EP4256634A1 - Brennstoffzellensystem mit abluftmassenstromermittlung - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit abluftmassenstromermittlung

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EP4256634A1
EP4256634A1 EP21823798.0A EP21823798A EP4256634A1 EP 4256634 A1 EP4256634 A1 EP 4256634A1 EP 21823798 A EP21823798 A EP 21823798A EP 4256634 A1 EP4256634 A1 EP 4256634A1
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EP
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turbine
exhaust air
fuel cell
control unit
pressure
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Application number
EP21823798.0A
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Inventor
Wolfgang Sander
Tobias Reinhard OTT
Andreas Knoop
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell and a method for operating a fuel cell system.
  • a temperature detection unit is preferably arranged at a turbine inlet or upstream of the turbine inlet for detecting the temperature of exhaust air flowing into the turbine, the control unit being designed to determine an absolute mass flow from the reduced mass flow while knowing the temperature. As a result, the actual mass flow can be compared with a specified minimum mass flow and regulated accordingly. This can be useful in particular for monitoring the safe operation of the fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the fuel cell system.

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystemweist mindestens eine Brennstoffzelle, eine Oxidantleitung, einen Verdichter, eine Abluftleitung, eine in der Abluftleitung angeordnete Turbine, die mit dem Verdichter gekoppelt ist, eine mit der Abluftleitung verbundene Anodenspülleitung mit einem Anodenspülventil und eine Steuereinheit. Das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassungseinheit an einem Turbineneingang oder stromaufwärts vor dem Turbineneingang zum Erfassen der Temperatur von in die Turbine strömendem Abluft angeordnet ist, dass eine Druckerfassungseinheit zumindest mit dem Turbineneingang oder einer stromaufwärts liegenden Komponente gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, einen Druck des in der die Turbine strömenden Abluft zu erfassen, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, aus der gemessenen Temperatur der Abluft, dem Druck vor der Turbine und eines vorgegebenen Turbinenkennfeldes einen momentanen Massenstrom der Abluft zu ermitteln und dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Verdichter und/oder die Turbine zum Erreichen eines Mindestmassenstroms der Abluft anzusteuern.

Description

Beschreibung
Titel:
Brennstoffzellensystem mit Abluftmassenstromermittlung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Es sind Fahrzeuge bekannt, bei denen elektrische Leistung durch ein Brennstoffzellensystem geliefert wird, durch die Antriebsmotoren versorgt werden. Dabei wird Wasserstoff mit einem Oxidanten, in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft, katalytisch zu Wasser verbunden, wobei elektrische Leistung geliefert wird. Die Umgebungsluft wird mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems einem Kathodenpfad der Brennstoffzellen zugeführt. Der Luftstrom im Kathodenpfad transportiert zudem das durch Reaktion entstehende Wasser in Form von Wasserdampf oder flüssig in Tröpfchenform. Sauerstoffabgereicherte feuchte Kathoden ab lüft wird über einen Abluftpfad an die Umgebung abgeführt.
