EP4078706A1 - Sensorvorrichtung für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Sensorvorrichtung für ein brennstoffzellensystem

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EP4078706A1
EP4078706A1 EP20829191.4A EP20829191A EP4078706A1 EP 4078706 A1 EP4078706 A1 EP 4078706A1 EP 20829191 A EP20829191 A EP 20829191A EP 4078706 A1 EP4078706 A1 EP 4078706A1
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EP
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section
flow channel
anode
fuel cell
sensor device
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Pending
Application number
EP20829191.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulla-Valentina KRUSCH
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a sensor device for a fuel cell system, a fuel cell system with such a sensor and a method for controlling a flushing process of a fuel cell system.
  • fuel cells recirculate fuel during operation.
  • the fuel is, for example, hydrogen, which is fed to an anode side of the fuel cell and is chemically converted there.
  • a remainder of the fuel remains in the anode exhaust gas after the anode.
  • the disadvantage of the known solutions is that the recirculation described above can cause contamination in the anode feed section and thus in the anode of the fuel cell stack. Diffusion processes make it possible for nitrogen to get into the anode exhaust gas and to be fed back to the anode feed section as a result of the recirculation and also to accumulate as a result. Water or water vapor can also be found in an anode exhaust gas, which is also fed in liquid form as drops through the recirculation to the anode feed section and can also block paths in the hydrogen path there. Furthermore, damage mechanisms can lead to the formation of small amounts of carbon monoxide and carbon dioxide on the anode side.
  • a flushing process is therefore carried out in the known fuel cell systems.
  • Purge processes are short-term letting out or rinsing of the anode feed section, while a bleed process means long-term letting out or rinsing with low volume flows.
  • the point in time of the flushing process is either initiated when the individual cells of the fuel cell stack fall below a certain cell voltage, or it is determined algorithmically on the basis of a simulation model. It is thus simulated over which operating time and under which operating conditions which impurities arise in the anode feed section. The rinsing process is then carried out on the basis of this simulation result. In order to avoid accumulating simulation errors, a larger number of flushing processes is carried out to be on the safe side. On the one hand, this is disadvantageous because it restricts the operation of the fuel cell. Another disadvantage is anode feed gas that is lost in this way, that is, lost fuel that is no longer available for generating electricity.
  • a sensor device for a fuel cell system for determining a flushing parameter for controlling a flushing process of the fuel cell system.
  • the sensor device has a first flow channel for an arrangement in an anode feed section of an anode section of a fuel cell stack.
  • the sensor device is equipped with a second flow channel for an arrangement in a recirculation section of the anode section of the fuel cell stack.
  • the first flow channel and the second flow channel are separated from one another at least in sections by means of a gas-tight membrane. This membrane is made permeable to protons and equipped with an electrode section on both sides.
  • the sensor device also has a measuring device for determining a difference in concentration of fuel, in particular of hydrogen, between the first flow channel and the second flow channel as a flushing parameter based on an electrical voltage between the two electrodes.
  • a sensor device is now designed to carry out an integral determination of the difference in concentration of fuel between the two flow channels and thus between the anode feed section and the recirculation section.
  • concentration in the anode feed section is basically known, since this is the feed of the fuel.
  • the hydrogen concentration in the recirculation section depends on the level of contamination.
  • the impurities add up over the operation of the fuel cell, so that the proportion of the impurity increases, as a result of which the proportion of hydrogen in the recirculation section decreases.
  • the difference in concentration means that the protons and electrons formed from the hydrogen, in particular on a catalyst layer, are moved in the first flow channel through the membrane, which is permeable to protons, and electrodes that are conductive for the electrons, in order to produce a chemical concentration compensation to the second flow channel.
  • an electrical po- potential generated between the electrode section in the first flow channel and the electrode section in the second flow channel can be tapped via the measuring device between the electrode sections and define a flushing parameter as electrical voltage.
  • the measured electrical voltage between the two electrodes can be used directly as a rinsing parameter. However, further processing of this specific voltage value can also take place in order to allow a conclusion to be drawn about the difference in concentration and, in particular, about a determination of the actual concentration of hydrogen in the second flow channel.
  • the sensor device can therefore be integrated into the fuel cell system. It is thus possible to monitor the concentration differences between the first flow channel and the second flow channel integrally within the fuel cell system and in particular in a continuous or essentially continuous manner.
  • a quantitative determination or at least a quantitative approximation of the hydrogen concentration in the recirculation section can even take place on the basis of a known concentration in the anode feed section.
  • a simulation model no longer has to be used to start the flushing processes. It is much more possible to determine the hydrogen concentration and thus also to draw conclusions about the degree of contamination in the recirculation section. The degree of contamination can now be used as a control parameter to trigger a flushing process.
  • the respective flow channels are preferably designed with corresponding inlets and outlets in order to be integrated into the anode feed section and the recirculation section for fluid communication.
  • the first flow channel is formed gas-tight against the second flow channel.
  • the electrode sections cover the entire or essentially the entire membrane on both sides. This means that it is not possible to bypass protons next to the electrodes.
  • a simple production of the membrane can be made available in this way, since it can also be produced over a large area and then cut to size.
  • the first flow channel and the second flow channel are designed to be identical or essentially identical, in particular with regard to the flow conditions.
  • This is to be understood as meaning, for example, the same flow cross-sections as in the flow channels.
  • the same total volumes of the two flow channels can also be understood as an identical or essentially identical design.
  • wall surfaces which influence the flow in the two flow channels and the corresponding inlet and outlet cross-sections are identical or essentially identical. This leads to the fact that a simplified evaluation of the determined concentration differences or the specific electrical voltage is possible by means of the measuring device.
  • the first flow channel and / or the second flow channel have at least one adjusting device for checking the flow conditions in the respective flow channel.
  • an adjusting device can be designed, for example, as a valve or as a pump and results in the flow conditions being matched to one another on both sides.
  • the flow conditions in the two flow channels can now be actively adapted.
  • the adjusting device can be used to adjust the flow conditions in the sensor device. Even if, with different load conditions or load requirements on the fuel cell system, different flow conditions arise due to different feed speeds or feed mass flows in the anode feed section, the corresponding adjustment device in the second flow channel can again make it possible to adjust the flow conditions.
