EP4189758A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, auswerteeinheit für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, auswerteeinheit für ein brennstoffzellensystem

Info

Publication number
EP4189758A1
EP4189758A1 EP21751770.5A EP21751770A EP4189758A1 EP 4189758 A1 EP4189758 A1 EP 4189758A1 EP 21751770 A EP21751770 A EP 21751770A EP 4189758 A1 EP4189758 A1 EP 4189758A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
path
anode
exhaust gas
hydrogen
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21751770.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias FALKENAU
Timo Bosch
Christopher Bruns
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4189758A1 publication Critical patent/EP4189758A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04462—Concentration; Density of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/0447—Concentration; Density of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an evaluation unit for a fuel cell system, with the aid of which the method according to the invention can be carried out.
  • a fuel cell converts hydrogen into electrical energy with the help of oxygen, producing waste heat and water.
  • the fuel cell has a membrane-electrode assembly (MEA), which is supplied with hydrogen via an anode path and with oxygen via a cathode path. While the hydrogen is usually stored in a tank, the oxygen can be taken from the ambient air.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • An approach has been systematically established for supplying the fuel cell with hydrogen, in which the anode waste gas, which still contains hydrogen, is fed back to the fuel cells by means of a gas conveying device. This process is called recirculation.
  • a jet pump can be used as the gas conveying device or a hybrid solution consisting of a jet pump and a blower can be used.
  • Recirculated anode off-gas may contain nitrogen which diffuses from the cathode side to the anode side.
  • nitrogen is an inert gas for the electrochemical reaction taking place in the fuel cell. If it is present in a very high concentration, it can also damage the cell, since it is no longer supplied with sufficient hydrogen.
  • the recirculation space is therefore flushed from time to time to reduce the nitrogen concentration. This process is called purging. Part of the anode waste gas is discharged from the recirculation chamber via a purge valve and replaced with fresh hydrogen. However, purging too frequently reduces the efficiency of the fuel cell system, since hydrogen is also purged with the nitrogen. Knowledge of the nitrogen concentration is therefore important in order to optimize anode off-gas purging for system efficiency while minimizing cell damage.
  • At least one hydrogen sensor is generally installed in an exhaust gas path of a fuel cell system.
  • the depleted moist air (cathode exhaust gas) and the anode exhaust gas, which is purged from the recirculation chamber from time to time, are discharged via the exhaust gas path.
  • the exhaust gas thus consists of a hydrogen-nitrogen-steam mixture.
  • the hydrogen sensor located in the exhaust gas path measures whether an uncritical hydrogen concentration is maintained at all times.
  • the object of the present invention is to provide a method for operating a fuel cell system in which the nitrogen concentration in the Anode path is monitored.
  • the monitoring should be carried out as efficiently as possible and with available resources.
  • a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell, which is supplied with hydrogen via an anode path and with oxygen via a cathode path is proposed.
  • anode waste gas exiting the fuel cell is recirculated.
  • a portion of the anode off-gas is introduced from time to time by purging from the anode path into an off-gas path carrying cathode off-gas.
  • the hydrogen concentration of the exhaust gas is measured in the exhaust gas path using a hydrogen sensor.
  • the hydrogen and/or nitrogen concentration of the anode gas in the anode path before the last purging is calculated on the basis of the measured hydrogen concentration, the gas quantities introduced into the exhaust gas path from the cathode path and from the anode path, and the quantity of hydrogen freshly supplied to the anode path.
  • the nitrogen concentration can be derived from it.
  • the nitrogen concentration in the anode path can thus be monitored directly or at least indirectly with the aid of the proposed method. Knowing the nitrogen concentration, timely purging can prevent damage to the fuel cell. At the same time, purging can be reduced to a minimum to optimize system efficiency.
  • the hydrogen and/or nitrogen concentration of the anode gas is monitored using a hydrogen sensor installed in the exhaust path of the system. Since this is basically available, no further sensors are required to carry out the method, so that it is comparatively easy to implement.