Meist werden in diesen Abluftmassenstrom noch Spülgas und Wasser aus einem Anodenpfad eingeleitet. Zum sicheren Betrieb der Anodenseite einer Brennstoffzelle ist es notwendig, Stickstoff, der während des Betriebs über eine Membran- Elektroden- Einheit von der Kathode auf die Anode übertritt und sich bildende Kondensate zu entfernen. Das Entfernen von Stickstoff wird auch „Purge“ und das Entfernen von Wasser „Drain“ genannt. Purge und Drain erfolgt in der Regel auf die Kathodenauslassseite der Brennstoffzelle. Prinzipbedingt kann hierbei allerdings nicht verhindert werden, dass neben dem gewünschten Stickstoff und Wasser auch unerwünscht Wasserstoff auf die Kathodenauslassseite in die Abluftleitung gelangt. Aus Gründen der Sicherheit muss gewährleistet werden, dass die durchschnittliche Wasserstoffkonzentration im der Kathoden-Abluft einen bestimmten Wert, beispielsweise 4 Vol.%, nicht überschreitet. Um dies sicherzustellen, muss für die beim Purge und Drain maximal mögliche Wasserstoffmenge, eine ausreichend große Abluftmenge für deren Verdünnung zur Verfügung stehen. Bei Brennstoffzellensystemen erfolgt in der Regel die Luftmassenmessung nach dem Kalorischen oder Differenzdruck- Prinzip. Die Notwendigkeit, die vorgegebene maximale durchschnittliche Wasserstoffkonzentration im Abluft nicht zu überschreiten, ist eine zertifizierungsrelevante Sicherheitsfunktion.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, bei dem eine ausreichende Verdünnung von aus einer Anode gespültem Wasserstoff in einem Abluft zuverlässig erreicht wird, auch wenn Massenstromsensoren oder ähnliches einen Defekt aufweisen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, eine Oxidantleitung, einen Verdichter, eine Abluftleitung, eine in der Abluftleitung angeordnete Turbine, die mit dem Verdichter gekoppelt ist, eine mit der Abluftleitung verbundene Anodenspülleitung mit einem Anodenspülventil und eine Steuereinheit. Das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerfassungseinheit zumindest mit dem Turbineneingang oder einer stromaufwärts liegenden Komponente gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, einen Druck des in die Turbine strömende Abluft zu erfassen, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, aus dem gemessenen Druck vor der Turbine und eines vorgegebenen Turbinenkennfeldes einen reduzierten Massenstrom der Abluft zu ermitteln und dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Verdichter und/oder die Turbine zum Erreichen eines Mindestmassenstroms der Abluft anzusteuern. Die mindestens eine Brennstoffzelle könnte eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle sein. Diese wird anodenseitig mit Wasserstoff oder einem Wasserstoff aufweisenden Gas und kathodenseitig mit Sauerstoff oder einem Sauerstoff aufweisenden Gas versorgt. Beim Betrieb fällt hauptsächlich an der Kathode Wasser an, welches über die Abluftleitung in die Umgebung gelangt. Als Oxidant könnte sich für den Betrieb in einem Fahrzeug insbesondere Luft anbieten, sodass die Oxidantleitung insbesondere eine Luftleitung sein kann.
Das Anodenspülventil durch die Steuereinheit angesteuert sein und bedarfsweise das Spülen der Anode (sogenanntes „Purge und Drain“) veranlassen. Dies bedeutet, dass die Anode durchspült wird, um insbesondere Stickstoff und flüssiges Wasser aus der Anode bzw. damit in Fluidverbindung befindlicher Komponenten herauszuspülen. Dadurch wird neben Wasser und Stickstoff auch Wasserstoff in die Abluftleitung gelangen. Das Anodenspülventil ist stromabwärts eines Anodenauslasses angeordnet und könnte auch in einem Rezirkulationspfad für Wasserstoff vorgesehen sein.
Ein Kerngedanke der Erfindung basiert darauf, zusätzlich oder alternativ zu einer direkten Erfassung eines absoluten Massenstroms der Zuluft zum Begrenzen einer Konzentration des Wasserstoffs in der Abluft eine Ermittlung zumindest des reduzierten Massenstroms aus anderen gemessenen Parametern durchzuführen, wobei hierzu ein bekanntes Kennfeld der Turbine verwendet wird. Das Turbinenkennfeld kennzeichnet ein Betriebsverhalten der Turbine und stellt dabei einen reduzierten Massenstrom über einem Druckverhältnis der Turbine bei einer bestimmten Bezugstemperatur dar. Das Turbinenkennfeld kann durch verschiedene Größen beeinflusst werden, welche unter anderem die Größe des Turbinenrades, des Turbinengehäuses, der Turbinengeometrie und andere umfassen. Eine sogenannte Schluck-Charakteristik der Turbine ist eine Funktion des reduzierten Massenstroms, des Expansionsverhältnisses und der Drehzahl der Turbine sein. Der reduzierte Massenstrom dient der Vergleichbarkeit von Kennfeldern, welche bei unterschiedlichen Turbineneingangsbedingungen entstehen.
