuel cell system is sufficiently high.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 1, einer Steuerungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, einer Gasgemischanalysevorrichtung gemäß Anspruch 7, einem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 8, einem Computerprogram gemäß Anspruch 9, einem Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10 und einer Verwendung eines in einem Anodenleitungssystem eines Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with a method according to independent claim 1, a control device according to claim 5, a gas mixture analysis device according to claim 7, a fuel cell system according to claim 8, a computer program according to claim 9, a computer program product according to claim 10 and a use of one arranged in an anode line system of a fuel cell system Hydrogen sensor solved according to claim 11. Advantageous refinements are specified in the subclaims.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, einen bereits in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Wasserstoffsensor, insbesondere im Anodenleitungssystem der Brennstoffzelle angeordneten Wasserstoffsensor, zum Ermitteln der Wasserstoffkonzentration in dem innerhalb des Tanks des Brennstoffzellensystems angeordneten Gasgemischs zu ermitteln. Dabei macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, dass unmittelbar nach einem Spülvorgang des Anodenleitungssystems die Wasserstoffkonzentration mittels des Wasserstoffsensors am Ausgang der Anode ermittelt wird, da zu diesem Zeitpunkt davon ausgegangen werden kann, dass das Gasgemisch an der im Anodenleitungssystem angeordneten Messstelle des Wasserstoffsensors im Wesentlichen dem Gasgemisch im Tank des Brennstoffzellensystems entspricht. Folglich lassen sich deshalb zu diesem Zeitpunkt Rückschlüsse auf die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch im Tank des Brennstoffzellensystems schließen. Wenn die zu diesem Zeitpunkt erfasste Wasserstoffkonzentration unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt, kann davon ausgegangen werden, dass das Gasgemisch im Tank des Brennstoffzellensystems eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems zu niedrige Wasserstoffkonzentration aufweist und folglich eine Warnung an den Bediener des Brennstoffzellensystems ausgegeben werden kann.The present invention is essentially based on the idea of using a hydrogen sensor already arranged in a fuel cell system, in particular a hydrogen sensor arranged in the anode line system of the fuel cell, for determining the hydrogen concentration in the gas mixture arranged within the tank of the fuel cell system. The present invention takes advantage of the fact that immediately after a flushing process of the anode line system, the hydrogen concentration is determined by means of the hydrogen sensor at the output of the anode, since at this point it can be assumed that the gas mixture at the measuring point of the hydrogen sensor arranged in the anode line system is essentially the same Gas mixture in the tank of the fuel cell system corresponds. Consequently, conclusions can be drawn at this point about the hydrogen concentration in the gas mixture in the tank of the fuel cell system. If the hydrogen concentration detected at this time is below a predetermined threshold value, it can be assumed that the gas mixture in the tank of the fuel cell system has a hydrogen concentration that is too low for proper operation of the fuel cell system and consequently a warning can be issued to the operator of the fuel cell system.

Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem in einem Tank eines Brennstoffzellensystems vorhandenen Gasgemischs offenbart. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodenleitungssystem, das zumindest den Tank mit einer Anode des Brennstoffzellensystems fluidverbindet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Empfangen eines Wasserstoffsignals von einem im Anodenleitungssystem angeordneten Wasserstoffsensor auf. Das Wasserstoffsignal ist für eine Wasserstoffkonzentration eines im Anodenleitungssystem vorhandenen Gasgemischs repräsentativ. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ferner ein Feststellen eines Zeitpunkts auf, der angibt, dass ein Spülvorgang des Anodenleitungssystems beendet ist. Das Feststellen des Zeitpunkts erfolgt in Anhängigkeit des empfangenen Wasserstoffsignals. Das erfindungsgemäße Verfahren umfass ferner ein Feststellen auf, dass das im Tank des Brennstoffzellensystems vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist, wenn das zum festgestellten Zeitpunkt empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der größer ist als ein vorbestimmter Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert, und ein Senden eines Steuersignals, das angibt, dass das im Tank des Brennstoffzellensystems vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist.Accordingly, according to a first aspect of the present invention, a method for determining a hydrogen concentration in a gas mixture present in a tank of a fuel cell system is disclosed. The fuel cell system includes an anode line system that fluidly connects at least the tank to an anode of the fuel cell system. The method according to the invention includes receiving a hydrogen signal from a hydrogen sensor arranged in the anode line system. The hydrogen signal is representative of a hydrogen concentration of a gas mixture present in the anode line system. The method according to the invention further comprises determining a time which indicates that a flushing process of the anode line system has ended. The time is determined depending on the hydrogen signal received. The method according to the invention further includes determining that the gas mixture present in the tank of the fuel cell system has a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system when the hydrogen signal received at the determined time indicates a hydrogen concentration value that is greater than a predetermined hydrogen concentration threshold, and transmitting a control signal that indicates that the gas mixture present in the tank of the fuel cell system is sufficient for proper operation of the fuel cell system tems has sufficient hydrogen concentration.

Somit kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem ohnehin schon im Brennstoffzellensystem, insbesondere im Anodenleitungssystem des Brennstoffzellensystems, angeordneten Wasserstoffsensor ein Rückschluss auf die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch im Tank des Brennstoffzellensystems gemacht werden. Damit kann beispielsweise nach einem Tankvorgang überprüft werden, ob ein für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigtes Gasgemisch getankt worden ist.Thus, with the help of the method according to the invention with the hydrogen sensor already arranged in the fuel cell system, in particular in the anode line system of the fuel cell system, a conclusion can be made about the hydrogen concentration in the gas mixture in the tank of the fuel cell system. This makes it possible, for example, to check after a refueling process whether a gas mixture required for proper operation of the fuel cell system has been refueled.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Feststellen, dass ein Spülvorgang des Anodenleitungssystems beendet ist, ein Ermitteln, dass das vom Wasserstoffsensor empfangene Wasserstoffsignal einen im Wesentlichen konstanten Verlauf aufweist. According to a preferred embodiment of the method according to the invention, determining that a flushing process of the anode line system has ended includes determining that the hydrogen signal received by the hydrogen sensor has a substantially constant course.