  • the information required to monitor the hydrogen and/or nitrogen concentration in the anode path in addition to the measurement data from the hydrogen sensor is generally known or can be derived in a simple manner from known variables. This applies in particular with regard to the quantities of gas introduced into the exhaust gas path and/or with regard to the quantity of hydrogen freshly supplied to the anode path.
  • the hydrogen concentration of the anode gas is preferably calculated first. Knowing the hydrogen concentration, the nitrogen concentration of the anode gas is then determined. That is, the nitrogen concentration is derived from the hydrogen concentration of the anode gas. The nitrogen concentration is thus determined indirectly.
  • the calculation of the hydrogen concentration is preferably preceded by the method step in which a total molar flow is first calculated from the gas quantities that are introduced into the exhaust gas path. On the basis of the calculated total mole flow and the measured hydrogen concentration of the exhaust gas in the exhaust gas path, a hydrogen quantity determination can then be carried out via time integration. The amount of hydrogen determined in this way can then be used as a basis for calculating the hydrogen concentration of the anode gas. This is because the hydrogen concentration of the anode gas is preferably calculated by dividing the amount of hydrogen in the exhaust gas and the amount of gas introduced from the anode path into the exhaust gas path.
  • the molar flow of the cathode exhaust gas and the molar flow of the anode exhaust gas, which is introduced by purging from the anode path into the exhaust gas path, are preferably determined beforehand.
  • the total molar flow is thus made up of the two individual molar flows of the cathode and anode exhaust gas introduced into the exhaust gas path.
  • the molar flow of the cathode exhaust gas is systemic through knowledge of the map of a cathode-side air compressor and various Air mass measurements as well as knowledge of the amount of oxygen converted, the air pressure and the relative humidity.
  • the molar flow of the anode exhaust gas can be determined.
  • the quantity of gas that is introduced by purging from the anode path into the exhaust gas path is preferably divided by the duration of the purge process.
  • the amount of gas that is introduced by purging from the anode path into the exhaust gas path is determined from the amount of hydrogen that is freshly fed to the anode path and the converted amount of hydrogen at constant anode pressure.
  • the amount of hydrogen converted results from the amount of hydrogen required to generate electricity or from the stack electricity, preferably over the duration of the purge process.
  • This amount of hydrogen is subtracted from the amount of hydrogen that is freshly supplied to the anode path during the purge process. Consequently, the amount of gas discharged by purging can be deduced from the freshly supplied amount of hydrogen.
  • the prerequisite for the assumption is that the anode pressure does not change during the integration period.
  • an evaluation unit for a fuel cell system is proposed, with the aid of which the method according to the invention can be carried out.
  • the evaluation unit is connected in a data-transmitting manner to a hydrogen sensor, which is arranged in an exhaust gas path of the fuel cell system.
  • the measurement data required to carry out the method are therefore available to the evaluation unit. If further information is required, this can also be forwarded to the evaluation unit.
  • a basic method step is the measurement of the hydrogen concentration of the exhaust gas in the exhaust gas path, referred to as method step 10 here.
  • a determination of the quantity of hydrogen is carried out in method step 20 via time integration. Determining the total molar flow includes method steps 11 and 16, in which the molar flow of the cathode exhaust gas is first determined (method step 11) and added to the molar flow of the anode exhaust gas introduced into the exhaust gas path (method step 16).
  • the molar flow of the cathode off-gas can be assumed to be known, the molar flow of the anode off-gas has yet to be determined.
  • the amount of anode waste gas introduced into the waste gas path by purging is divided by the duration of the purge process (method step 15).
  • the amount of anode waste gas introduced into the waste gas path by purging is previously determined in a method step 14 .
  • method steps 12 and 13 which include the integration of the freshly supplied quantity of hydrogen in the anode path over the duration of the purge process (method step 12) and the subtraction of the quantity of hydrogen consumed during the purge process to generate electricity (method step 13).
  • the prerequisite for the assumption is that the anode pressure does not change during the integration period.
