WO2017129581A1 - Verfahren zur bestimmung eines gehalts einer gaskomponente in einem durch eine brennstoffzelle rezirkulierend geförderten gasgemisch - Google Patents

Verfahren zur bestimmung eines gehalts einer gaskomponente in einem durch eine brennstoffzelle rezirkulierend geförderten gasgemisch Download PDF

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Wolfgang Hable
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a content of a gas component in a recirculating by an anode chamber or cathode chamber of a fuel cell gas mixture, wherein the promotion is carried out by a functioning according to the positive displacement conveyor.
  • the invention further relates to a fuel cell system designed for carrying out the method.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the latter include mostly supported precious metals, especially platinum.
  • gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
  • the fuel cell is formed by a large number of stacked (MEA) MEAs whose electrical powers are added together.
  • bipolar plates also called flow field plates or separator plates
  • the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
  • the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " ).
  • an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with release of electrons (H 2 -> 2 H + + 2 e " ).
  • the electrolyte or the membrane which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, there is a (water-bound or anhydrous) transport of the protons from the anode compartment into the cathode compartment Electrons are over an electrical line fed to the cathode.
  • the cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of 0 2 to 0 2 ⁇ takes place taking up the electrons (V2 0 2 + 2 e " -> 0 2 ⁇ ) at the same time, the oxygen anions react in the cathode chamber with the transported protons across the membrane to form water (O 2 "+ 2 H + -.> H 2: 0).
  • an oxygen-containing gas mixture for example air
  • the anode operating medium ie the fuel
  • the anode exhaust gas leaving the fuel cell still contains considerable amounts of the fuel, for example hydrogen.
  • the anode exhaust gas is usually recycled via a recirculation line in the fresh anode operating medium. Due to diffusion processes through the polymer electrolyte membrane of the fuel cell, however, nitrogen and water pass from the cathode side into the anode chambers of the fuel cell, so that an enrichment of these foreign components takes place in the anode gas.
  • the anode chambers are periodically purged with pure fuel and the "aged" anode gas is vented from the system.
  • the control of the recirculation rate as well as the purging operations requires knowledge of both the anode chambers flowing through and / or the recirculated
  • volume flow and the nitrogen content or the hydrogen content in the anode operating medium This should be dispensed as possible sensors, so that these sizes must be determined by means of models. This requires the combined use of two models.
  • a difficulty here is that in the model for determining the volume flow, at least indirectly, the unknown nitrogen or
  • Recirculation volume flow of the anode gas is described in DE 10 2009 019 836 A1.
  • the method involves a complex fuel cell and side jet fan model and is incapable of altering the system
  • one problem is that maps of components change over the lifetime of the component or the effects of manufacturing tolerances on the maps are not taken into account. For example, pressure losses of fuel cell stacks or of soft
  • the inventive method provides that the determination of the content of the
  • thermodynamic state variables (p, T) of the gas mixture takes place. All of these parameters or state variables are already known data or quantities, which are already recorded in today's fuel cell systems. Thus, the method allows a sufficiently accurate determination
  • composition of the recirculated anode operating gas based solely on existing / known sizes and very simple models.
  • the geometry parameters of the conveying device include a volume enclosed by the latter between a housing and a rotor and thus conveyable, as well as the design-related gap losses which the conveyed one Reduce volume.
  • the operating parameters include
  • thermodynamic state variables of the gas mixture include its pressure and its temperature, in particular the pressure and the temperature on
  • the determination of the content of the gas component as a function of a per revolution of the conveyor displaced volume which preferably as a function of the conveyor
  • a volume flow conveyed by the conveyor can be determined as the product of trapped volume and speed.
  • the volume displaced per revolution of the conveyor is also determined as a function of the gap loss of the conveyor.
  • the gap loss can be determined from a characteristic map of the conveyor in dependence on a differential pressure across the conveyor. Although the gap loss also depends slightly on the gas composition, it can be considered gap loss with a very good approximation as linear to the differential pressure, so that only a constant factor must be deposited to account for the gap loss.