Insbesondere macht sich gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung das erfindungsgemäße Verfahren dabei zu Nutze, dass während des ordnungsgemäßen Betriebs des Brennstoffzellensystems die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch innerhalb des Anodenleitungssystems abnimmt und gleichzeitig die Stickstoffkonzentration innerhalb des Anodenleitungssystems zunimmt. Während des daraufhin durchgeführten Spülvorgangs gelangt frisches Gasgemisch aus dem Tank in das Anodenleitungssystem, wodurch die Wasserstoffkonzentration innerhalb des sich im Anodenleitungssystem befindlichen Gasgemischs stetig bis zu einem maximalen konstanten Wert ansteigt. Wenn dieser konstante Wert erreicht ist, kann der Spülvorgang beendet werden, was mittels Auswertens des Wasserstoffsignals des Wasserstoffsensors erkannt werden kann.In particular, according to this preferred embodiment, the method according to the invention takes advantage of the fact that during the proper operation of the fuel cell system, the hydrogen concentration in the gas mixture within the anode line system decreases and at the same time the nitrogen concentration within the anode line system increases. During the purging process that is then carried out, fresh gas mixture from the tank enters the anode line system, whereby the hydrogen concentration within the gas mixture in the anode line system increases steadily up to a maximum constant value. When this constant value is reached, the flushing process can be ended, which can be recognized by evaluating the hydrogen signal from the hydrogen sensor.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner Feststellen, dass das im Tank des Brennstoffzellensystems vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems ausreichende Wasserstoffkonzentration nicht aufweist, wenn das zum festgestellten Zeitpunkt empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der kleiner ist als der vorbestimmte Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert, und ein Senden eines Warnsignals an eine Bedienerschnittstelle zum Anzeigen einer Warnung an einen Bediener des Brennstoffzellensystems, wenn festgestellt wurde, dass das im Tank des Brennstoffzellensystems vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems ausreichende Wasserstoffkonzentration nicht aufweist. Die angezeigte Warnung informiert den Bediener des Brennstoffzellensystems darüber, dass das im Tank des Brennstoffzellensystems vorhandene Gasgemisch keine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist. Insbesondere kann die Warnung den Bediener darüber informieren, dass ein Abschalten des Brennstoffzellensystems erforderlich sein kann, um eine Beschädigung von Komponenten des Brennstoffzellensystems zu vermeiden.According to a further advantageous embodiment, the method according to the invention further comprises determining that the gas mixture present in the tank of the fuel cell system does not have a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system if the hydrogen signal received at the determined time indicates a hydrogen concentration value that is smaller than the predetermined hydrogen concentration threshold value , and sending a warning signal to an operator interface for displaying a warning to an operator of the fuel cell system when it is determined that the gas mixture present in the tank of the fuel cell system does not have a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system. The displayed warning informs the fuel cell system operator that the gas mixture present in the fuel cell system tank does not have a sufficient hydrogen concentration for proper operation of the fuel cell system. In particular, the warning may inform the operator that a shutdown of the fuel cell system may be necessary to avoid damage to components of the fuel cell system.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der vorbestimmte Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert ungefähr 95 %.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the predetermined hydrogen concentration threshold is approximately 95%.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerungsvorrichtung offenbart, die dazu ausgebildet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem Tank eines Brennstoffzellensystems vorhandenen Gasgemischs auszuführen.According to a further aspect of the present invention, a control device is disclosed which is designed to carry out the steps of the method according to the invention for determining a hydrogen concentration of the gas mixture present in a tank of a fuel cell system.

In vorteilhafter Weise umfasst dabei die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Durchführen des Schrittes des Empfangens eines Wasserstoffsignals vom Wasserstoffsensor, einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Durchführen des Schrittes des Feststellens, dass ein Spülvorgang des Anodenleitungssystems beendet ist, und einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt zum Durchführen des Schrittes des Feststellens, dass das im Tank des Brennstoffzellensystems vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist.Advantageously, the control device according to the invention comprises a first control device section for carrying out the step of receiving a hydrogen signal from the hydrogen sensor, a second control device section for carrying out the step of determining that a flushing process of the anode line system has ended, and a third control device section for carrying out the step of determining that the gas mixture present in the tank of the fuel cell system has a sufficient hydrogen concentration for proper operation of the fuel cell system.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gasgemischanalysevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem offenbart, die einen Wasserstoffsensor, der dazu ausgebildet ist, in einem Anodenleitungssystem eines Brennstoffzellensystems angeordnet zu werden, und eine erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung aufweist.According to a further aspect of the present invention, a gas mixture analysis device for a fuel cell system is disclosed, which includes a hydrogen sensor configured to be arranged in an anode line system of a fuel cell system and a control device according to the invention.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Tank zum Aufnehmen eines Gasgemischs, in dem sich Wasserstoff befindet, eine Anode, ein Anodenleitungssystem, das den Tank mit der Anode fluidverbindet, und eine erfindungsgemäße Gasgemischanalysevorrichtung aufweist.According to yet another aspect of the present invention, a fuel cell system is disclosed that includes a tank for containing a gas mixture containing hydrogen, an anode, an anode conduit system fluidly connecting the tank to the anode, and a gas mixture analysis device according to the invention.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogramm bzw. ein Computerprogrammprodukt offenbart, das Befehle umfasst, die, wenn sie von einer Recheneinheit ausgeführt werden, die Recheneinheit veranlasst, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem in einem Tank eines Brennstoffzellensystems vorhandenen Gasgemisch auszuführen.According to yet another aspect of the present invention, a computer program or computer program product is disclosed that includes instructions that, when executed by a computing unit, cause the computing unit to execute allow to carry out a method according to the invention for determining a hydrogen concentration in a gas mixture present in a tank of a fuel cell system.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein computerlesbares Medium offenbart, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert ist.According to yet another aspect of the present invention, a computer-readable medium is disclosed on which a computer program according to the invention is stored.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung eines in einem Anodenleitungssystem eines Brennstoffzellensystems angeordneten Wasserstoffsensors zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem in einem Tank des Brennstoffzellensystems angeordneten Gasgemisch mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart.According to yet another aspect of the present invention, a use of a hydrogen sensor arranged in an anode line system of a fuel cell system for determining a hydrogen concentration in a gas mixture arranged in a tank of the fuel cell system by means of a method according to the invention is disclosed.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der hierin beschriebenen Lehre und Betrachten der beiliegenden einzigen Zeichnung ersichtlich, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug zeigt, und
2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration in einem in einem Tank des Brennstoffzellensystems der 1 vorhandenen Gasgemisches zeigt.