  • the hydrogen concentration in the anode path can finally be calculated in method step 30 on the basis of the quantity of gas determined in method step 14 which has been introduced from the anode path into the exhaust gas path and on the basis of the quantity of hydrogen in the exhaust gas determined in method step 20 .
  • the quantity of hydrogen determined in method step 20 is divided by the quantity of gas determined in method step 14 .

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, die über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgt wird, wobei aus der Brennstoffzelle austretendes Anodenabgas rezirkuliert wird, ein Teil des Anodenabgases jedoch von Zeit zu Zeit durch Purgen aus dem Anodenpfad in einen Kathodenabgas führenden Abgaspfad eingeleitet wird, und wobei im Abgaspfad mit Hilfe eines Wasserstoffsensors die Wasserstoffkonzentration des Abgases gemessen wird. Erfindungsgemäß wird auf Basis der gemessenen Wasserstoffkonzentration, der aus dem Kathodenpfad und aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleiteten Gasmengen sowie der dem Anodenpfad frisch zugeführten Wasserstoffmenge die Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration des Anodengases im Anodenpfad vor dem letzten Purgen berechnet. Die Erfindung betrifft ferner eine Auswerteeinheit für ein Brennstoffzellensystem zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Auswerteeinheit für ein Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Auswerteeinheit für ein Brennstoffzellensystem, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff zu elektrischer Energie, wobei Abwärme und Wasser erzeugt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) auf, die über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgt wird. Während der Wasserstoff üblicherweise in einem Tank bevorratet wird, kann der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen werden.
In der praktischen Anwendung werden mehrere solcher Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel oder „Stack“ angeordnet, um die erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Zur Versorgung jeder einzelnen Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luft, ist der Brennstoffzellenstapel von Versorgungskanälen durchzogen. Weitere den Brennstoffzellenstapel durchsetzende Kanäle dienen dem Abtransport des aus den Brennstoffzellen austretenden abgereicherten Anodenabgases sowie der abgereicherten feuchten Luft.
Systematisch hat sich zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem das noch Wasserstoff haltige Anodenabgas mittels einer Gasfördereinrichtung den Brennstoffzellen wieder zugeführt wird. Dieser Vorgang wird Rezirkulation genannt. Als Gasfördereinrichtung kann eine Strahlpumpe oder eine Hybridlösung bestehend aus einer Strahlpumpe und einem Gebläse verwendet werden.
Rezirkuliertes Anodenabgas kann Stickstoff enthalten, das durch Diffusion von der Kathodenseite auf die Anodenseite gelangt. Die Folge ist eine Herabsetzung der Zellspannung, da Stickstoff für die in der Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion ein Inertgas darstellt. Liegt es in sehr hoher Konzentration vor, kann es zudem die Zelle schädigen, da diese nicht mehr mit ausreichend Wasserstoff versorgt wird.
Zur Herabsetzung der Stickstoffkonzentration wird daher der Rezirkulationsraum von Zeit zu Zeit gespült. Dieser Vorgang wird Purgen genannt. Über ein Purge- Ventil wird ein Teil des Anodenabgases aus dem Rezirkulationsraum ausgeleitet und durch frischen Wasserstoff ersetzt. Zu häufiges Purgen reduziert jedoch den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems, da mit dem Stickstoff auch Wasserstoff ausgeleitet wird. Die Kenntnis der Stickstoffkonzentration ist daher wichtig, um das Ausleiten von Anodenabgas hinsichtlich Systemeffizienz zu optimieren und gleichzeitig die Schädigung der Zellen auf ein Minimum zu reduzieren.
Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz von Wasserstoffsensoren bekannt. Diese werden im Anodenpfad angeordnet, um verlässliche Messwerte über die Wasserstoffkonzentration zu liefern. Von diesen kann dann auf die Stickstoffkonzentration geschlossen werden. Der Einsatz derartiger Sensoren ist jedoch aufwendig und teuer. Insbesondere können Dichtheitsprobleme in den Schnittstellenbereichen auftreten. Dennoch ist in der Regel mindestens ein Wasserstoffsensor in einem Abgaspfad eines Brennstoffzellensystems installiert. Über den Abgaspfad wird die abgereicherte feuchte Luft (Kathodenabgas) und das von Zeit zu Zeit mittels Purgen aus dem Rezirkulationsraum ausgeleitete Anodenabgas abgeführt. Das Abgas besteht somit aus einem Wasserstoff- Stickstoff-Dampf-Gemisch. Der im Abgaspfad angeordnete Wasserstoffsensor misst, ob zu jeder Zeit eine unkritische Wasserstoffkonzentration eingehalten wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, bei dem die Stickstoffkonzentration im Anodenpfad überwacht wird. Die Überwachung soll dabei möglichst effizient und mit vorhandenen Mitteln durchgeführt werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird eine Auswerteeinheit für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, mit deren Hilfe das Verfahren ausführbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, die über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgt wird. Dabei wird aus der Brennstoffzelle austretendes Anodenabgas rezirkuliert. Ein Teil des Anodenabgases wird jedoch von Zeit zu Zeit durch Purgen aus dem Anodenpfad in einen Kathodenabgas führenden Abgaspfad eingeleitet. Im Abgaspfad wird mit Hilfe eines Wasserstoffsensors die Wasserstoffkonzentration des Abgases gemessen. Erfindungsgemäß wird auf Basis der gemessenen Wasserstoffkonzentration, der aus dem Kathodenpfad und aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleiteten Gasmengen sowie der dem Anodenpfad frisch zugeführten Wasserstoffmenge die Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration des Anodengases im Anodenpfad vor dem letzten Purgen berechnet.
Ist die Wasserstoffkonzentration bekannt, kann hieraus die Stickstoffkonzentration abgeleitet werden. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann somit die Stickstoffkonzentration im Anodenpfad direkt oder zumindest indirekt überwacht werden. In Kenntnis der Stickstoffkonzentration kann durch rechtzeitiges Purgen eine Schädigung der Brennstoffzelle verhindert werden. Zugleich kann das Purgen auf ein Minimum reduziert werden, um die Systemeffizienz zu optimieren.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration des Anodengases mit Hilfe eines im Abgaspfad des Systems verbauten Wasserstoffsensors überwacht. Da dieser grundsätzlich vorhanden ist, bedarf es zur Durchführung des Verfahrens keiner weiteren Sensorik, so dass es vergleichsweise einfach umsetzbar ist. Die zur Überwachung der Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration im Anodenpfad zusätzlich zu den Messdaten des Wasserstoffsensors benötigten Informationen sind in der Regel bekannt oder lassen sich in einfacher Weise aus bekannten Größen ableiten. Dies gilt insbesondere in Bezug auf die in den Abgaspfad eingeleiteten Gasmengen und/oder in Bezug auf die dem Anodenpfad frisch zugeführte Wasserstoffmenge.
Bevorzugt wird zunächst die Wasserstoffkonzentration des Anodengases berechnet. In Kenntnis der Wasserstoffkonzentration wird dann die Stickstoffkonzentration des Anodengases ermittelt. Das heißt, dass die Stickstoffkonzentration aus der Wasserstoffkonzentration des Anodengases abgeleitet wird. Die Stickstoffkonzentration wird somit indirekt bestimmt.
Der Berechnung der Wasserstoffkonzentration des Anodengases können weitere Verfahrensschritte vorausgehen. Diese werden nachfolgend näher beschrieben.
Der Berechnung der Wasserstoffkonzentration geht vorzugsweise der Verfahrensschritt voraus, dass aus den Gasmengen, die in den Abgaspfad eingeleitet werden, zunächst ein Gesamtmolstrom berechnet wird. Auf Basis des berechneten Gesamtmolstroms sowie der gemessenen Wasserstoffkonzentration des Abgases im Abgaspfad kann anschließend eine Wasserstoffmengenbestimmung über zeitliche Integration durchgeführt werden. Die derart bestimmte Wasserstoffmenge kann dann der Berechnung der Wasserstoffkonzentration des Anodengas zugrunde gelegt werden. Denn die Wasserstoffkonzentration des Anodengases wird vorzugsweise mittels Division der Wasserstoffmenge im Abgas und der aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleiteten Gasmenge berechnet.