  • the at least one adjusting device has at least one of the following modules:
  • Pressure module for varying the gas pressure in the respective flow channel
  • Mass flow module for varying the mass flow in the respective
  • a pressure module or a mass flow module can be understood to mean, for example, pump devices, pressure regulating devices or control valves. This makes it possible to influence the gas pressure and / or the mass flow, but preferably both, in the respective flow channel and to adapt it to the corresponding conditions in the other flow channel. Such adjusting devices are preferably provided for both flow channels. hen in order to provide greater flexibility in the variation of the flow conditions and in the possibility of matching.
  • the membrane has a catalyst layer on at least one side, in particular on both sides, preferably on the respective electrode section, for an oxidation of gas constituents, in particular hydrogen.
  • This oxidation is to be understood as a chemical oxidation so that protons and electrons are generated from hydrogen, for example.
  • the catalytic conversion by chemical oxidation of gas components leads to the fact that even further improved conditions for the formation of an electrical voltage are made available through a chemical potential between the two flow channels.
  • the catalyst layers are formed identically or essentially identically on both electrode sections.
  • the membrane is designed to be electrically insulating. This can be made available by appropriate material configurations of the membrane. However, it is basically also conceivable that the membrane provides the electrical insulation via a layer or a corresponding connection to walls or a housing. It is particularly preferred if the membrane has a corresponding electrically insulating contact to one or even to both electrode sections.
  • the first flow channel and the second flow channel are guided in cocurrent along the membrane. This leads to the fact that otherwise possibly existing shifts in concentration are avoided by countercurrent and also an undesired variation due to temperature differences within the two flow channels is reduced.
  • the present invention also relates to a fuel cell system, comprising at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an anode feed section for feeding anode feed gas to the anode section, a cathode feed section for feeding cathode feed gas to the cathode section, an anode discharge section for discharging at least part of the anode off-gas, a cathode discharge section for discharging cathode off-gas, a recirculation section for returning at least a part of the anode off-gas to the anode off-gas.
  • a sensor device according to the present invention is provided.
  • the anode feed section has the first flow channel of the sensor device and the recirculation section has the second flow channel of the sensor device.
  • a fuel cell system according to the invention brings the same advantages as they have been explained in detail with reference to a sensor device according to the invention.
  • the fuel cell system can also have other features.
  • a reformer device can be arranged upstream of the sensor section, which converts the reformer feed gas that has been fed into a reformed anode feed gas.
  • Further components, such as heat exchangers, afterburner or even rod burner devices, can also be used in such a fuel cell system within the scope of the present invention.
  • a mixing section is arranged downstream of the flow direction of the recirculated anode exhaust gas for introducing the recirculated anode exhaust gas into the anode feed section.
  • mixing of the recirculation gas and the anode feed gas is carried out in the mixing section.
  • a simple and inexpensive mixing and combination of these two gases can thus be possible.
  • the mixing takes place after the flushing parameter has been determined according to the invention.
  • a separate line to the anode section from the second flow channel would in principle also be conceivable within the scope of the present invention.
  • the mixing section in the anode feed section is arranged downstream of the first flow channel in the direction of flow of the anode feed gas. This means that mixing with the recirculation gas takes place only after the anode feed gas has flowed through the first flow channel. The influence of the recirculation gas and thus the resulting mixed concentration therefore only takes place when the first flow channel has already been passed. This means that an exact composition can be determined for the recirculation gas in particular if the pure anode feed gas is known and this also flows in pure form through the first flow channel. Undesired cross influences and deviations that build up over time are avoided in this way for the first flow channel.
  • the mixing section in the anode feed section precedes the first flow channel in the flow direction of the anode feed gas. This does not allow the pure gas component of the anode feed gas, but rather the mixture that has already been set to be compared with the recirculation gas. This is particularly advantageous when not only one sensor device but two sensor devices are provided. It has great advantages if a first sensor device is arranged in front of the mixing section and a second sensor device is arranged after the mixing section, so that it is possible to compare both the pure anode feed gas and the mixed anode feed gas via chemical potential detection and corresponding flushing parameters To make available.
  • the present invention also relates to a method for checking a fuel cell system according to the invention, comprising the following steps:
  • a method according to the invention thus has the same advantages as explained in detail with reference to a fuel cell system according to the invention have been.
  • a rinsing process can be a purge process or a bleed process. It is also conceivable that the rinsing parameter or the degree of deviation from the default value decides whether a purge process or a bleed process should be carried out.
  • a secondary parameter in particular in the form of a nitrogen concentration in the second flow channel, is determined on the basis of the flushing parameter.
  • the secondary parameter can thus generate the exact percentage of pollution, especially in the form of nitrogen, as the difference, without the nitrogen or nitrogen content having to be determined directly.
  • the secondary parameter can be used alone, but also combined with the flushing parameter, for the comparison value in order to control the flushing process.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor device according to the invention
  • Fig. 2 shows a further embodiment of a sensor device according to the invention
  • Fig. 3 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 5 shows another embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the method according to the invention.
  • the basic structure of a sensor device according to the invention is shown schematically.
  • the sensor device has two individual cells, which are characterized by a first flow channel 20 and a second flow channel 30.
  • the first flow channel 20 is part of an anode feed section 122 and the second flow channel 30 is part of a recirculation section 126.
  • Pure anode feed gas for example pure hydrogen
  • Pure anode feed gas preferably flows through the first flow channel 20.
  • Recirculation gas contaminated by the anode exhaust gas is passed through the second flow channel 30, so that a chemical concentration difference between hydrogen in the first flow channel 20 and in the second flow channel 30 is established.
  • the two flow channels 20 and 30 are separated by a gas-tight membrane 40, as shown in FIG. Protons can penetrate this membrane 40, however, so that a chemical concentration difference leads to an electrically measurable voltage between the first flow channel 20 and the second flow channel 30.
  • This voltage is tapped via the electrode sections 42 and 44 arranged on both sides of the membrane 40 and can be detected on the measuring device 50.
  • the detected concentration difference or the measured voltage value can now be output as the flushing parameter SP.
  • the first flow channel 20 and the second flow channel 30 are guided in cocurrent here.