Further advantages and features of the present invention will become apparent to those skilled in the art by practicing the teachings described herein and viewing the accompanying single drawing, in which:

1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention for a vehicle, and
2 an exemplary flowchart of a method according to the invention for determining a hydrogen concentration in a tank of the fuel cell system 1 existing gas mixture shows.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Gasgemisch“ ein Gemisch aus Wasserstoff und weiteren gasförmigen Komponenten, wie beispielsweise ein Inertgas, z. B. Argon, oder anderen Gasen, wie beispielsweise Luft.In the context of the present disclosure, the term “gas mixture” describes a mixture of hydrogen and other gaseous components, such as an inert gas, e.g. B. argon, or other gases such as air.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Signal“ Rohdaten, die zur Datenübertragung in eine Form umgewandelt, die über das gewählte Transportmedium geschickt werden kann. Das kann analog geschehen oder digital, wobei die Daten erst abgetastet und in diskrete (häufig binär codierte) Werte umgesetzt werden, die dann als Stromstöße oder unterschiedlich hohe Spannungen über das Medium geschickt werden. Ferner werden im Rahmen der vorliegenden Offenbarung die Signale kontinuierlich gesendet bzw. empfangen. Beispielsweise erfolgen das Senden und Empfangen von digitalen Signalen im Abstand von wenigen Millisekunden.As used herein, the term “signal” describes raw data that is converted for data transmission into a form that can be sent over the selected transport medium. This can be done analogously or digitally, whereby the data is first sampled and converted into discrete (often binary coded) values, which are then sent across the medium as current surges or voltages of different levels. Furthermore, within the scope of the present disclosure, the signals are sent or received continuously. For example, digital signals are sent and received every few milliseconds.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 für ein Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 110, wie beispielsweise ein Brennstoffzellen-Stack. Die Brennstoffzelle 110 umfasst dabei, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine Anode und eine Kathode, die durch eine Membran voneinander getrennt sind. Beispielsweise kann es sich bei der Brennstoffzelle 110 um eine sogenannte PEM-Brennstoffzelle handeln, bei der die Membran eine Protonenaustauschmembran ist, durch die die an der Anode gebildeten Protonen hindurch zur Kathode gelangen können.The 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to the invention for a vehicle. The fuel cell system 100 includes a fuel cell 110, such as a fuel cell stack. The fuel cell 110 includes, as is known from the prior art, an anode and a cathode, which are separated from each other by a membrane. For example, the fuel cell 110 can be a so-called PEM fuel cell, in which the membrane is a proton exchange membrane through which the protons formed at the anode can pass to the cathode.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner einen Tank 120, in dem ein Gasgemisch, vorzugsweise unter Druck, gespeichert ist, das Wasserstoff aufweist. Der Tank 120 kann zudem Ventile (in der 1 nicht explizit dargestellt) aufweisen, mit dem das Ein- und Ausströmen des Gasgemischs in den Tank 120 hinein und aus dem Tank 120 heraus gesteuert werden können.The fuel cell system 100 further includes a tank 120 in which a gas mixture containing hydrogen is stored, preferably under pressure. The tank 120 can also have valves (in the 1 not explicitly shown), with which the inflow and outflow of the gas mixture into the tank 120 and out of the tank 120 can be controlled.

Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 umfasst ferner ein Anodenleitungssystem 130, das dazu ausgebildet ist, das aus dem Tank 120 ausströmende Gasgemisch der Anode der Brennstoffzelle 110 zuzuführen und das an der Anode vorbeigeströmte Gasgemisch abzuleiten bzw. zurückzuführen. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst hierzu eine Anodenzuleitung 132, die mit dem Tank 120 fluidverbunden ist und das aus dem Tank 120 ausströmende Gasgemisch einer Anodenleitung 134 zuführt, die wiederum das Gasgemisch der Anode der Brennstoffzelle 110 zuführt. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner eine Anodenableitung 136, die mit der Anodenleitung 134 fluidverbunden ist und das durch die Anodenleitung 134 geströmte Gasgemisch ableiten und einem Abgasstrang (in der 1 nicht explizit dargestellt) zuführen kann. Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner eine Anodenrückführleitung 138, die die Anodenableitung 136 mit der Anodenzuleitung 132 fluidverbindet und in der eine Rückführpumpe 139 angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, das durch die Anodenableitung 136 strömende Gasgemisch wieder der Anodenzuleitung 132 zurückzuführen. Folglich bildet sich zwischen der Anodenzuleitung 132, der Anodenleitung 134, der Anodenableitung 136 und der Anodenrückführleitung 138 ein Kreislauf aus, in dem das Gasgemisch mittels der Rückführpumpe 139 umgewälzt und im Kreis geführt werden kann.The fuel cell system 100 of 1 further comprises an anode line system 130, which is designed to supply the gas mixture flowing out of the tank 120 to the anode of the fuel cell 110 and to divert or return the gas mixture that flowed past the anode. For this purpose, the anode line system 130 comprises an anode supply line 132, which is fluidly connected to the tank 120 and supplies the gas mixture flowing out of the tank 120 to an anode line 134, which in turn supplies the gas mixture to the anode of the fuel cell 110. The anode line system 130 further comprises an anode discharge line 136, which is fluidly connected to the anode line 134 and drains the gas mixture flowing through the anode line 134 and an exhaust gas line (in the 1 not explicitly shown). The anode line system 130 further comprises an anode return line 138, which fluidly connects the anode discharge line 136 to the anode supply line 132 and in which a return pump 139 is arranged, which is designed to return the gas mixture flowing through the anode discharge line 136 to the anode supply line 132. Consequently, a circuit is formed between the anode supply line 132, the anode line 134, the anode discharge line 136 and the anode return line 138, in which the gas mixture can be circulated and circulated by means of the return pump 139.