  • Gap loss will improve the accuracy of determining the volume displaced per revolution of the conveyor.
  • the content of the gas component is determined as a function of a volume flow delivered by the conveyor, which is determined as a function of a volume enclosed by the conveyor, a speed and a gap loss of the conveyor.
  • the delivered volume flow can be determined only known parameters.
  • the content of the gas component is determined as a function of an electrical power consumption of the conveyor and / or a power output of the conveyor in the form of volume work.
  • the electrical power consumption can be in a simple manner as a function of a voltage and a flow of the conveyor. Due to the electrical power consumption and the power output of the conveyor easily determinable comparison variables are available, which can be determined independently of each other and in particular can be compared with each other in an iterative process.
  • the power output of the battery Preferably, in the form of volume work, the power output of the battery
  • Conveyor as a function of a funded by the conveyor volume flow determined, which in turn can be determined in the manner described above.
  • the expected power output in the first step can vary depending on
  • the expected electrical power consumption of the conveyor in the first step can be determined from the expected power output and the overall efficiency of the conveyor.
  • the expected power input or output is determined for an assumed content of the gas component (or a correlated quantity thereof).
  • the actual electrical power consumption in the second step can be determined from the measured voltage and the measured current, and the actual power output (shaft power) of the conveyor can be determined from the actual electrical power consumption via the overall efficiency of the conveyor.
  • the comparison is iterated with the corrected value for the content of the gas component or the quantity correlated therewith until the actual electric
  • Power consumption or abandonment is sufficiently consistent with the expected power consumption or output.
  • Yet another embodiment provides that at an operating point of the fuel cell in which the content of the gas component or the gas composition is sufficiently known, a review and, if necessary, correction of a model and / or characteristic field used in the method is performed. For example, after a start of the fuel cell or after a longer standstill, the gas composition and thus the gas density are well known and can be used as a starting point for the calibration. Again, the performance parameters can be determined and compared with each other in the manner described above. Depending on the size of the deviation between the two performance parameters of the conveyor compared with one another, either a calibration / adaptation can take place or even an error of the conveyor can be determined if the deviation becomes too great.
  • the correction of the model can include, for example, a redetermination of a model constant used in a mathematical model or a correction of a characteristic which is present in the model
  • Such a characteristic correction may include, for example, an offset shift and / or a changed incline or the like.
  • the recirculated gas mixture is an anode operating gas conveyed through the anode compartment of the fuel cell.
  • the content of the gas component is the fuel content (eg, hydrogen content) or nitrogen content in the anode operating gas.
  • Nitrogen or fuel content in the anode spaces of the fuel cell is used in particular for controlling an anode gas recirculation, for example for controlling the conveying means and / or a purge valve to perform purge operations due to excessive nitrogen enrichment.
  • content in the present case includes any quantity which describes the quantitative presence of the component under consideration in the gas mixture, for example
  • the method further comprises controlling the operation of the fuel cell as a function of the content of the gas component or the quantity correlated therewith.
  • the controller can be used in particular for controlling the
  • Anodengasrezirkulation done within an anode supply of the fuel cell may include the control of the conveyor or a purge valve of an anode gas purge line.
  • the invention further relates to a fuel cell system comprising a fuel cell, wherein the fuel cell system is configured to carry out the method according to the invention for determining a content of a gas component in a gas mixture recirculating through an anode chamber or cathode chamber of the fuel cell.
  • the system may in particular comprise a control device in which corresponding computer-readable algorithms are stored.
  • the control device may also include the necessary models for execution, maps, etc.
  • the vehicle is preferably an electric vehicle, in which an electrical energy generated by the fuel cell system of the supply of a
  • Electric traction motor and / or a traction battery is used.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a method for determining a hydrogen and / or nitrogen content in a gas mixture recirculated through the anode compartment of the fuel cell from FIG. 1 according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for correcting / calibrating a method in the
  • FIG. 1 shows a fuel cell system, generally designated 100, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 is part of a vehicle (not shown in detail), in particular an electric vehicle, which has an electric traction motor which is supplied with electrical energy by the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 includes as a core component a fuel cell stack 10 (also referred to herein as a fuel cell) having a plurality of stacked single cells 11 formed by alternately stacked membrane electrode assemblies (MEA) 14 and bipolar plates 15 (see FIG. 1 ).