  • FIG. 2 is a further development of a sensor device according to the invention. This is basically based on the solution in FIG. 1. However, adjusting devices 60 are additionally provided here, which are formed from pumping devices. It is thus possible to vary the flow conditions in the first flow channel 20 and in the second flow channel 30. In particular with different load requirements, but also with different recirculation quantities, an adjustment of the flow ratio in the respective other flow channel 20 or 30 can take place in this way, so that an adjustment and in particular an equalization of the flow conditions between the two flow channels 20 and 30 is possible.
  • Figure 3 shows the integration of a sensor device 10 according to the invention in a fuel cell system 100 according to the invention.
  • a fuel cell stack 110 with an anode section 120 and a cathode section 130 shown.
  • the anode section 120 is provided with an anode feed section for feeding anode feed gas and an anode discharge section 124 for discharging anode exhaust gas.
  • the cathode section 130 is designed with a cathode feed section 132 for feeding in cathode feed gas and a cathode discharge section 134 for discharging cathode exhaust gas.
  • FIG. 3 now shows how a sensor device 10 is integrated into the anode feed section 122 and the recirculation section 126.
  • the recirculated anode exhaust gas through the recirculation section 126 is fed into the second flow channel 30 and is there at a concentration difference to the anode feed gas of the first flow channel 20.
  • the recirculation gas can also be fed downstream of the sensor device 10. This enables the integral determination of the differences in concentration so that a purge or bleed process can be carried out precisely.
  • FIG. 4 shows a further development of the embodiment of FIG. 1.
  • control valves or control valves are provided as adjusting devices 60 in this embodiment in order to adjust the flow conditions in the first flow channel 20 and in the second flow channel 30 to one another.
  • a mixing section 140 is also provided, which allows the recirculation gas to be mixed with the pure feed gas in a targeted manner.
  • the mixing section 140 can of course also be located downstream of the second flow channel 20 in the anode feed section 122.
  • FIG. 5 shows an embodiment with a further improvement of the fuel cell system 100.
  • two sensor devices 10 are provided here, which carry out their determination at two different points with respect to the mixing section 140.
  • the left sensor device 10 is able to determine the difference in concentration between the pure anode feed gas and the recirculation gas.
  • the right sensor device 10 allows a determination between the recirculation gas and the already mixed anode feed gas. With that, a even more precise integral determination and thus an even more precise control of the purge and / or bleed processes can be made available.
  • FIG. 6 shows schematically how a method according to the invention can be carried out.
  • a hundred percent hydrogen concentration H2 is preferably present in the first flow channel 20.
  • the second flow channel 30 there is contamination by a residue, for example by water vapor and / or by nitrogen and / or by carbon monoxide and / or carbon dioxide, so that the hydrogen concentration H2 is lower than in the first flow channel 20.
  • the hydrogen concentration can now can be determined as the flushing parameter SP.
  • a secondary parameter SP for the remainder for example a nitrogen concentration.
  • This can also be compared with a default value VW which, according to FIG. 6, is too large in this example, so that there is too much contamination and a flushing process is also necessary.
  • these two comparison steps can also be combined with one another in a method according to the invention.
  • sensor device 20 first flow channel 30 second flow channel 40 membrane 42 electrode section 44 electrode section 50 measuring device 60 adjusting device
  • fuel cell system 110 fuel cell stack 120 anode section 122 anode feed section 124 anode discharge section 126 recirculation section 130 cathode section 132 cathode feed section 134 cathode discharge section 140 mixing section

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Bestimmung eines Spülparameters (SP) für eine Kontrolle eines Spülvorgangs des Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen ersten Strömungskanal (20) für eine Anordnung in einem Anodenzuführabschnitt (122) eines Anodenabschnitts (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) und einen zweiten Strömungskanal (130) für eine Anordnung in einem Rezirkulationsabschnitt (126) des Anodenabschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110), welche voneinander wenigstens abschnittsweise mittels einer gasdichten Membran (40) getrennt sind, wobei die Membran (40) permeabel für Protonen ausgebildet ist und beidseitig einen Elektrodenabschnitt (42, 44) aufweist, weiter aufweisend eine Messvorrichtung (50) zum Bestimmen eines Konzentrationsunterschiedes von Brennstoff zwischen dem ersten Strömungskanal (20) und dem zweiten Strömungskanal (30) als Spülparamater (SP) auf Basis einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenabschnitten (42, 44).

Description

Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensys tem, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Sensor sowie ein Verfahren für die Kontrolle eines Spülvorgangs eines Brennstoffzellensystems.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen im Betrieb eine Rezirkulation von Brennstoff durchführen. Dabei handelt es sich bei dem Brennstoff beispielsweise um Wasser stoff, welcher einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt und dort chemisch umgesetzt wird. Bei der üblichen Betriebsweise verbleibt jedoch ein Rest des Brenn stoffs nach der Anode im Anodenabgas. Um diesen noch vorhandenen Restbrenn stoff wieder nutzen zu können, ist es bekannt, zumindest einen Teil des Anodenab gases in einem Rezirkulationsabschnitt wieder dem Anodenzuführabschnitt zuzufüh ren.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass durch die voranstehend be schriebene Rezirkulation Verunreinigungen im Anodenzuführabschnitt und damit in der Anode des Brennstoffzellenstapels stattfinden können. Durch Diffusionsvorgänge ist es möglich, dass Stickstoff in das Anodenabgas gelangt und durch die Rezirkula tion wieder dem Anodenzuführabschnitt zugeführt wird und sich dadurch auch anrei chert. Auch ist Wasser beziehungsweise Wasserdampf in einem Anodenabgas zu finden, welches ebenfalls in flüssiger Form als Tropfen durch die Rezirkulation dem Anodenzuführabschnitt zugeführt wird und dort auch Pfade im Wasserstoffpfad blo ckieren kann. Des Weiteren kann es auf Grund von Schädigungsmechanismen zur Bildung von geringen Mengen an Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid auf der Anodenseite kommen. Um ein zu großes Maß an Verunreinigung im Gas des Ano- denzuführabschnitts zu vermeiden, wird daher bei den bekannten Brennstoffzellen systemen ein Spülvorgang durchgeführt. Dabei wird insbesondere zwischen Purge- und Bleed-Vorgängen unterschieden. Bei Purge-Vorgängen handelt es sich um kurz fristiges Auslassen beziehungsweise Spülen des Anodenzuführabschnittes, während unter einem Bleed-Vorgang ein längerfristiges Auslassen oder Spülen mit geringen Volumenströmen zu verstehen ist.