Das Anodenleitungssystem 130 umfasst ferner ein Spülventil 137, das in der Anodenableitung 136 stromabwärts der Mündungsstelle der Anodenrückführleitung 138 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Anodenableitung 136 freizugeben oder zu sperren. Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 110 ist das Spülventil 137 geschlossen, so dass mittels der Rückführpumpe 139 der soeben beschriebene Kreislauf und Umwälzvorgang des Gasgemischs bereitgestellt werden kann.The anode line system 130 further comprises a flushing valve 137, which is arranged in the anode discharge line 136 downstream of the mouth of the anode return line 138 and is designed to release or block the anode discharge line 136. During normal operation of the fuel cell 110, the flushing valve 137 is closed, so that the circulation and circulation process of the gas mixture just described can be provided by means of the return pump 139.

Ferner ist in der Anodenableitung 136 ein Wasserstoffsensor 131 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, ein Wasserstoffsignal zu erzeugen, das für die Wasserstoffkonzentration in der Anodenableitung 136 an einer Position zwischen der Anodenleitung 134 und dem Spülventil 137 repräsentativ ist. Der Wasserstoffsensor 131 kann dabei ein auf dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip basierender Gassensor sein. Die Wasserstoffsignale des Wasserstoffsensors 131 sind bevorzugt digitale Signale bzw. Daten, die von einer Datenverarbeitungsvorrichtung, die einen Prozessor und einen Speicher aufweisen kann, verarbeitet werden können.Furthermore, a hydrogen sensor 131 is provided in the anode lead 136, which is designed to generate a hydrogen signal that is representative of the hydrogen concentration in the anode lead 136 at a position between the anode lead 134 and the purge valve 137. The hydrogen sensor 131 can be a gas sensor based on the thermal conductivity principle. The hydrogen signals from the hydrogen sensor 131 are preferably digital signals or data that can be processed by a data processing device, which can have a processor and a memory.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein Kathodenleitungssystem 140 bestehend aus einer Kathodenzuleitung 142, einer mit der Kathode verbundene Kathodenleitung 144 und einer Kathodenableitung 146. Zudem umfasst das Kathodenleitungssystem 140 einen Kathodenbypass 148, der die Kathodenzuleitung 142 mit der Kathodenableitung 146 fluidverbindet und in dem ein Bypassventil 149 zum Sperren oder Freigeben der Kathodenbypassleitung 148 angeordnet ist. Die Kathodenableitung 146 kann die über die Kathodenzuleitung 142 der Kathode zugeführte Luft in den Abgasstrang ableiten. In der Kathodenzuleitung 142 sind ein Drucksensor 141 zum Erfassen des Drucks in der Kathodenzuleitung 142 und ein Kathodeneingangsventil 145 angeordnet, das beispielsweise ein Drosselventil sein kann. In ähnlicher Weise weist die Kathodenableitung 146 ein Kathodenausgangsventil 147 und einen stromabwärts davon in der Kathodenableitung 146 angeordneten Drucksensor 143 zum Erfassen des Drucks in der Kathodenableitung 146 auf. Zudem sind im Kathodenleitungssystem 140 ein Kompressor 170 zum Verdichten der Luft, ein Wasserabscheider 172 und ein Drosselventil 174 angeordnet.The fuel cell system 100 also includes a cathode management system 140 consisting of a cathode supply 142, a cathode line 144 and a cathode derivation 146. In addition, the cathode management system 140 includes a cathode -grade 148, which connects the cathode supply 146 fluid and in which a bypass venue 149 for blocking or releasing the cathode bypass line 148 is arranged. The cathode discharge line 146 can discharge the air supplied to the cathode via the cathode supply line 142 into the exhaust system. Arranged in the cathode feed line 142 are a pressure sensor 141 for detecting the pressure in the cathode feed line 142 and a cathode inlet valve 145, which can be a throttle valve, for example. Similarly, the cathode lead 146 has a cathode output valve 147 and a pressure sensor 143 arranged downstream thereof in the cathode lead 146 for detecting the pressure in the cathode lead 146. In addition, a compressor 170 for compressing the air, a water separator 172 and a throttle valve 174 are arranged in the cathode line system 140.

Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 weist ferner einen Bordnetzzweig 150 auf, der elektrische Verbraucher umfasst. Insbesondere beschreibt der Bordnetzzweig 150 zumindest einen Teil eines elektrisches Systems, das die von der Brennstoffzelle 110 erzeugte elektrische Energie speichern und verteilen kann.The fuel cell system 100 of 1 also has a vehicle electrical system branch 150, which includes electrical consumers. In particular, the vehicle electrical system branch 150 describes at least part of an electrical system that can store and distribute the electrical energy generated by the fuel cell 110.

Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass eine Steuerungsvorrichtung 160 vorgesehen ist, die mit sämtlichen Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 verbunden sein kann. Obwohl hierfür keine separaten Leitungen in der 1 eingezeichnet sind, können solche elektrischen Verbindungsleitungen in Form von Verbindungsleitungen oder drahtlosen Kommunikationseinrichtungen vorhanden sein. Die Steuerungsvorrichtung 160 kann mehrere Steuerungsvorrichtungsabschnitte aufweisen, wie beispielsweise einen ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, einen zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164, einen dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 166 und einen vierten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 168, auf die mit Bezug auf die 2 weiter unten näher eingegangen wird.From the 1 It can also be seen that a control device 160 is provided, which can be connected to all components of the fuel cell system 100. Although there are no separate lines for this in the 1 are shown, such electrical connecting lines can be present in the form of connecting lines or wireless communication devices. The controller 160 may include a plurality of controller portions, such as a first controller portion 162, a second controller portion 164, a third controller portion 166, and a fourth controller portion 168, which are described with reference to FIG 2 will be discussed in more detail below.