Zur Berechnung des Gesamtmolstroms werden bevorzugt vorab der Molstrom des Kathodenabgases und der Molstrom des Anodenabgases, das durch Purgen aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitet wird, ermittelt. Der Gesamtmolstrom setzt sich somit aus den zwei einzelnen Molströmen des in den Abgaspfad eingeleiteten Kathoden- und Anodenabgases zusammen.
Der Molstrom des Kathodenabgases ist systemisch durch Kenntnis des Kennfelds eines kathodenseitigen Luftverdichters und diverser Luftmassenmessungen sowie durch Kenntnis der umgesetzten Sauerstoffmenge, des Luftdrucks und der relativen Luftfeuchte bekannt. Der Molstrom des Anodenabgases kann ermittelt werden. Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Molstroms des Anodenabgases die Gasmenge, die durch Purgen aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitet wird, durch die Dauer des Purge- Vorgangs dividiert.
Dies wiederum setzt voraus, dass die aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitete Gasmenge bekannt ist. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die Gasmenge, die durch Purgen aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitet wird, aus der Wasserstoffmenge, die dem Anodenpfad frisch zugeführt wird, und der umgesetzten Wasserstoffmenge bei konstantem Anodendruck ermittelt wird. Die umgesetzte Wasserstoffmenge ergibt sich aus der zur Stromerzeugung benötigten Wasserstoffmenge bzw. aus dem Stack- Strom, und zwar vorzugsweise über die Dauer des Purge-Vorgangs. Diese Wasserstoffmenge wird von der Wasserstoffmenge subtrahiert, die dem Anodenpfad während des Purge-Vorgangs frisch zugeführt wird. Folglich kann über die frisch zugeführte Wasserstoffmenge auf die durch Purgen ausgeleitete Gasmenge geschlossen werden. Voraussetzung für die Annahme ist, dass der Anodendruck während des Integrationszeitraums sich nicht ändert.
Darüber hinaus wird eine Auswerteeinheit für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, mit dessen Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Die Auswerteeinheit ist dabei in datenübertragender Weise mit einem Wasserstoffsensor verbunden, der in einem Abgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Der Auswerteeinheit stehen somit die zur Ausführung des Verfahrens notwendigen Messdaten zur Verfügung. Sofern weitere Informationen benötigt werden, können diese ebenfalls an die Auswerteeinheit geleitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in einem Blockschaltbild den bevorzugten Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Der im Blockschaltbild beispielhaft dargestellte Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst mehrere Verfahrensschritte, die nacheinander oder parallel ausgeführt werden können. Einen grundlegenden Verfahrensschritt stellt die Messung der Wasserstoffkonzentration des Abgases im Abgaspfad dar, hier als Verfahrensschritt 10 bezeichnet. Auf Basis dieses Messwerts und eines zuvor ermittelten Gesamtmolstroms im Abgaspfad wird in Verfahrensschritt 20 eine Wasserstoffmengenbestimmung über zeitliche Integration durchgeführt. Die Ermittlung des Gesamtmolstroms beinhaltet die Verfahrensschritte 11 und 16, in denen zunächst der Molstrom des Kathodenabgases ermittelt (Verfahrensschritt 11) und zum Molstrom des in den Abgaspfad eingeleiteten Anodenabgases addiert wird (Verfahrensschritt 16). Während der Molstrom des Kathodenabgases als bekannt vorausgesetzt werden kann, muss der Molstrom des Anodenabgases erst noch bestimmt werden. Hierzu wird die mittels Purgen in den Abgaspfad eingeleitete Anodenabgasmenge durch die Dauer des Purge- Vorgangs dividiert (Verfahrensschritt 15). Die in den Abgaspfad mittels Purgen eingeleitete Anodenabgasmenge wird zuvor in einem Verfahrensschritt 14 bestimmt. Diesem gehen die Verfahrensschritte 12 und 13 voraus, welche die Integration der frisch zugeführten Wasserstoffmenge in den Anodenpfad über die Dauer des Purge-Vorgangs (Verfahrensschritt 12) sowie die Subtraktion der während des Purge-Vorgangs zur Stromerzeugung verbrauchten Wasserstoffmenge (Verfahrensschritt 13) umfassen. Voraussetzung für die Annahme ist, dass der Anodendruck während des Integrationszeitraums sich nicht ändert.