  • a fuel cell stack 10 also referred to herein as a fuel cell
  • MEA membrane electrode assemblies
  • bipolar plates 15 see FIG. 1
  • Each individual cell 1 1 thus comprises in each case one MEA 14, which is an ion-conducting polymer electrolyte membrane (not shown here) or another
  • catalytic electrodes namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell reaction and can be formed as coatings on the membrane.
  • the anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material.
  • An anode space 12 is thus formed between a bipolar plate 15 and the anode, and the cathode space 13 is formed between the cathode and the next bipolar plate 15.
  • the bipolar plates 15 serve to supply the
  • Gas diffusion layers between the membrane-electrode assemblies 14 of the bipolar plates 15 may be arranged.
  • the fuel cell system 100 has, on the one hand, an anode supply 20 and, on the other hand, a cathode supply 30.
  • the anode supply 20 includes an anode supply path 21, which is the supply of an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, in the
  • Anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 is used.
  • the anode supply path 21 connects a fuel reservoir 23 to an anode inlet of the fuel cell stack 10.
  • Fuel cell stack 10 is adjustable via an adjusting means 24 in the anode supply path 21.
  • the anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 that removes the anode exhaust gas from the anode compartments 12 via an anode outlet of the anode exhaust
  • Fuel cell stack 10 dissipates.
  • the anode supply 20 has a recirculation line 25, which the anode exhaust gas path 22 with the
  • Anodenlaysspfad 21 connects.
  • the recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack.
  • a recirculation conveyor 26 is arranged, with which a recirculated volume flow is adjustable.
  • the anode exhaust gas path 22 is connected to a purge line 27, which opens in the example shown in a cathode exhaust path 32, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.
  • the purge line 27 can also open into the environment.
  • Water separator is combined, on the one hand allows the discharge of the anode exhaust gas via the purge line 27 and on the other hand, the deposition of condensed water.
  • the cathode supply 30 includes a cathode supply path 31, which the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10, an oxygen-containing
  • the cathode supply 30 further comprises a cathode exhaust gas path 32, which discharges the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the
  • Fuel cell stack 10 (here together with the anode exhaust gas) dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown.
  • a compressor 33 is arranged in the cathode supply path 31.
  • the compressor 33 is a
  • the compressor 33 may further be driven by a turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) disposed in the cathode exhaust path 32 to assist with a common shaft (not shown).
  • the cathode supply 30 may further comprise a wastegate line 37 which connects the cathode supply line 31 with the
  • Cathode exhaust line 32 connects, so represents a bypass of the fuel cell stack 10.
  • the wastegate conduit 37 allows excess air mass flow at the
  • An adjusting means 38 arranged in the wastegate line 37 serves to control the quantity of the cathode operating medium bypassing the fuel cell stack 10. Further adjusting means can be arranged in the lines 21, 22, 27, 31 and 32 in order to be able to isolate the fuel cell stack 10 from the environment. All adjusting means of the fuel cell system 100 may be designed as controllable or non-controllable valves or flaps.
  • the fuel cell system 100 may further include a humidifier 39.
  • the humidifier 39 is on the one hand so arranged in the cathode supply path 31, that he of the
  • Cathode operating gas can be flowed through.
  • it is arranged in the cathode exhaust path 32 so as to be permeable by the cathode exhaust gas.
  • the humidifier 39 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane in the cathode operating gas, which is moistened in this way.
  • a water separator can also be installed in the cathode exhaust gas path 32, in particular upstream of the turbine 36, in order to condense and discharge the product water resulting from the fuel cell reaction.