Die Steuerungsvorrichtung 160 kann einen Prozessor bzw. eine Recheneinheit und einen Speicher aufweisen. Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung 160 der Prozessor bzw. die Recheneinheit sein, die mit dem Speicher verbunden ist. Der Prozessor bzw. die Recheneinheit kann eine zentrale Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU) sein. Der Prozessor bzw. die Recheneinheit kann ferner ein weiterer Allzweckprozessor, ein digitaler Signalprozessor (Digital Signal Processor, DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (Field-Programmable Gate Array, FPGA) sein, oder ein anderes programmierbares Logikgerät, ein diskretes Gatter- oder Transistorlogikgerät, eine diskrete Hardwarekomponente oder dergleichen. Der Allzweckprozessor kann ein Mikroprozessor sein, oder der Prozessor kann ein beliebiger herkömmlicher Prozessor oder dergleichen sein.The control device 160 can have a processor or a computing unit and a memory. Alternatively, the control device 160 may be the processor or computing unit connected to the memory. The processor or the computing unit can be a central processing unit (CPU). The processor or the computing unit can also be a further general-purpose processor, a digital signal processor (Digital Signal Processor, DSP), an application-specific integrated circuit (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), a field-programmable gate array (Field-Programmable Gate Array, FPGA). or another programmable logic device, a discrete gate or transistor logic device, a discrete hardware component, or the like. The general purpose processor may be a microprocessor, or the processor may be any conventional processor or the like.

Der Speicher umfasst, ist aber nicht darauf beschränkt, einen Random Access Memory (RAM), einen Read-Only Memory (ROM), einen löschbaren programmierbaren Read-Only Memory (EPROM) oder einen portablen Read-Only Memory (z.B. CD-ROM). Der Speicher ist konfiguriert, um zugehörige Programmanweisungen und zugehörige Daten zu speichern.The memory includes, but is not limited to, a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM), an erasable programmable read-only memory (EPROM) or a portable read-only memory (e.g. CD-ROM). . Memory is configured to store associated program instructions and associated data.

Der Wasserstoffsensor 131 bildet zusammen mit der Steuerungsvorrichtung 160 eine Gasgemischanalysevorrichtung 180 für das Brennstoffzellensystem 100.The hydrogen sensor 131, together with the control device 160, forms a gas mixture analysis device 180 for the fuel cell system 100.

Im Folgenden wird unter zusätzlicher Bezugnahme auf das in der 2 gezeigte Ablaufdiagramm eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration des im Tank 120 des Brennstoffzellensystems 100 der 1 vorhandenen Gasgemischs beschrieben.The following is with additional reference to that in the 2 Flowchart shown shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for determining a hydrogen concentration in the tank 120 of the fuel cell system 100 1 existing gas mixture described.

Das Verfahren der 2 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem während eines normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 der 1 die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der erste Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, vom Wasserstoffsensor 131 ein digitales Wasserstoffsignal empfängt, das die Wasserstoffkonzentration im Anodenleitungssystem 130, insbesondere in der Anodenableitung 136, anzeigt. Während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 befindet sich das Spülventil 137 in einer geschlossenen Stellung, das heißt, dass durch das Spülventil 137 hindurch kein Gasgemisch strömen kann. Gleichzeitig befindet sich während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 die Rückführpumpe 139 in einem aktivierten Zustand, so dass das aus dem Tank 120 stammende Gasgemisch mittels der Rückführpumpe 139 durch den Kreislauf, der aus der Anodenzuleitung 132, der Anodenleitung 134, der Anodenableitung 136 und der Rückführleitung 138 gebildet wird, strömen kann. Mittels eines geeigneten Drucksteuerungsventils, das sich in der Anodenzuleitung 132 befindet, kann kontinuierlich Gasgemisch aus dem Tank 120 in das Anodenleitungssystem 130 gelangen.The procedure of 2 starts at step 200 and then goes to step 210, where during normal operation of the fuel cell system 100 the 1 the control device 160, in particular the first control device section 162, receives a digital hydrogen signal from the hydrogen sensor 131, which indicates the hydrogen concentration in the anode line system 130, in particular in the anode lead 136. During normal operation of the fuel cell system 100, the purge valve is located 137 in a closed position, which means that no gas mixture can flow through the purge valve 137. At the same time, during normal operation of the fuel cell system 100, the return pump 139 is in an activated state, so that the gas mixture originating from the tank 120 is passed through the circuit consisting of the anode supply line 132, the anode line 134, the anode discharge line 136 and the Return line 138 is formed, can flow. By means of a suitable pressure control valve, which is located in the anode supply line 132, gas mixture can continuously pass from the tank 120 into the anode line system 130.

In einen darauffolgenden Schritt 220 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 160 festgestellt, ob das empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der kleiner ist als ein vorbestimmter erster Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert, wie beispielsweise 60 %. Wird beim Schritt 220 bestimmt, dass das zuvor beim Schritt 210 empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der den vorbestimmten ersten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert nicht unterschreitet, gelangt das Verfahren zurück zum Schritt 210, und das Brennstoffzellensystem 100 wird im normalen Betriebsmodus weiterhin betrieben.In a subsequent step 220, the control device 160 determines whether the received hydrogen signal indicates a hydrogen concentration value that is less than a predetermined first hydrogen concentration threshold, such as 60%. If it is determined at step 220 that the hydrogen signal previously received at step 210 indicates a hydrogen concentration value that does not fall below the predetermined first hydrogen concentration threshold, the method returns to step 210 and the fuel cell system 100 continues to operate in the normal operating mode.