Der Zeitpunkt des Spülvorgangs wird bei den bekannten Lösungen entweder bei un terschreiten einer gewissen Zellspannung von einzelnen Zellen des Brennstoffzel lestapels veranlasst oder algorithmisch auf Basis eines Simulationsmodells ermittelt. Somit wird simuliert über welche Betriebsdauer und unter welchen Betriebszustän den welche Verunreinigungen im Anodenzuführabschnitt entstehen. Auf Basis dieses Simulationsergebnisses wird anschließend der Spülvorgang durchgeführt. Um ein Aufsummieren von Simulationsfehlern zu vermeiden, wird zur Sicherheit eine größe re Anzahl von Spülvorgängen durchgeführt. Dies ist zum einen von Nachteil, da dies den Betrieb der Brennstoffzelle einschränkt. Ein weiterer Nachteil ist auf diese Weise verlorengegangenes Anodenzuführgas, also verlorener Brennstoff, der nicht mehr der Stromerzeugung zur Verfügung steht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kontrolle des Spülvorgangs bei einem Brennstoffzellensystem zu verbessern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorvorrichtung mit den Merk malen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des An spruchs 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Be schreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu sammenhang mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wech selseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß ist eine Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Be stimmung eines Spülparameters für eine Kontrolle eines Spülvorgangs des Brenn stoffzellensystems ausgebildet. Hierfür weist die Sensorvorrichtung einen ersten Strömungskanal für eine Anordnung in einem Anodenzuführabschnitt eines Anoden abschnitts eines Brennstoffzellenstapels auf. Weiter ist die Sensorvorrichtung mit ei nem zweiten Strömungskanal für eine Anordnung in einem Rezirkulationsabschnitt des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels ausgestattet. Der erste Strö mungskanal und der zweite Strömungskanal sind voneinander wenigstens ab schnittsweise mittels einer gasdichten Membran getrennt. Diese Membran ist perme abel für Protonen ausgebildet und beidseitig mit einem Elektrodenabschnitt ausge stattet. Weiter weist die Sensorvorrichtung eine Messvorrichtung auf zum Bestimmen eines Konzentrationsunterschiedes von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal als Spülpa rameter auf Basis einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenab schnitten.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird die Funktionsweise zum Teil anhand von Was serstoff als Brennstoff erläutert. Selbstverständlich ist auch eine Verwendung ande rer Brennstoffe im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
Im Unterschied zu den bekannten Lösungen ist eine Sensorvorrichtung nun ausge bildet eine integrale Bestimmung des Konzentrationsunterschiedes von Brennstoff zwischen den beiden Strömungskanälen und damit zwischen dem Anodenzuführab- schnitt und dem Rezirkulationsabschnitt durchzuführen. Dies basiert insbesondere auf der Idee, dass die Konzentration im Anodenzuführabschnitt grundsätzlich be kannt ist, da es sich hierbei um die Zufuhr des Brennstoffs handelt. Wird beispiels weise Wasserstoff als Brennstoff verwendet, so ist davon auszugehen, dass im Ano denzuführabschnitt eine hundertprozentige oder nahezu hundertprozentige Wasser stoffkonzentration vorliegt. Die Wasserstoffkonzentration im Rezirkulationsabschnitt hängt davon ab, wie groß der Grad der Verunreinigung ist. Über den Betrieb der Brennstoffzelle summieren sich die Verunreinigungen auf, so dass der Anteil der Verunreinigung ansteigt, wodurch der Anteil an Wasserstoff in dem Rezirkulations abschnitt abnimmt.
Durch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist es nun möglich diesen Konzent rationsunterschied zu bestimmen. Dies basiert auf einem elektrischen Potenzial zwi schen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal. Herrscht ein Konzentrationsunterschied von Wasserstoff zwischen dem ersten Strömungskanal und dem zweiten Strömungskanal, so hat dieser Auswirkungen auf die Membran und die darauf aufgesetzten Elektrodenabschnitte. Der Konzentrationsunterschied führt dazu, dass die aus dem Wasserstoff insbesondere an einer Katalysatorschicht gebil deten Protonen und Elektronen im ersten Strömungskanal durch die für Protonen permeabel ausgebildete Membran und für die Elektronen leitfähigen Elektroden be wegt werden, um einen chemischen Konzentrationsausgleich zum zweiten Strö mungskanal herzustellen. Dadurch, dass sich diese Protonen für die Bewegung durch die Membran bewegen müssen, wie auch deswegen dass sich die Elektronen durch die beiden Elektrodenabschnitte bewegen müssen, wird ein elektrisches Po- tenzial erzeugt, zwischen dem Elektrodenabschnitt im ersten Strömungskanal und dem Elektrodenabschnitt im zweiten Strömungskanal. Dieses voranstehend be schriebene elektrische Potenzial kann über die Messvorrichtung zwischen den bei den Elektrodenabschnitten abgegriffen werden und als elektrische Spannung einen Spülparameter definieren. Dabei kann die gemessene elektrische Spannung zwi schen den beiden Elektroden direkt als Spülparameter verwendet werden. Jedoch kann auch eine weitergehende Verarbeitung dieses bestimmten Spannungswertes stattfinden, um einen Rückschluss auf den Konzentrationsunterschied und insbeson dere auf eine Bestimmung der tatsächlichen Konzentration von Wasserstoff im zwei ten Strömungskanal zuzulassen.
Auf Basis der voranstehenden Erläuterung kann also die Sensorvorrichtung in das Brennstoffzellensystem integriert werden. Es ist damit möglich, integral innerhalb des Brennstoffzellensystems und insbesondere in kontinuierlicher oder im Wesentlichen kontinuierlicher Weise die Konzentrationsunterschiede zwischen dem ersten Strö mungskanal und dem zweiten Strömungskanal zu überwachen. Neben dem reinen Überwachen des Unterschiedes kann auf Basis einer bekannten Konzentration im Anodenzuführabschnitt sogar eine quantitative Bestimmung oder zumindest eine quantitative Annäherung der Wasserstoffkonzentration im Rezirkulationsabschnitt stattfinden. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen muss also nicht mehr auf ein Simulationsmodell zurückgegriffen werden, um die Spülvorgänge zu starten. Viel mehr ist eine Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und damit auch ein Rück schluss auf den Grad der Verunreinigung im Rezirkulationsabschnitt möglich. Der Grad der Verunreinigung kann nun als Kontrollparameter verwendet werden, um ei nen Spülvorgang auszulösen.