  • the anode operating gas in this case for example hydrogen
  • the anode exhaust gas leaving the fuel cell stack 10 via the anode exhaust gas path 22 contains substantial amounts of hydrogen, which in normal operation via the recirculation line 25 through the conveyor 26, the present is designed as a displacement machine, fed to the anode supply path 21 and thus recirculated.
  • nitrogen and product water of the fuel cell reaction diffuse out of the cathode compartments 13 into the anode compartments 12 of the fuel cell 10 via the membrane of the membrane-electrode assembly 14, these components accumulate in the anode gas, resulting in a decreasing content of hydrogen and one
  • the purge valve 28 is opened and the anode compartments 12 are purged with pure hydrogen from the fuel tank 23.
  • the fuel cell system 100 from FIG. 1 also comprises a control device 50 into which various measuring parameters are received.
  • the controller 50 includes a stored and
  • thermodynamic state variables of the recirculated gas mixture are measured and supplied to the control device 50 by suitable sensors. These include an inlet temperature ⁇ and an outlet temperature T 2 and an inlet pressure pi and an outlet pressure p 2 of the gas mixture, which are detected upstream or downstream of the conveyor 26.
  • control device 50 contains information about various geometry parameters of the conveyor 26, namely a volume V trapped therefrom and information about a gap loss abh briefly dependent on the differential pressure ⁇ above the conveyor 26. Depending on the determined content of hydrogen (or nitrogen) in the recirculated gas mixture controls the
  • Control device 50, the purge valve 28 and the conveyor 26 accordingly.
  • the method starts, for example, with the start of the fuel cell system 100 after a vehicle stop.
  • S1 a starting value for the content of the to be determined
  • Gas component or the gas composition for example, for the
  • Hydrogen content y H2 the nitrogen content y N2 or the gas density p gas of the anode gas .
  • step S2 the current values for the rotational speed n, the voltage U and the current I of the conveyor 26, as well as input and output pressure and p 2 and input and output temperature ⁇ and T 2 are read.
  • step S3 a calculation of the conveyed by the conveyor 26 takes place
  • volumetric flow V as a function of the enclosed by the conveyor between the runners and the housing volume V, the speed n and the gap loss ⁇ .
  • the volumetric flow results from the product of the enclosed volume V and the rotational speed n minus the gap loss ⁇ (Equation 1).
  • V V * n - a * ⁇ (3)
  • step S4 according to equation 4, the electric power consumption P of
  • step S5 the output power P v expected for the assumed gas density p Gas is determined, which the conveyor 26 performs in the form of volume work (compression work, "work on the gas")
  • the output power P v can be calculated as the product of the mass flow m and the difference of the specific enthalpy Ah of the gas at the entrance and be expressed at the output of the conveyor 26.
  • the output power P v according to Equation 7 results in
  • step S6 is then calculated according to equation 10 from the determined in S4 electrical
  • step S7 an adjustment then takes place, in which the output power P v from S 5 expected for the assumed gas density p gas is compared with the output power P w .
  • step S8 the gas density p gas is redetermined depending on the difference power ⁇ using the above equations. From S8, the process goes back to step S5, where the expected
  • Output power P v is recalculated using the newly determined gas density p gas and is re-balanced in S7 with the output power P w .
  • Equation 1 the sum of the proportions of all gas components is equal to 1.
  • the water content y H 2o is taken from a plate deposited in the model. (Alternatively, the water content y H2 o can be derived as a model-based variable from the operating conditions.) Similarly, the densities of hydrogen, water vapor and nitrogen in the model depending on pressure and temperature are stored, so that in the calculation only the previously determined gas density p gas received as an input.
  • the corresponding input powers can be compared with each other, that is, the current input power P e determined in S4 and those of the expected output line P v determined in S5 using the efficiencies r
  • the nitrogen content can also be determined.