Wird hingegen beim Schritt 220 festgestellt, dass das beim Schritt 210 empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der den vorbestimmten ersten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert unterschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 230, bei dem die Steuerungsvorrichtung 160 das Spülventil 137 und die Rückführpumpe 139 derart ansteuert, dass ein Spülvorgang des Anodenleitungssystems 130 initiiert bzw. gestartet wird. Insbesondere wird beim Schritt 230 das Spülventil 137 zumindest teilweise geöffnet und gleichzeitig die Rückführpumpe 139 derart angesteuert, dass diese in einen deaktivierten Zustand geschalten wird. Während des derart initiierten Spülvorgangs wird das Anodenleitungssystem 130 mit frischem Gasgemisch aus dem Tank 120 gespült, so dass nach dem Spülvorgang innerhalb des Anodenleitungssystems 130 im Wesentlichen das gleiche Gasgemisch vorhanden ist wie im Tank 120.However, if it is determined in step 220 that the hydrogen signal received in step 210 indicates a hydrogen concentration value that falls below the predetermined first hydrogen concentration threshold value, the method proceeds to step 230, in which the control device 160 controls the flushing valve 137 and the return pump 139 in such a way that a flushing process occurs of the anode line system 130 is initiated or started. In particular, in step 230, the flushing valve 137 is at least partially opened and at the same time the return pump 139 is controlled in such a way that it is switched to a deactivated state. During the flushing process initiated in this way, the anode line system 130 is flushed with fresh gas mixture from the tank 120, so that after the flushing process essentially the same gas mixture is present within the anode line system 130 as in the tank 120.

In einem darauffolgenden Schritt 235 empfängt die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der erste Steuerungsvorrichtungsabschnitt 162, vom Wasserstoffsensor 131 wiederum ein Wasserstoffsignal. In einem darauffolgenden Schritt 240 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 164, ermittelt, ob das beim Schritt 235 von der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 162, empfangene Wasserstoffsignal im Wesentlichen konstant ist. Insbesondere wird beim Schritt 240 überprüft, ob das beim Schritt 235 empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der im Wesentlichen gleich zu dem von einem unmittelbar zuvor empfangenen Wasserstoffsignal angezeigten Wasserstoffkonzentrationswert ist. Das Verfahren verbleibt so lange bei den Schritten 235 und 240, bis eine im Wesentlichen konstante Wasserstoffkonzentration in der Anodenableitung 136 festgestellt wird. Hierzu kann insbesondere der Verlauf des Wasserstoffsignals ermittelt und ausgewertet werden.In a subsequent step 235, the control device 160, in particular the first control device section 162, again receives a hydrogen signal from the hydrogen sensor 131. In a subsequent step 240, the control device 160, in particular the second control device section 164, is used to determine whether the hydrogen signal received in step 235 by the control device 160, in particular the first control device section 162, is essentially constant. In particular, at step 240 it is checked whether the hydrogen signal received at step 235 indicates a hydrogen concentration value that is substantially equal to the hydrogen concentration value indicated by a hydrogen signal received immediately before. The method remains at steps 235 and 240 until a substantially constant hydrogen concentration is detected in the anode lead 136. For this purpose, in particular the course of the hydrogen signal can be determined and evaluated.

Wird beim Schritt 240 bestimmt, dass das Wasserstoffsignal des Wasserstoffsensors 131 im Wesentlichen konstant ist, gelangt das Verfahren zum Schritt 250, an dem der beim Schritt 230 initiierte Spülvorgang wieder beendet wird und das Brennstoffzellensystem 100 wieder in den normalen Betriebsmodus geschalten wird. Der Schritt 250 zum Beenden des Spülvorgangs des Anodenleitungssystems 130 kann von der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere vom zweiten Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164, ausgeführt werden. Insbesondere wird beim Schritt 250 das Spülventil 137 wieder geschlossen und gleichzeitig die Rückführpumpe 139 aktiviert, so dass zu diesem Zeitpunkt wieder das sich in der Anodenzuleitung 132, der Anodenleitung 134, der Anodenableitung 136 und der Anodenrückführleitung 138 befindliche Gasgemisch mittels der Rückführpumpe 139 in dem zuvor beschrieben Kreislauf zirkuliert wird. Der zweite Steuerungsvorrichtungsabschnitt 164 kann somit beim Schritt 240 einen Zeitpunkt feststellen, bei dem der Spülvorgang des Anodenleitungssystems 130 beendet ist. Und dieses Feststellen erfolgt, wie beschrieben, dabei in Abhängigkeit des empfangenen Wasserstoffsignals.If it is determined in step 240 that the hydrogen signal of the hydrogen sensor 131 is essentially constant, the method goes to step 250, at which the purging process initiated in step 230 is ended again and the fuel cell system 100 is switched back to the normal operating mode. The step 250 for ending the rinsing process of the anode line system 130 can be carried out by the control device 160, in particular by the second control device section 164. In particular, in step 250, the flushing valve 137 is closed again and at the same time the return pump 139 is activated, so that at this point in time the gas mixture located in the anode supply line 132, the anode line 134, the anode discharge line 136 and the anode return line 138 is again in the previous state by means of the return pump 139 described circuit is circulated. The second control device section 164 can thus determine in step 240 a point in time at which the flushing process of the anode line system 130 has ended. And this determination takes place, as described, depending on the hydrogen signal received.

In einem darauffolgenden Schritt 260 wird unmittelbar nach dem Beenden des Spülvorgangs, insbesondere zum festgestellten Zeitpunkt, mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des ersten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 162, wieder ein Wasserstoffsignal vom Wasserstoffsensor 131 empfangen.In a subsequent step 260, immediately after the rinsing process has ended, in particular at the determined time, a hydrogen signal is received again from the hydrogen sensor 131 by means of the control device 160, in particular the first control device section 162.