Durch die Erfassung zumindest eines Drucks am Turbineneingang oder einer stromaufwärts liegenden Komponente in der Abluftleitung kann bei Kenntnis oder Annahme des Umgebungsdrucks und des Druckabfalls im Abluftsystems ein Expansionsverhältnis über der Turbine bestimmt werden. Bei Kenntnis einer Turbinendrehzahl könnte hierauf basierend ein momentaner Betriebspunkt auf dem Turbinenkennfeld identifiziert werden. Dieser erlaubt die Bestimmung des reduzierten Massenstroms. Bei Kenntnis der Temperatur vor dem Eintritt in die Turbine wird zusätzlich die Berechnung des tatsächlichen Massenstroms ermöglicht. Die Kenntnis des reduzierten Massenstroms könnte indes ausreichen, um bei vorgegebenen Grenzen eines bekannten Brennstoffzellensystems mit bekannten Betriebseigenschaften innerhalb des Turbinenkennfeldes einen Mindestmassenstrom zu gewährleisten.
In einem einfachen Fall könnten sämtliche erforderlichen Parameter gemessen werden. Dies umfasst folglich auch das Messen eines Drucks an einem Turbinenauslass sowie die Drehzahl der Turbine. Parameter wie der Druck stromabwärts der Turbine könnten auf Basis von experimentell ermittelten Betriebsverhalten des Brennstoffzellensystems auch berechnet werden.
Bevorzugt ist eine Temperaturerfassungseinheit an einem Turbineneingang oder stromaufwärts vor dem Turbineneingang zum Erfassen der Temperatur von in die Turbine strömendem Abluft angeordnet, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, unter Kenntnis der Temperatur aus dem reduzierten Massenstrom einen absoluten Massenstrom zu ermitteln. Dadurch kann der tatsächliche Massenstrom mit einem vorgegebenen Mindestmassenstrom verglichen und entsprechend geregelt werden. Dies kann insbesondere zur Überwachung des sicheren Betriebs des Brennstoffzellensystems sinnvoll sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Anodenspülventil so anzusteuern, dass eine bei diesem Vorgang maximal mögliche Wasserstoffmenge von dem momentanen Massenstrom sicher verdünnt werden kann. Dadurch kann direkt die Konzentration von Wasserstoff in dem Abluft begrenzt werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn der Verdichter zusätzlich mit einem Elektromotor verbunden ist, wobei der Elektromotor dazu ausgebildet ist, ein Drehzahlsignal bereitzustellen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Ermittlung des momentanen Massenstroms durch das Drehzahlsignal zu stützen. Wie vorangehend erläutert wird dadurch das Auffinden des momentanen Betriebspunkts der Turbine in dem Turbinenkennfeld erleichtert. Der Verdichter könnte mit einem Elektromotor verbunden sein, der über einen Inverter mit der mindestens einen Brennstoffzelle gekoppelt ist. Durch die Verwendung einer Turbine in Kombination mit dem Elektromotor kann die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter verbessert werden. Insbesondere moderne bürstenlose Elektromotoren erlauben eine einfache Übermittlung einer momentanen Drehzahl.