  • the model has, as long as the overall efficiency n tot the conveyor / displacement machine 26 remains constant, a sufficient accuracy. In practice, however, it can come to a change in their overall efficiency n ges over the life of the conveyor, especially when the mechanical efficiency r
  • Total efficiency n tot is in accordance with equation 14 from the sum of the electrical efficiency ⁇ ⁇ ⁇ , the thermodynamic efficiency and the mechanical efficiency r meC h together, wherein the thermodynamic efficiency ⁇ ago according to Equation 15 as a function of the isentropic enthalpy difference Ah ise n and the polytropic enthalpy difference Ah p0 i y via the conveyor 26 results.
  • the method now also makes it possible to check and if necessary correct the model and / or the maps used in the method as well as to diagnose the
  • Carrying conveyor 26 A corresponding method will be explained with reference to FIG. 3 in an exemplary embodiment.
  • the diagnostic and calibration method according to FIG. 3 starts in step S1, in FIG.
  • Air atmosphere in the anode chambers 12 can be assumed.
  • the power difference ⁇ between the output power P v from S5, which is expected as a function of the gas density p gas , and the output power P w determined on the basis of the electrical power consumption P e i are compared with limit values G1 and G2.
  • the query S10 first asks whether the determined power difference ⁇ is above a first limit value G1. If this is not the case, the calibration of the system is in order and the models and maps used, in particular the
  • step S14 the process proceeds to step S14.
  • too great a deviation may indicate a mechanical bearing damage of the conveyor 26, which leads to a drastic deterioration of the mechanical efficiency r mech and thus of the
  • MEA Membrane electrode assembly
  • V Enclosed volume of conveyor / extruder machine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch einen Anodenraum (12) oder Kathodenraum (13) einer Brennstoffzelle (10) rezirkulierend geförderten Gasgemisch, wobei die Förderung durch eine nach dem Verdrängerprinzip funktionierende Fördereinrichtung (26) erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem (100). Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente in Abhängigkeit von Geometrieparametern (V, ξ ) und Betriebsparametern (n, U, I) der Fördereinrichtung (26) sowie von thermodynamischen Zustandsgrößen (p, T) des Gasgemischs. Somit kann die gesuchte Zielgröße, beispielsweise ein Wasserstoffanteil eines Anodengases, aus ohnehin bekannten oder gemessenen Größen in einfacher und robuster Weise ermittelt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch eine
Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemisch
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch einen Anodenraum oder Kathodenraum einer Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemisch, wobei die Förderung durch eine nach dem Verdrängerprinzip funktionierende Fördereinrichtung erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist getragene Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 -> 2 H+ + 2 e"). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu 02~ unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (V2 02 + 2 e" -> 02~). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2" + 2 H+ -> H20).
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird das Anodenbetriebsmedium, also der Brennstoff, im stöchiometrischen Überschuss bezüglich des erzeugten elektrischen Stroms zugeführt. Aus diesem Grund enthält das die Brennstoffzelle verlassende Anodenabgas noch erhebliche Mengen des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Um diesen nicht ungenutzt aus dem System zu entlassen, wird das Anodenabgas üblicherweise über eine Rezirkulationsleitung in das frische Anodenbetriebsmedium zurückgeführt. Aufgrund von Diffusionsprozessen durch die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle gelangen jedoch Stickstoff und Wasser von der Kathodenseite in die Anodenräume der Brennstoffzelle, sodass eine Anreicherung dieser Fremdkomponenten im Anodengas erfolgt. Aus diesem Grund werden die Anodenräume von Zeit zu Zeit mit reinem Brennstoff gespült und das„gealterte" Anodengas aus dem System abgelassen. Die Steuerung der Rezirkulationsrate als auch der Spülvorgänge erfordert die Kenntnis sowohl des die Anodenräume durchströmenden und/oder des rezirkulierten
Volumenstroms als auch des Stickstoffgehalts beziehungsweise des Wasserstoffgehalts im Anodenbetriebsmedium. Hierbei soll möglichst auf Sensoren verzichtet werden, sodass diese Größen mittels Modellen bestimmt werden müssen. Dies erfordert die kombinierte Verwendung zweier Modelle. Eine Schwierigkeit besteht dabei hierin, dass in das Modell zur Bestimmung des Volumenstroms zumindest mittelbar die unbekannte Stickstoff- beziehungsweise
Wasserstoffkonzentration eingeht und umgekehrt in dem Modell zur Bestimmung der Stickstoffbeziehungsweise Wasserstoffkonzentration der unbekannte Volumenstrom einfließt.