Die integrale Bestimmung eines Spülparameters auf Basis tatsächlich vorhandener und gemessener Konzentrationsunterschiede von Wasserstoff führt nun dazu, dass unnötige Spülvorgänge vermieden werden können. Vielmehr reicht es aus, zielgenau dann zu spülen, wenn der Verschmutzungsgrad des Rezirkulationsgases einen vor definierten Grad, zum Beispiel einen Vorgabewert, überschreitet. Solche zielgenauen Spülvorgänge vermeiden also aus Sicherheitsgründen durchgeführte unnötige Spül vorgänge auf Basis von Simulationsergebnissen, so dass der Wasserstoffverlust durch solche unnötigen Spülvorgänge ebenfalls vermieden werden kann. Darüber hinaus ist durch die genaue Kenntnis der Konzentration insbesondere im Rezirkulati onsabschnitt eine deutlich dynamischere Kontrolle der Wasserstoffzufuhr im Ano- denzuführabschnitt, insbesondere von einer Wasserstoffquelle möglich. Die Lastan forderung an der Brennstoffzelle kann damit dynamischer und vor allem flexibler vari iert werden. Nicht zuletzt ist noch darauf hinzuweisen, dass zielgenaue Spülvorgän ge einen zu großen Grad an Verschmutzung, insbesondere einen zu großen Grad an Stickstoff für den Rezirkulationsabschnitt und damit auch in dem Anodenzuführab- schnitt sicher vermeiden. Ein zu hoher Stickstoffanteil könnte ansonsten zur Degra dation des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels führen.
Für die Anordnung der Sensorvorrichtung innerhalb des Anodenzuführabschnitts und innerhalb des Rezirkulationsabschnitts sind die jeweiligen Strömungskanäle vorzug weise mit entsprechenden Ein- und Ausgängen ausgestaltet, um fluidkommunizie rend in den Anodenzuführabschnitt und den Rezirkulationsabschnitt eingebunden zu sein. Der erste Strömungskanal ist dabei gasdicht gegen den zweiten Strömungska nal ausgebildet.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrich tung die Elektrodenabschnitte beidseitig die gesamte oder im Wesentlichen die ge samte Membran abdecken. Darunter ist zu verstehen, dass kein Bypass von Proto nen neben den Elektroden möglich ist. Darüber hinaus kann auf diese Weise eine einfache Herstellung der Membran zur Verfügung gestellt werden, da diese auch großflächig produziert und anschließend zugeschnitten werden kann. Durch das Vermeiden des voranstehend beschriebenen Bypasses für Protonen ist eine deutlich genauere Messung und damit eine verbesserte Bestimmung des Spülparameters möglich.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensor vorrichtung der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal identisch oder im Wesentlichen identisch, insbesondere hinsichtlich der Strömungsverhältnisse, ausgebildet sind. Darunter sind zum Beispiel gleiche Strömungsquerschnitte der bei den Strömungskanäle zu verstehen. Auch gleiche Gesamtvolumina der beiden Strö mungskanäle können als identische oder im Wesentlichen identische Ausbildung verstanden werden. Insbesondere sind auch Wandoberflächen, welche die Strömung in den beiden Strömungskanälen beeinflussen sowie die entsprechend Eingangs und Ausgangsquerschnitte identisch oder im Wesentlichen identisch. Dies führ dazu, dass eine vereinfachte Auswertung der bestimmten Konzentrationsunterschiede be- ziehungsweise der bestimmten elektrischen Spannung mittels der Messvorrichtung möglich ist.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrich tung der erste Strömungskanal und/oder der zweite Strömungskanal wenigstens eine Stellvorrichtung aufweisen für eine Kontrolle der Strömungsverhältnisse im jeweiligen Strömungskanal. Eine solche Stellvorrichtung kann zum Beispiel als Ventil oder als Pumpe ausgebildet sein und führt dazu, die Strömungsverhältnisse auf beiden Seiten aneinander anzugleichen. Um eine verbesserte und vor allem eine vereinfachte Auswertung für den Spülparameter an der Messvorrichtung zu ermöglichen, können nun aktiv die Strömungsverhältnisse in den beiden Strömungskanälen angepasst werden. Insbesondere dann, wenn der Grad der Rezirkulation verändert wird, kann mit Hilfe der Stellvorrichtung ein Angleichen der Strömungsverhältnisse in der Sen sorvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Auch, wenn bei unterschiedlichen Lastverhältnissen beziehungsweise Lastanforderungen an dem Brennstoffzellensys tem unterschiedliche Strömungsverhältnisse durch unterschiedliche Zufuhrge schwindigkeiten beziehungsweise Zufuhrmassenströme im Anodenzuführabschnitt entstehen, kann durch die entsprechende Stellvorrichtung im zweiten Strömungska nal wieder ein Angleichen der Strömungsverhältnisse ermöglicht werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die wenigstens eine Stellvorrichtung zumindest eines der folgenden Module aufweist:
Druckmodul zum Variieren des Gasdrucks im jeweiligen Strömungska nal,
Massenstrommodul zum Variieren des Massenstroms im jeweiligen
Strömungskanal.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Lis te. Unter einem Druckmodul beziehungsweise unter einem Massenstrommodul kön nen zum Beispiel Pumpvorrichtungen, Druckregelvorrichtungen oder Kontrollventile verstanden werden. Damit wird es möglich, den Gasdruck und/oder den Massen strom, vorzugweise jedoch beides in dem jeweiligen Strömungskanal zu beeinflussen und an die entsprechenden Verhältnisse im anderen Strömungskanal anzupassen. Vorzugsweise sind solche Stellvorrichtungen für beide Strömungskanäle vorgese- hen, um eine größere Flexibilität in der Variation der Strömungsverhältnisse und in der Möglichkeit des Angleichens zur Verfügung zu stellen.