In einem darauffolgenden Schritt 270 wird mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 166, überprüft, ob das beim Schritt 260 empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der einen vorbestimmten zweiten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert überschreitet. Wird beim Schritt 270 ermittelt, dass das beim Schritt 260 empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der den vorbestimmten zweiten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 280, an dem mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 166, festgestellt wird, dass das im Tank 120 des Brennstoffzellensystems 100 vorhandene Gasgemisch eine für den weiteren ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist, bevor das Verfahren zum Schritt 285 gelangt. Folglich kann beim Schritt 280 das Gasgemisch innerhalb des Tanks 120 als qualitativ hochwertig bestimmt werden.In a subsequent step 270, the control device 160, in particular the third control device section 166, is used to check whether the hydrogen signal received in step 260 indicates a hydrogen concentration value that exceeds a predetermined second hydrogen concentration threshold. If it is determined in step 270 that the hydrogen signal received in step 260 indicates a hydrogen concentration value that exceeds the predetermined second hydrogen concentration threshold, the method proceeds to step 280, at which the control device Device 160, in particular the third control device section 166, it is determined that the gas mixture present in the tank 120 of the fuel cell system 100 has a sufficient hydrogen concentration for the further proper operation of the fuel cell system 100 before the method reaches step 285. Consequently, at step 280, the gas mixture within the tank 120 may be determined to be of high quality.

Beim Schritt 285 sendet die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der vierte Steuerungsvorrichtungsabschnitt 168, ein Steuersignal, das angibt, dass das im Tank 120 des Brennstoffzellensystems 100 vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist, bevor das Verfahren beim Schritt 300 endet. At step 285, the control device 160, in particular the fourth control device section 168, sends a control signal indicating that the gas mixture present in the tank 120 of the fuel cell system 100 has a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system 100 before the method ends at step 300.

Wird jedoch beim Schritt 270 festgestellt, dass das beim Schritt 260 empfangene Wasserstoffsignal einen Wasserstoffkonzentrationswert anzeigt, der den vorbestimmten zweiten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert nicht überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 285, an dem mittels der Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere des dritten Steuerungsvorrichtungsabschnitts 166, festgestellt wird, dass das im Tank 120 des Brennstoffzellensystems 100 vorhandene Gasgemisch keine für den weiteren ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ausreichende Wasserstoffkonzentration aufweist, bevor das Verfahren zum Schritt 295 gelangt. Folglich kann beim Schritt 285 das Gasgemisch innerhalb des Tanks 120 als qualitativ minderwertig bestimmt werden.However, if it is determined in step 270 that the hydrogen signal received in step 260 indicates a hydrogen concentration value that does not exceed the predetermined second hydrogen concentration threshold, the method proceeds to step 285, at which it is determined by means of the control device 160, in particular the third control device section 166, that the gas mixture present in the tank 120 of the fuel cell system 100 does not have a sufficient hydrogen concentration for the further proper operation of the fuel cell system 100 before the method reaches step 295. Consequently, at step 285, the gas mixture within the tank 120 may be determined to be of poor quality.

Beim Schritt 295 sendet die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der vierte Steuerungsvorrichtungsabschnitt 168, ein Warnsignal, das angibt, dass das im Tank 120 des Brennstoffzellensystems 100 vorhandene Gasgemisch eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 ausreichende Wasserstoffkonzentration nicht aufweist, bevor das Verfahren beim Schritt 300 endet. Die Steuerungsvorrichtung 160, insbesondere der vierte Steuerungsvorrichtungsabschnitt 168, kann das Warnsignal an eine Bedienerschnittstelle zum Anzeigen einer Warnung an einen Bediener des Brennstoffzellensystems 100 senden.At step 295, the control device 160, in particular the fourth control device section 168, sends a warning signal indicating that the gas mixture present in the tank 120 of the fuel cell system 100 does not have a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system 100 before the method ends at step 300 . The control device 160, in particular the fourth control device section 168, can send the warning signal to an operator interface for displaying a warning to an operator of the fuel cell system 100.

Dabei macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze, dass zum Zeitpunkt des Ausführens des Schritts 260 angenommen werden kann, dass das am in der Anodenableitung 136 befindliche Gasgemisch im Wesentlichen identisch ist zu dem Gasgemisch innerhalb des Tanks 120, da zu diesem Zeitpunkt der Spülvorgang des Anodenleitungssystems 130 unmittelbar beendet worden ist. Zu diesem Zeitpunkt hat sich die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch, welches aus dem Tank 120 bereits durch die Anodenzuleitung 132 und die Anodenleitung 134 geströmt ist, durch Kontakt mit der Anode der Brennstoffzelle 110 noch nicht stark gerändert, so dass angenommen werden kann, dass das Wasserstoffsignal des Wasserstoffsensors 131 auch für die Wasserstoffkonzentration des sich im Tank 120 befindlichen Gasgemischs repräsentativ ist.The present invention takes advantage of the fact that at the time of executing step 260 it can be assumed that the gas mixture located in the anode drain 136 is essentially identical to the gas mixture within the tank 120, since at this time the flushing process of the anode line system 130 has been ended immediately. At this point in time, the hydrogen concentration in the gas mixture, which has already flowed from the tank 120 through the anode feed line 132 and the anode line 134, has not yet changed significantly due to contact with the anode of the fuel cell 110, so that it can be assumed that the hydrogen signal of the Hydrogen sensor 131 is also representative of the hydrogen concentration of the gas mixture located in tank 120.