Eine Vorgehensweise zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und des
Rezirkulationsvolumenstroms des Anodengases ist in DE 10 2009 019 836 A1 beschrieben. In diesem Verfahren werden das Kennfeld eines Rezirkulationsgebläses und die
Druckverlustkennlinie des Brennstoffzellenstapels verwendet. In einem iterativen Prozess wird zunächst ein willkürlicher Wert für die Wasserstoffkonzentration festgelegt und in Abhängigkeit von diesem ein Zwischenwert für den Rezirkulationsvolumenstrom bestimmt. In Abhängigkeit von dem Zwischenwert des Volumenstroms wird ein Zwischenwert für die
Wasserstoffkonzentration berechnet und diese Schritte so oft wiederholt, bis der modellierte Zwischenwert für die Wasserstoffkonzentration nicht mehr signifikant von demjenigen des vorhergehenden Zyklus abweicht. Das Verfahren beinhaltet ein komplexes Brennstoffzellen- sowie Seitenstrahlgebläsemodell und vermag keine Veränderungen des Systems zu
berücksichtigen.
Unabhängig davon, auf welche Modelle beziehungsweise Kennfelder das Verfahren zur Bestimmung der zwei unbekannten Betriebsparameter zugreift, ist ein Problem darin zu sehen, dass Kennfelder von Komponenten sich über die Lebensdauer der Komponente verändern oder die Auswirkungen von Fertigungstoleranzen auf die Kennfelder nicht berücksichtigt werden. Beispielsweise weichen Druckverluste von Brennstoffzellenstapeln oder von
Rezirkulationsgebläsen aufgrund Fertigungstoleranzen voneinander ab und ändern sich über die Lebenszeit der Komponenten aufgrund von Alterung. Diese Änderungen beziehungsweise Abweichungen führen zu Modellfehlern und somit zu ungenauen Ermittlungen der unbekannten Zielgrößen. Zudem sind bekannte Modelle sehr komplex und erfordern zum Teil zusätzliche Messgrößen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und robustes Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente beziehungsweise der Zusammensetzung eines mittels einer nach dem Verdrängerprinzip funktionierenden Fördereinrichtung durch einen Anoden- oder Kathodenraum einer Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemischs zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Bestimmung des Gehalts der
Gaskomponente in Abhängigkeit von Geometrieparametern und Betriebsparametern der Fördereinrichtung sowie von thermodynamischen Zustandsgrößen (p, T) des Gasgemischs erfolgt. Bei all diesen Parametern beziehungsweise Zustandsgrößen handelt es sich um ohnehin bekannte Daten oder Größen, die ohnehin in heutigen Brennstoffzellensystemen erfasst werden. Somit erlaubt das Verfahren eine hinreichend genaue Bestimmung
beispielsweise der Zusammensetzung des rezirkulierten Anodenbetriebsgases, ausschließlich auf der Basis vorhandener/bekannter Größen und sehr einfacher Modelle.
In einer bevorzugten Ausführung umfassen die Geometrieparameter der Fördereinrichtung ein von dieser zwischen einem Gehäuse und einem Läufer eingeschlossenes und damit förderbares Volumen sowie der konstruktiv bedingten Spaltverluste, welche das geförderte Volumen reduzieren. In einer Ausführung umfassen die Betriebsparameter der
Fördereinrichtung ihre Drehzahl, ihre Spannung sowie ihren Strom. Aus den beiden
letztgenannten Parametern kann die elektrische Leistungsaufnahme bestimmt werden. In einer weiteren Ausführung umfassen die thermodynamischen Zustandsgrößen des Gasgemischs seinen Druck sowie seine Temperatur, insbesondere den Druck und die Temperatur am
Eingang der Fördereinrichtung und den Druck und die Temperatur am Ausgang der
Fördereinrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines pro Umdrehung der Fördereinrichtung verdrängten Volumens, welches vorzugsweise als Funktion des von der Fördereinrichtung
eingeschlossenen Volumens als Geometrieparameter und der Drehzahl als Betriebsparameter der Fördereinrichtung bestimmt wird. So kann in erster Näherung ein von der Fördereinrichtung geförderter Volumenstrom als Produkt aus eingeschlossenem Volumen und Drehzahl bestimmt werden.