Auf Basis der in Verfahrensschritt 14 ermittelten Gasmenge, die aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitet worden ist, und auf Basis der in Verfahrensschritt 20 ermittelten Wasserstoffmenge im Abgas kann schließlich in Verfahrensschritt 30 die Wasserstoffkonzentration im Anodenpfad berechnet werden. Hierzu wird die in Verfahrensschritt 20 ermittelte Wasserstoffmenge durch die in Verfahrensschritt 14 ermittelte Gasmenge dividiert.

Claims

- 7 - Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, die über einen Anodenpfad mit Wasserstoff und über einen Kathodenpfad mit Sauerstoff versorgt wird, wobei aus der Brennstoffzelle austretendes Anodenabgas rezirkuliert wird, ein Teil des Anodenabgases jedoch von Zeit zu Zeit durch Purgen aus dem Anodenpfad in einen Kathodenabgas führenden Abgaspfad eingeleitet wird, und wobei im Abgaspfad mit Hilfe eines Wasserstoffsensors die Wasserstoffkonzentration des Abgases gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der gemessenen Wasserstoffkonzentration, der aus dem Kathodenpfad und aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleiteten Gasmengen sowie der dem Anodenpfad frisch zugeführten Wasserstoffmenge die Wasserstoff- und/oder Stickstoffkonzentration des Anodengases im Anodenpfad vor dem letzten Purgen berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffkonzentration des Anodengases berechnet wird und in Kenntnis der Wasserstoffkonzentration die Stickstoffkonzentration des Anodengases ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Gasmengen, die in den Abgaspfad eingeleitet werden, ein Gesamtmolstrom berechnet wird und auf Basis des berechneten Gesamtmolstroms sowie der gemessenen Wasserstoffkonzentration des Abgases im Abgaspfad eine Wasserstoffmengenbestimmung über zeitliche Integration durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffkonzentration des Anodengases mittels Division der Wasserstoffmenge im Abgas und der aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleiteten Gasmenge berechnet wird. - 8 -
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Gesamtmolstroms vorab der Molstrom des Kathodenabgases und der Molstrom des Anodenabgases, das durch Purgen aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitet wird, ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Molstroms des Anodenabgases die Gasmenge, die durch Purgen aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitet wird, durch die Dauer des Purge-Vorgangs dividiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmenge, die durch Purgen aus dem Anodenpfad in den Abgaspfad eingeleitet wird, aus der Wasserstoffmenge, die dem Anodenpfad frisch zugeführt wird, und der umgesetzten Wasserstoffmenge bei konstantem Anodendruck ermittelt wird.