Weiter von Vorteil ist, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die Membran auf wenigstens einer Seite, insbesondere auf beiden Seiten, vorzugsweise auf dem jeweiligen Elektrodenabschnitt, eine Katalysatorschicht aufweist für eine Oxidation von Gasbestandteilen, insbesondere von Wasserstoff. Unter dieser Oxida tion ist eine chemische Oxidation zu verstehen, so dass zum Beispiel aus Wasser stoff Protonen und Elektronen erzeugt werden. Die katalytische Umsetzung durch chemische Oxidation von Gasbestandteilen führt dazu, dass noch weiter verbesserte Voraussetzungen für die Ausbildung einer elektrischen Spannung durch ein chemi sches Potenzial zwischen den beiden Strömungskanälen zur Verfügung gestellt wer den. Insbesondere sind die Katalysatorschichten dabei auf beiden Elektrodenab schnitten identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet.
Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvor richtung die Membran elektrisch isolierend ausgebildet ist. Dies kann durch entspre chende Materialausgestaltungen der Membran zur Verfügung gestellt sein. Jedoch ist es grundsätzlich auch denkbar, dass die Membran über eine Schicht oder eine entsprechende Anbindung an Wandungen oder ein Gehäuse die elektrische Isolie rung zur Verfügung stellt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Membran einen ent sprechend elektrisch isolierenden Kontakt zu einer oder sogar zu beiden Elektroden abschnitten aufweist.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal entlang der Membran im Gleichstrom geführt sind. Dies führt dazu, dass durch Gegenstrom ansonsten mög licherweise vorhandene Konzentrationsverschiebungen vermieden werden und auch eine unerwünschte Variation durch Temperaturunterschiede innerhalb der beiden Strömungskanäle reduziert wird.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt, einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von wenigstens einem Teil des Anodenabgases, einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas, einen Rezirkulationsabschnitt zum Rückführen wenigstens eines Teils des Anodenabgases an den Anodenzuführabschnitt.
Dabei ist eine Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen.
Der Anodenzuführabschnitt weist den ersten Strömungskanal der Sensorvorrichtung und der Rezirkulationsabschnitt den zweiten Strömungskanal der Sensorvorrichtung auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vortei le mit sich, wie sie auch ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Sensor vorrichtung erläutert worden sind. Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensys tem noch weitere Merkmale aufweisen. Zum Beispiel kann dem Sensorabschnitt vor gelagert eine Reformervorrichtung angeordnet sein, welche zugeführtes Reformerzu- führgas in ein reformiertes Anodenzuführgas umsetzt. Auch weitere Bestandteile, wie Wärmetauscher, Nachbrenner oder auch Stabbrennervorrichtungen, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung in einem solchen Brennstoffzellensystem einsetzbar.
Vorteilhaft kann es weiter sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystem der Strömungsrichtung des rezirkulierten Anodenabgases ein Mischab schnitt nachgeordnet ist für ein Einbringen des rezirkulierten Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt. Mit anderen Worten wird im Mischabschnitt eine Vermi schung des Rezirkulationsgases und des Anodenzuführgases durchgeführt. Damit kann eine einfache und kostengünstige Vermischung und Kombination dieser beiden Gase möglich sein. Durch die Nachordnung bezüglich des zweiten Strömungskanals findet das Vermischen statt, nachdem die erfindungsgemäße Bestimmung des Spül parameters erfolgt ist. Neben einer Vermischung wäre grundsätzlich auch eine sepa rate Leitung zum Anodenabschnitt aus dem zweiten Strömungskanal im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystem der Mischabschnitt in dem Anodenzuführabschnitt dem ersten Strö mungskanal der Strömungsrichtung des Anodenzuführgases nachgeordnet ist. Da runter ist zu verstehen, dass erst nachdem das Anodenzuführgas durch den ersten Strömungskanal hindurch geströmt ist, eine Vermischung mit dem Rezirkulationsgas stattfindet. Der Einfluss des Rezirkulationsgases und damit die sich einstellende Mischkonzentration findet also erst statt, wenn der erste Strömungskanal bereits passiert worden ist. Dies führt dazu, dass eine exakte Zusammensetzung insbeson dere dann für das Rezirkulationsgas bestimmbar ist, wenn das reine Anodenzuführ gas bekannt ist und dieses auch in reiner Form durch den ersten Strömungskanal strömt. Unerwünschte Quereinflüsse und über die Zeit sich aufbauende Abweichun gen werden auf diese Weise für den ersten Strömungskanal vermieden.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen system der Mischabschnitt in dem Anodenzuführabschnitt dem ersten Strömungska nal in Strömungsrichtung des Anodenzuführgases vorangestellt ist. Dies erlaubt es nicht den reinen Gasbestandteil des Anodenzuführgases, sondern vielmehr die be reits eingestellte Mischung mit dem Rezirkulationsgas zu vergleichen. Dies ist insbe sondere dann von Vorteil, wenn nicht nur eine Sensorvorrichtung, sondern zwei Sen sorvorrichtungen vorgesehen sind. So bringt es große Vorteile mit sich, wenn eine erste Sensorvorrichtung vor dem Mischabschnitt und eine zweite Sensorvorrichtung nach dem Mischabschnitt angeordnet ist, so dass es möglich wird über chemische Potenzialerkennung und entsprechende Spülparameter sowohl einen Vergleich mit dem reinen Anodenzuführgas als auch mit dem gemischten Anodenzuführgas zur Verfügung zu stellen.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine Kontrolle eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufweisend die folgenden Schrit te:
Bestimmen eines Spülparameters mittels der Sensorvorrichtung,
Vergleichen des bestimmten Spülparameters mit einem Vorgabewert,
Durchführen eines Spülvorgangs auf Basis des Vergleichs.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. Ein Spülvorgang kann dabei ein Purge-Vorgang oder auch ein Bleed- Vorgang sein. Es ist auch denkbar, dass der Spülparameter beziehungsweise der Grad der Abweichung vom Vorgabewert entscheidet, ob ein Purge-Vorgang oder ein Bleed-Vorgang durchgeführt werden soll.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf Basis des Spülparameters ein Sekundärparameter, insbesondere in Form einer Stickstoff konzentration im zweiten Strömungskanal, bestimmt wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich im ersten Strömungskanal reines oder im Wesentlichen reines Anodenzuführgas, zum Beispiel reiner Wasserstoff, befindet. Der Sekundärpa rameter kann damit als Differenz exakt den Prozentsatz an Verschmutzung, insbe sondere in Form von Stickstoff, generieren, ohne dass der Stickstoff beziehungswei se der Stickstoffgehalt direkt bestimmt werden muss. Der Sekundärparameter kann dabei allein, aber auch kombiniert mit dem Spülparameter, für den Vergleichswert herangezogen werden, um den Spülvorgang zu kontrollieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrich tung,
Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tems,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Figur 1 ist schematisch der Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrich tung dargestellt. Die Sensorvorrichtung weist zwei Einzelzellen auf, welche sich durch einen ersten Strömungskanal 20 und einen zweiten Strömungskanal 30 aus zeichnen. Der erste Strömungskanal 20 ist dabei Teil eines Anodenzuführabschnitts 122 und der zweite Strömungskanal 30 Teil eines Rezirkulationsabschnitts 126.