Besonders vorteilhaft ist, wenn bei bekannten Umgebungsdruck und bekannter Druckabfallcharakteristik der Abluftanlage der Druck am Turbinenauslass berechnet wird. Mit Hilfe einer Druckmessung am Turbineneingang kann dann das Expansionsverhältnis über die Turbine ebenfalls berechnet werden. Alternativ dazu kann die Druckerfassungseinheit auch beispielsweise zwei Drucksensoren aufweisen, (einen am Turbineneingang und einen am Turbinenausgang. Dadurch kann das Expansionsverhältnis ermittelt werden. Denn das Steuergerät des Brennstoffzellensystem erfasst auf jeden Fall den Umgebungsdruck. Mit dieser Information und einem Relativdruck kann dann der Absolutdruck berechnet werden. Es ist insoweit unerheblich ob Absolut- oder Relativdrucksensoren zum Einsatz kommen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, ein Expansionsverhältnis über die Turbine aus dem Druck am Turbineneingang und einem Berechnungswert des Drucks am Turbinenausgang zu ermitteln. Bei bekanntem Betriebsverhalten des Brennstoffzellensystems reicht die Kenntnis des Drucks an dem Turbineneingang aus, um das Expansionsverhältnis zu bestimmen. Insbesondere bei direkter Kopplung des Turbinenausgangs mit der Umgebung oder bei Verwendung eines ohnehin in der Abluftleitung angeordneten Drucksensors kann das tatsächliche Expansionsverhältnis über der Turbine ermittelt werden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Umgebungsdrucks zu ermitteln. Der zwischen dem Turbinenausgang und der Umgebung befindliche Strömungsweg weist einen von der Ausgestaltung abhängigen Strömungswiderstand auf. Bei der Ermittlung des Massenstroms könnte iterativ durch einzelne aufeinanderfolgende Berechnungsschritte eine Druckdifferenz über den genannten Strömungswert ermittelt werden, der insbesondere von einem in einem vorherigen Berechnungsschritt ermittelten Massenstrom abhängt.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Unterschreiten einer Grenzlinie in dem Turbinenkennfeld zu ermitteln, um das Erreichen des Mindestmassenstroms zu validieren. Hierzu ist die Berechnung des tatsächlichen Massenstroms nicht erforderlich, sodass die Temperatur am Turbineneingang nicht zwangsläufig gemessen werden muss. Die Grenzlinie bezieht sich dabei lediglich auf den reduzierten Massenstrom.
Die Steuereinheit könnte ferner dazu ausgebildet sein, zur Ermittlung des Massenstroms eine modellbasierte Simulation der Turbine auszuführen, die zumindest mittels des gemessenen Drucks und der gemessenen Temperatur der tatsächlichen Turbine nachgeführt wird. Die Simulation kann eine numerische Simulation sein, die ein vereinfachtes Abbild des Brennstoffzellensystems darstellt. Sie könnte dazu ausgebildet sein, insbesondere die Turbine mathematisch darzustellen. Durch Nachführen des Modells mittels gemessener Parameter können nicht gemessene, unbekannte Parameter aus der Simulation erhalten werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, einer Oxidantleitung, einem Verdichter, einer Abluftleitung, einer in der Abluftleitung angeordneten Turbine, die mit dem Verdichter gekoppelt ist, einer mit der Abluftleitung verbundene Anodenspülleitung mit einem Anodenspülventil und einer Steuereinheit. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerfassungseinheit zumindest mit dem Turbineneingang oder einer stromaufwärts liegenden Komponente gekoppelt ist und einen Druck der in die Turbine strömenden Abluft erfasst, dass die Steuereinheit aus dem Druck vor der Turbine und eines vorgegebenen Turbinenkennfeldes einen reduzierten Massenstrom der Abluft ermittelt und dass die Steuereinheit den Verdichter und/oder die Turbine zum Erreichen eines Mindestmassenstroms der Abluft ansteuert. Die vorangehend zu dem System dargelegten Merkmale sind dabei in analoger Form durch das Verfahren zu realisieren. Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems.
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Schluck-Charakteristik der Turbine.
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Grenzlinie in einem Kennfeld der Turbine ohne Berücksichtigung der Turbinendrehzahl.
Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 in einer schematischen Darstellung. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzelle 4 auf, die einen Lufteinlass 6, einen Abluftauslass 8, einen Wasserstoffeinlass 10 und einen Wasserstoffauslass 12 aufweist. Der Lufteinlass 6 ist über ein erstes Ausschaltventil 14 mit einer als Luftleitung 16 ausgeführten Oxidantleitung verbunden. Das erste Ausschaltventil 14 kann eine Luftzufuhr an die Brennstoffzelle 4 ermöglichen und bei Bedarf unterbinden. Ein Zwischenkühler 18 kühlt verdichtete Luft, bevor sie in die Brennstoffzelle 4 gerät. Luft gelangt aus der Umgebung 20 beispielhaft über einen Partikelfilter 22 in einen Verdichter 24. Dieser ist beispielhaft mit einem Elektromotor 26 gekoppelt, der über einen Inverter 28 mit elektrischer Spannung versorgt wird, welcher beispielsweise von der Brennstoffzelle 4 bereitgestellt wird.