8. Auswerteeinheit für ein Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit in datenübertragender Weise mit einem Wasserstoffsensor verbunden ist, der in einem Abgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
EP21751770.5A 2020-08-03 2021-07-16 Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, auswerteeinheit für ein brennstoffzellensystem Pending EP4189758A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020209740.2A DE102020209740A1 (de) 2020-08-03 2020-08-03 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Auswerteeinheit für ein Brennstoffzellensystem
PCT/EP2021/069990 WO2022028859A1 (de) 2020-08-03 2021-07-16 Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, auswerteeinheit für ein brennstoffzellensystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4189758A1 true EP4189758A1 (de) 2023-06-07

Family

ID=77249809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21751770.5A Pending EP4189758A1 (de) 2020-08-03 2021-07-16 Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, auswerteeinheit für ein brennstoffzellensystem

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230352709A1 (de)
EP (1) EP4189758A1 (de)
JP (1) JP7488956B2 (de)
KR (1) KR20230047145A (de)
CN (1) CN116114090A (de)
DE (1) DE102020209740A1 (de)
WO (1) WO2022028859A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022102996A1 (de) 2022-02-09 2023-08-10 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Rezirkulationsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Rezirkulation von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem
US20230264565A1 (en) * 2022-02-18 2023-08-24 Nikola Corporation Fuel cell exhaust system for fuel cell electric vehicle
DE102022211849A1 (de) 2022-11-09 2024-05-16 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE102022212563A1 (de) 2022-11-24 2024-05-29 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit eines Brennstoffkonzentrationssensors einer Brennstoffzelleneinheit

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4384401B2 (ja) * 2002-11-25 2009-12-16 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4147927B2 (ja) 2002-12-09 2008-09-10 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP4598622B2 (ja) * 2005-08-01 2010-12-15 本田技研工業株式会社 ガスセンサ
JP5249506B2 (ja) * 2006-03-15 2013-07-31 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその起動方法
JP2007294189A (ja) 2006-04-24 2007-11-08 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システムおよびその制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230047145A (ko) 2023-04-06
DE102020209740A1 (de) 2022-02-03
US20230352709A1 (en) 2023-11-02
JP2023536246A (ja) 2023-08-24
JP7488956B2 (ja) 2024-05-22
CN116114090A (zh) 2023-05-12
WO2022028859A1 (de) 2022-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4189758A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, auswerteeinheit für ein brennstoffzellensystem
DE102008047389B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Online-Bestimmung und Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms in einem Brennstoffzellenstapel
DE102007059737B4 (de) Verfahren zur Bestimmung des Anodenabgasablasses sowie dazugehöriges Brennstoffzellensystem
DE102008038444B4 (de) Diagnose für Brennstoffzellenbefeuchter
DE102011108101A1 (de) Diagnose und Beseitigung eines geringen Anodenwasserstoffpartialdruckes in einem PEM-Brennstoffzellensystem
DE102011100159B4 (de) Adaptives Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzufuhrinjektors mit modellieren von Unsicherheiten in einem Brennstoffzellensystem
DE102018100106A1 (de) Verfahren zur erkennung eines gaslecks in einer brennstoffzelle
DE10057804B4 (de) Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle sowie Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle
DE102005018070A1 (de) Verfahren zur Echtzeitüberwachung und Steuerung der Kathodenstöchiometrie in einem Brennstoffzellensystem
DE112008000595T5 (de) Konzentrationsverteilungsbestimmungsvorrichtung für Verunreinigung auf Anodenseite und diese Vorrichtung verwendendes Brennstoffzellensystem
DE10231208A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems
DE102016117234A1 (de) Validierung und korrektur der schätzung der h2-konzentration an der gen 2 anode
DE102009050938A1 (de) Verfahren für Abhilfemassnahmen in dem Fall des Ausfalls der primären Luftströmungsmessvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem
WO2019105673A1 (de) Brennstoffzellensystem mit integrierten gasanschlüssen zum anschluss an eine externe prüfgasversorgung
DE112007000186T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102008047390A1 (de) Brennstoffzellensystem und Startverfahren
EP1153452A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur leistungsregelung eines brennstoffzellenstacks
DE102011109907A1 (de) Membranpermeationseinstellung in Pem-Brennstoffzellen
EP2371023A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
DE102016011140A1 (de) Verfahren zur Ermittlung einer Wasserstoffleckage
DE102008043740A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015210839A1 (de) Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels und Brennstoffzellensystem
DE112007000329T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür
DE102017220360A1 (de) Verfahren zur Bestimmung der Dichtigkeit von Stellmitteln eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug
DE102020212963A1 (de) Bestimmungsverfahren und Brennstoffzellensystem zur Schlechtgaserkennung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230303

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)