Durch den ersten Strömungskanal 20 fließt dabei vorzugweise reines Anodenzuführ- gas, zum Beispiel reiner Wasserstoff. Durch den zweiten Strömungskanal 30 wird entsprechend von dem Anodenabgas verschmutztes Rezirkulationsgas geführt, so dass sich ein chemischer Konzentrationsunterschied zwischen Wasserstoff im ersten Strömungskanal 20 und im zweiten Strömungskanal 30 einstellt. Die beiden Strö mungskanäle 20 und 30 sind gemäß der Figur 1 in dieser Ausführungsform durch ei ne gasdichte Membran 40 getrennt. Protonen können diese Membran 40 jedoch durchdringen, so dass ein chemischer Konzentrationsunterschied zu einer elektrisch messbaren Spannung zwischen dem ersten Strömungskanal 20 und dem zweiten Strömungskanal 30 führt. Diese Spannung wird über die beidseitig auf der Membran 40 angeordneten Elektrodenabschnitte 42 und 44 abgegriffen und kann an der Messvorrichtung 50 erkannt werden. In der Messvorrichtung 50 kann nun als Spülpa rameter SP der erkannte Konzentrationsunterschied oder aber auch direkt der ge messene Spannungswert ausgegeben werden. Wie der Figur 1 gut zu entnehmen ist, sind hier der erste Strömungskanal 20 und der zweite Strömungskanal 30 im Gleichstrom geführt.
Die Figur 2 ist eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Die se basiert grundsätzlich auf der Lösung der Figur 1. Jedoch sind hier zusätzlich Stellvorrichtungen 60 vorgesehen, welche aus Pumpvorrichtungen ausgebildet sind. Somit wird es möglich, die Strömungsverhältnisse im ersten Strömungskanal 20 und im zweiten Strömungskanal 30 zu variieren. Insbesondere bei unterschiedlichen Lastanforderungen, aber auch bei unterschiedlichen Rezirkulationsmengen kann auf diese Weise eine Anpassung des Strömungsverhältnisses im jeweils anderen Strö mungskanal 20 oder 30 erfolgen, so dass ein Angleichen und insbesondere ein Aus gleichen der Strömungsverhältnisse zwischen den beiden Strömungskanälen 20 und 30 möglich wird.
Figur 3 zeigt die Einbindung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 in ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100. Dieses ist hier schematisch mit ei nem Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt 120 und einem Katho- denabschnitt 130 dargestellt. Der Anodenabschnitt 120 ist mit einem Anodenzu- führabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und einem Anodenabführabschnitt 124 zum Abführen von Anodenabgas versehen. In gleicher Weise ist der Kathoden abschnitt 130 mit einem Kathodenzuführabschnitt 132 zum Zuführen von Kathoden- zuführgas und einem Kathodenabführabschnitt 134 zum Abführen von Kathodenab gas ausgestaltet. Wie bereits erläutert worden ist, ist im Anodenabgas des Anoden abschnitts 120 noch ein Rest an Wasserstoff vorhanden, welcher nicht der Umge bung zugeführt, sondern vielmehr wiederverwendet werden soll. Diese Wiederver wendung erfolgt über die Rezirkulation zumindest eines Teils des Anodenabgases mit Hilfe des Rezirkulationsabschnitts 126.
Die Figur 3 zeigt nun wie eine Sensorvorrichtung 10 in den Anodenzuführabschnitt 122 und den Rezirkulationsabschnitt 126 eingebunden ist. Das rezirkulierte Ano denabgas durch den Rezirkulationsabschnitt 126 wird in den zweiten Strömungska nal 30 geführt und befindet sich dort in einer Konzentrationsdifferenz zum Anodenzu führgas des ersten Strömungskanals 20. Selbstverständlich ist ein Zuführen des Re- zirkulationsgases auch der Sensorvorrichtung 10 nachgelagert möglich. Hiermit wird die integrale Bestimmung der Konzentrationsunterschiede möglich, so dass zielge nau eine Purge- beziehungsweise ein Bleed-Vorgang durchgeführt werden kann.
Die Figur 4 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. In den Zuführ- und Abführwegen zur Sensorvorrichtung 10 sind bei dieser Ausführungsform Steuer ventile beziehungsweise Kontrollventile als Stellvorrichtung 60 vorgesehen, um die Strömungsverhältnisse im ersten Strömungskanal 20 und im zweiten Strömungska nal 30 aneinander anzugleichen. Auch ist ein Mischabschnitt 140 vorgesehen, wel cher es erlaubt zielgenau eine Vermischung des Rezirkulationsgases mit dem reinen Zuführgas durchzuführen. Der Mischabschnitt 140 kann selbstverständlich auch dem zweiten Strömungskanal 20 in dem Anodenzuführabschnitt 122 nachgelagert sein.
Figur 5 zeigt eine Ausbildung mit einer weiteren Verbesserung des Brennstoffzellen systems 100. So sind hier zwei Sensorvorrichtungen 10 vorgesehen, welche an zwei unterschiedlichen Stellen Bezug auf den Mischabschnitt 140 ihre Bestimmung durch führen. So ist die linke Sensorvorrichtung 10 in der Lage, den Konzentrationsunter schied zwischen dem reinen Anodenzuführgas und dem Rezirkulationsgas zu be stimmen. Die rechte Sensorvorrichtung 10 erlaubt eine Bestimmung zwischen dem Rezirkulationsgas und dem bereits vermischten Anodenzuführgas. Damit kann eine noch genauere integrale Bestimmung und damit eine noch genauere Kontrolle der Purge- und/oder der Bleed-Vorgänge zur Verfügung gestellt werden.