Der Verdichter 24 ist ferner mit einer Turbine 30 gekoppelt, die in einer Abluftleitung 32 angeordnet ist und einen Turbineneingang 31 und einen Turbinenausgang 33 aufweist. Die Abluftleitung 32 ist über ein zweites Ausschaltventil 34 dem Kathodenauslass 8 nachgeordnet. Zwischen der Luftleitung 16 und der Abluftleitung 32 ist weiterhin ein Kathodenbypass 36 vorgesehen, der über ein erstes Bypassventil 38 selektiv aktivierbar ist. Hinter der Turbine 30 ist die Abluftanlage 23 angeordnet.
Ein Anodenspülventil 46 ist mit dem Anodenauslass 12 und der Abluftleitung 35 gekoppelt, um bedarfsweise Stickstoff und Wasser aus dem Anodenauslass 12 über eine Anodenspülleitung 47 in die Abluftleitung 32 zu spülen. Weiterhin wird Wasserstoff, der an dem Anodenauslass 12 vorliegt, über einen zweiten Verdichter 48 und eine Strahlpumpe 50 zu dem Anodeneinlass 10 rezirkuliert. Hierbei wird frischer Wasserstoff von einem nicht dargestellten Drucktank 51 über ein Drosselventil 52 beigemischt.
Eine Steuereinheit 54 ist bevorzugt mit sämtlichen aktiven Elementen gekoppelt, d.h. den Ventilen 14, 34, 38, 42, 52 sowie dem Inverter 28, und ist dazu ausgebildet, durch Ansteuerung dieser Komponenten den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 zu steuern. Ferner ist die Steuereinheit exemplarisch mit einem ersten Drucksensor 56 stromaufwärts der Turbine 30 gekoppelt, sowie mit einem zweiten Drucksensor 58 stromabwärts der Turbine 30. Stromaufwärts der Turbine ist ferner ein Temperatursensor 60 angeordnet, der ebenfalls mit der Steuereinheit 54 verbunden ist.
Die Steuereinheit 54 ist dazu ausgebildet, aus der gemessenen Temperatur der Abluft in der Abluftleitung 32, dem Druck vor der Turbine 30 und eines zu der Turbine 30 gehörigen Turbinenkennfeldes einen momentanen Massenstrom der Abluft zu ermitteln. Der Steuereinheit 54 wird folglich ermöglicht, das Ventil 46 in Abhängigkeit vom momentanen Massenstrom anzusteuern, dass beim Spülen der Anode der Brennstoffzelle 4 die Wasserstoffkonzentration in der Abluft einen bestimmten Wert, beispielsweise 4%, nicht übersteigt.
Der Inverter 28 und/oder der Elektromotor 26 können ferner dazu ausgebildet sein, der Steuereinheit 54 ein Drehzahlsignal zu übermitteln. Hierdurch wird der Steuereinheit 54 vereinfacht, aus dem Turbinenkennfeld eine passende Kennlinie auszuwählen.
Figur 2 zeigt exemplarisch eine Schluckcharakteristik der Turbine 30. Hier sind mehrere Kurven 62a bis 62f angegeben. Jede dieser Kennlinien ist für eine spezifische Drehzahl der Turbine 30 generiert. Die y- Achse zeigt das Expansionsverhältnis über der Turbine 30, während die x-Achse für den reduzierten Massenstrom bei einer Referenztemperatur steht. Anhand der Kenntnis einer Drehzahl sowie des Expansionsverhältnisses kann folglich der reduzierte Massenstrom abgelesen werden. Über die Umrechnung, wie vorangehend dargelegt, kann unter Kenntnis der tatsächlichen Temperatur in der Abluftleitung 32, gemessen durch den Temperatursensor 60, und des Drucks vor der Turbine 30, gemessen durch den ersten Drucksensor 56, der tatsächliche Massenstrom berechnet werden.