Ein qualitativ hochwertiges Gasgemisch kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Gasgemisch eine Wasserstoffkonzentration aufweist, die größer ist als der vorbestimmte zweite Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert, der ungefähr 95 % betragen kann. Ist dem nicht der Fall, das heißt, wenn die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch im Tank 120 kleiner ist als der vorbestimmte zweite Wasserstoffkonzentrationsschwellenwert, kann das Gasgemisch beim Schritt 285 als qualitativ minderwertig bestimmt werden. Daraufhin kann dem Bediener des Brennstoffzellensystems 100 eine Warnung mit dem Hinweis ausgeben werden, dass bei der zuletzt aufgesuchten Tankstelle nur minderwertiges Gasgemisch getankt werden kann.A high quality gas mixture may be characterized in that the gas mixture has a hydrogen concentration that is greater than the predetermined second hydrogen concentration threshold, which may be approximately 95%. If this is not the case, that is, if the hydrogen concentration in the gas mixture in tank 120 is less than the predetermined second hydrogen concentration threshold, the gas mixture may be determined to be of poor quality at step 285. The operator of the fuel cell system 100 can then receive a warning indicating that only low-quality gas mixtures can be filled at the gas station last visited.

Ein minderwertiges Gasgemisch kann für die Brennstoffzelle 110 deshalb schädlich sein, da dadurch die Bauelemente des Brennstoffzellensystems 110 beschädigt oder zerstört werden können. Insbesondere kann ein Gasgemisch, das Sauerstoff und/oder organische Gaskomponenten, wie beispielsweisen Kohlenwasserstoffverbindungen, aufweist, zu einer schnelleren Alterung der Elektroden, insbesondere Anode, der Brennstoffzelle führen.A poor-quality gas mixture can be harmful to the fuel cell 110 because it can damage or destroy the components of the fuel cell system 110. In particular, a gas mixture that contains oxygen and/or organic gas components, such as hydrocarbon compounds, can lead to faster aging of the electrodes, in particular anode, of the fuel cell.

Die vorliegende Erfindung kann somit prüfen, ob das getankte Gasgemisch im Wesentlichen aus Wasserstoff besteht und bestenfalls nahezu keinerlei schadhafte Gaskomponenten aufweist, die während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle zu Beschädigungen der Komponenten der Brennstoffzelle führen können. Im Gegensatz dazu kommt es bei einem hochwertigen Gasgemisch durchaus zu Wasserstoffkonzentrationen an der Anode, die unterhalb des vorbestimmten zweiten Wasserstoffkonzentrationsschwellenwerts liegen. Jedoch beinhaltet in diesem Fall aufgrund des getankten hochwertigen Gasgemischs das dann im Anodenleitungssystem vorhandene Gasgemisch einen hohen Stickstoffanteil, der für die Komponenten der Brennstoffzelle nicht schädlich sind.The present invention can therefore check whether the fueled gas mixture consists essentially of hydrogen and, at best, has almost no defective gas components that can lead to damage to the components of the fuel cell during normal operation of the fuel cell. In contrast, with a high-quality gas mixture there are definitely hydrogen concentrations at the anode that are below the predetermined second hydrogen concentration threshold. However, in this case, due to the high-quality gas mixture being fueled, the gas mixture then present in the anode line system contains a high proportion of nitrogen, which is not harmful to the components of the fuel cell.

Claims

Method for determining a hydrogen concentration in a gas mixture present in a tank (120) of a fuel cell system (100), the fuel cell system (100) comprising an anode line system (130), which at least the tank (120) is fluidly connected to an anode of the fuel cell system (100), the method comprising: - receiving a hydrogen signal from a hydrogen sensor (131) arranged in the anode line system (130), the hydrogen signal being representative of a hydrogen concentration in the anode line system ( 130) existing gas mixture, - determining a time at which a flushing process of the anode line system (130) has ended, the time being determined depending on the hydrogen signal received, and - determining that the in the tank (120) of the fuel cell system (100) existing gas mixture has a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system (100) if the hydrogen signal received at the determined time indicates a hydrogen concentration value that is greater than a predetermined hydrogen concentration threshold, and - sending a control signal indicating that the hydrogen concentration in the tank (120 ) of the fuel cell system (100) present gas mixture has a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system (100).

Procedure according to Claim 1 , wherein determining that a flushing process of the anode line system (130) has ended includes: - determining that the hydrogen signal received by the hydrogen sensor (131) has a substantially constant course.

Method according to one of the preceding claims, further comprising: - Determine that the gas mixture present in the tank (120) of the fuel cell system (100) does not have a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system (100) if the hydrogen signal received at the determined time indicates a hydrogen concentration value that is less than the predetermined hydrogen concentration threshold , and - Sending a warning signal to an operator interface for displaying a warning to an operator of the fuel cell system (100) if it has been determined that the gas mixture present in the tank (120) of the fuel cell system (100) has a hydrogen concentration sufficient for proper operation of the fuel cell system (100). does not have.

A method according to any preceding claim, wherein the hydrogen concentration threshold is approximately 95%.

Control device (160) designed to carry out the steps of the method according to one of the preceding claims.

Control device (160). Claim 5 , comprising: - a first control section (162) for carrying out the step of receiving a hydrogen signal from the hydrogen sensor (131), - a second control section (164) for carrying out the step of determining that a flushing process of the anode line system (130) has ended, - a third control section (166) for carrying out the step of determining that the gas mixture present in the tank of the fuel cell system (100) has a sufficient hydrogen concentration for proper operation of the fuel cell system (100), and - a fourth control section (168) for carrying out the step sending the control signal.

Gas mixture analysis device (180) for a fuel cell system (100), with: - a hydrogen sensor (131), which is designed to be arranged in an anode line system (130) of a fuel cell system (100), and - a control device (160) according to one of Claims 5 and 6 .

Fuel cell system (100), with: - a tank (120) for holding a gas mixture in which there is hydrogen, - an anode, - an anode line system (130) which fluidly connects the tank (120) to the anode, and - a gas mixture analysis device (180) after Claim 7 .

Computer program comprising instructions which, when executed by a computing unit, cause the computing unit to perform a method according to one of the Claims 1 until 4 to carry out.

Computer-readable medium on which the computer program is written Claim 9 is stored.

Use of a hydrogen sensor (131) arranged in an anode line system (130) of a fuel cell system (100) for determining a hydrogen concentration in a gas mixture arranged in a tank (120) of the fuel cell system (120) by means of a method according to one of Claims 1 until 4 .