Figur 6 zeigt schematisch wie ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt wer den kann. Im ersten Strömungskanal 20 ist dabei vorzugsweise eine hundertprozen tige Wasserstoffkonzentration H2 vorhanden. In dem zweiten Strömungskanal 30 be findet sich eine Verschmutzung durch einen Rest, zum Beispiel durch Wasserdampf und/oder durch Stickstoff und/oder durch Kohlenmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid, so dass die Wasserstoffkonzentration H2 kleiner ist als im ersten Strömungskanal 20. Die Wasserstoffkonzentration kann nun als Spülparameter SP bestimmt werden. Beim Vergleich mit einem Vorgabewert VW gemäß der Figur 6 fällt nun auf, dass die Wasserstoffkonzentration als Spülparameter SP unter dem Vorgabewert VW gesun ken ist, so dass der Rest und damit der Verschmutzungsgrad zu hoch und ein Spül vorgang notwendig ist. In gleicher, ergänzender oder auch alternativer Weise ist es möglich, für den Rest, zum Beispiel eine Stickstoffkonzentration, einen Sekundärpa rameter SP zu bestimmen. Auch dieser kann mit einem Vorgabewert VW verglichen werden, welcher gemäß der Figur 6 in diesem Beispiel zu groß ist, so dass eine zu große Verschmutzung vorliegt und ebenfalls ein Spülvorgang notwendig ist. Selbst verständlich können diese beiden Vergleichsschritte bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch miteinander kombiniert werden.
Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der vorlie genden Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
10 Sensorvorrichtung 20 erster Strömungskanal 30 zweiter Strömungskanal 40 Membran 42 Elektrodenabschnitt 44 Elektrodenabschnitt 50 Messvorrichtung 60 Stellvorrichtung
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenabschnitt 122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 126 Rezirkulationsabschnitt 130 Kathodenabschnitt 132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Mischabschnitt
SP Spülparameter SE Sekundärparameter VW Vorgabewert

Claims

Patentansprüche
1 . Sensorvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Bestimmung eines Spülparameters (SP) für eine Kontrolle eines Spülvorgangs des Brenn stoffzellensystems (100), aufweisend einen ersten Strömungskanal (20) für ei ne Anordnung in einem Anodenzuführabschnitt (122) eines Anodenabschnitts (120) eines Brennstoffzellenstapels (110) und einen zweiten Strömungskanal (130) für eine Anordnung in einem Rezirkulationsabschnitt (126) des Anoden abschnitts (120) des Brennstoffzellenstapels (110), welche voneinander we nigstens abschnittsweise mittels einer gasdichten Membran (40) getrennt sind, wobei die Membran (40) permeabel für Protonen ausgebildet ist und beidseitig einen Elektrodenabschnitt (42, 44) aufweist, weiter aufweisend eine Messvor richtung (50) zum Bestimmen eines Konzentrationsunterschiedes von Brenn stoff, insbesondere von Wasserstoff, zwischen dem ersten Strömungskanal (20) und dem zweiten Strömungskanal (30) als Spülparamater (SP) auf Basis einer elektrischen Spannung zwischen den beiden Elektrodenabschnitten (42, 44).
2. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenabschnitte (42, 44) beidseitig die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Membran (40) abdecken.
3. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (20) und der zweite Strömungska nal (30) identisch oder im Wesentlichen identisch, insbesondere hinsichtlich der Strömungsverhältnisse, ausgebildet sind.
4. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (20) und/oder der zweite Strö mungskanal (30) wenigstens eine Stellvorrichtung (60) aufweisen für eine Kontrolle der Strömungsverhältnisse im jeweiligen Strömungskanal (20, 30).
5. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stellvorrichtung (60) zumindest eines der folgenden Module aufweist:
Druckmodul zum Variieren des Gasdrucks im jeweiligen Strömungska nal (20, 30) - Massenstrommodul zum Variieren des Massenstroms im jeweiligen Strömungskanal (20, 30)
6. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (40) auf wenigstens einer Seite, insbesondere auf beiden Seiten, vorzugsweise auf dem jeweiligen Elektrodenabschnitt (42, 44), eine Katalysatorschicht aufweist für eine Oxidation von Gasbestandteilen, insbesondere von Wasserstoff.
7. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (40) elektrisch isolierend ausgebildet ist.
8. Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (20) und der zweite Strömungska nal (30) entlang der Membran (40) im Gleichstrom geführt sind.
9. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend
- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130),
- einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt (120),
- einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzu- führgas zum Kathodenabschnitt (130),
- einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von wenigstens einem Teil des Anodenabgases,
- einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas,
- einen Rezirkulationsabschnitt (126) zum Rückführen wenigstens eines Teils des Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt (122), wobei weiter eine Sensorvorrichtung (10) mit den Merkmalen wenigstens ei nes der Ansprüche 1 bis 8 vorgesehen ist und der Anodenzuführabschnitt (122) den ersten Strömungskanal (20) der Sensorvorrichtung (10) und der Re- Zirkulationsabschnitt (126) den zweiten Strömungskanal (30) der Sensorvor richtung (10) aufweist.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Strömungskanal (30) in Strömungsrichtung des rezirkulier- ten Anodenabgases ein Mischabschnitt (140) nachgeordnet ist für ein Einbrin gen des rezirkulierten Anodenabgases in den Anodenzuführabschnitt (122).
11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt (140) in dem Anodenzuführabschnitt (122) dem ers ten Strömungskanal (20) in Strömungsrichtung des Anodenzuführgases nach geordnet ist.
12. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt (40) in dem Anodenzuführabschnitt (122) dem ersten Strömungskanal (20) in Strömungsrichtung des Anodenzuführgases vorange stellt ist.
13. Verfahren für eine Kontrolle eines Spülvorgangs eines Brennstoffzellensys tems (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 9 bis 12, aufweisend die folgenden Schritte:
- Bestimmen eines Spülparameters (SP) mittels der Sensorvorrichtung
(10),
- Vergleich des bestimmten Spülparameters (SP) mit einem Vorgabewert (VW),
- Durchführen eines Spülvorgangs auf Basis des Vergleichs.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des Spülparameters (SP) eine Sekundärparameter (SE), insbesondere in Form ei ner Stickstoffkonzentration im zweiten Strömungskanal (30), bestimmt wird.
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