Figur 3 zeigt eine mögliche Grenzlinie 64, die zum Reduzieren der Wasserstoffkonzentration nicht nach links bzw. nach oben überschritten werden sollte, wozu kein bzw. kein sinnvolles Drehzahlsignal vorliegen muss.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (2), aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (4), eine Oxidantleitung (16), einen Verdichter (24), eine Abluftleitung (32), eine in der Abluftleitung (32) angeordnete Turbine (30), die mit dem Verdichter (24) gekoppelt ist, eine mit der Abluftleitung (32) verbundene Anodenspülleitung (47) mit einem Anodenspülventil (46) und eine Steuereinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerfassungseinheit (56, 58) zumindest mit dem Turbineneingang (31) oder einer stromaufwärts liegenden Komponente gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, einen Druck des in die Turbine (30) strömenden Abluft zu erfassen, dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, zumindest aus dem Druck vor der Turbine (30) und eines vorgegebenen Turbinenkennfeldes einen reduzierten Massenstrom der Abluft zu ermitteln und dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, den Verdichter (24) und/oder die Turbine (30) zum Einhalten einer maximalen Wasserstoffkonzentration anzusteuern.
2. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassungseinheit (60) an einem Turbineneingang (31) oder stromaufwärts vor dem Turbineneingang (31) zum Erfassen der Temperatur von in die Turbine (30) strömendem Abluft angeordnet ist, und dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, unter Kenntnis der Temperatur aus dem reduzierten Massenstrom einen absoluten Massenstrom zu ermitteln.
3. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, das Anodenspülventil (46) anzusteuern und den Massenstrom beim Spülen einer Anode der mindestens einen Brennstoffzelle (4) zu regeln.
4. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) zusätzlich mit einem Elektromotor (26) verbunden ist, wobei der Elektromotor (26) dazu ausgebildet ist, ein Drehzahlsignal bereitzustellen, und dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, die Ermittlung des momentanen Massenstroms durch das Drehzahlsignal zu stützen.
5. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerfassungseinheit (56, 58) einen Differenzdrucksensor oder zwei Drucksensoren (56, 58) aufweist und dazu ausgebildet ist, den Druckabfall zwischen dem Turbineneingang (31) und einem Turbinenausgang (33) zu erfassen.
6. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, einen Expansionsverhältnis über die Turbine (30) aus dem Druck am Turbineneingang (31) und einem Schätzwert des Drucks am Turbinenausgang (33) zu ermitteln.
7. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, den Schätzwert durch einen mithilfe eines Umgebungsdrucksensors gemessenen Umgebungsdrucks und der bekannten Druckabfallcharakteristik der Abluftanlage berechneten Wert zu ersetzen.
8. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, das Unterschreiten einer Grenzlinie (64) in dem Turbinenkennfeld zu ermitteln, um das Erreichen des Mindestmassenstroms zu validieren.
9. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (54) dazu ausgebildet ist, zur Ermittlung des Massenstroms eine modellbasierte Simulation der Turbine auszuführen, die zumindest mittels des gemessenen Drucks und der gemessenen Temperatur der tatsächlichen Turbine (30) nachgeführt wird.
10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2) mit mindestens einer Brennstoffzelle (4), einer Oxidantleitung (16), einem Verdichter (24), einer Abluftleitung (32), einer in der Abluftleitung (32) angeordneten Turbine (30), die mit dem Verdichter (24) gekoppelt ist, einer mit der Abluftleitung (32) verbundene Anodenspülleitung (47) mit einem Anodenspülventil (46) und einer Steuereinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerfassungseinheit (56, 58) zumindest mit dem Turbineneingang (31) oder einer stromaufwärts liegenden Komponente gekoppelt ist und einen Druck des in die Turbine (30) strömenden Abluft erfasst, dass die Steuereinheit (54) aus dem Druck vor der
Turbine (30) und eines vorgegebenen Turbinenkennfeldes einen reduzierten Massenstrom der Abluft ermittelt und dass die Steuereinheit (54) den Verdichter und/oder die Turbine (30) zum Erreichen eines Mindestmassenstroms der Abluft ansteuert.
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DE102016201265A1 (de) * 2016-01-28 2017-08-03 Volkswagen Ag Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch eine Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemisch
DE102017214726A1 (de) * 2017-08-23 2019-02-28 Audi Ag Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlmittelkreislaufs eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug

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