Gemäß einer Weiterentwicklung wird das pro Umdrehung der Fördereinrichtung verdrängte Volumen ferner als Funktion des Spaltverlusts der Fördereinrichtung ermittelt. Der Spaltverlust kann dabei aus einem Kennfeld der Fördereinrichtung in Abhängigkeit eines Differenzdrucks über die Fördereinrichtung bestimmt werden. Zwar hängt der Spaltverlust auch geringfügig von der Gaszusammensetzung ab, jedoch kann er Spaltverlust mit sehr guter Näherung als linear zu dem Differenzdruck aufgefasst werden, sodass zur Berücksichtigung des Spaltverlusts lediglich ein konstanter Faktor hinterlegt werden muss. Durch die Berücksichtigung des
Spaltverlusts wird die Genauigkeit der Ermittlung des pro Umdrehung der Fördereinrichtung verdrängten Volumens verbessert werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines durch die Fördereinrichtung geförderten Volumenstroms, der in Abhängigkeit eines von der Fördereinrichtung eingeschlossenen Volumens, einer Drehzahl und eines Spaltverlusts der Fördereinrichtung ermittelt wird. So kann der geförderte Volumenstrom ausschließlich bekannter Parameter ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente in Abhängigkeit einer elektrischen Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung und/oder einer in Form von Volumenarbeit geleisteten Leistungsabgabe der Fördereinrichtung. Die elektrische Leistungsaufnahme kann dabei in einfacher Weise als Funktion einer Spannung und eines Stroms der Fördereinrichtung bestimmt werden. Durch die elektrische Leistungsaufnahme und die Leistungsabgabe der Fördereinrichtung stehen einfach ermittelbare Vergleichsgrößen zur Verfügung, die unabhängig voneinander bestimmt und insbesondere im Rahmen eines iterativen Verfahren miteinander verglichen werden können.
Vorzugsweise wird die in Form von Volumenarbeit erfolgende Leistungsabgabe der
Fördereinrichtung als Funktion eines von der Fördereinrichtung geförderten Volumenstroms bestimmt, welcher wiederum auf der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt werden kann.
Eine spezielle Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst folgende Schritte:
Ermitteln einer erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung oder einer erwarteten Leistungsabgabe in Form von Volumenarbeit der Fördereinrichtung, jeweils für einen angenommenen Gehalt der Gaskomponente oder einer hiermit korrelierenden Größe (zum Beispiel der Gasdichte);
Ermitteln einer tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme und/oder basierend auf dieser einer tatsächlichen (in Form von Volumenarbeit erfolgten) Leistungsabgabe der Fördereinrichtung;
Vergleich der erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme oder der erwarteten
Leistungsabgabe mit der tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme oder der tatsächlichen Leistungsabgabe; und
Korrektur des Gehalts der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden verglichenen Leistungen.
Die erwartete Leistungsabgabe im ersten Schritt kann in Abhängigkeit von
Geometrieparametern der Fördereinrichtung sowie von thermodynamischen Zustandsgrößen des Gasgemischs erfolgen, insbesondere in Abhängigkeit von dem Volumenstrom. Die erwartete elektrische Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung im ersten Schritt kann aus der erwarteten Leistungsabgabe und dem Gesamtwirkungsgrad der Fördereinrichtung ermittelt werden. Die Ermittlung der erwarteten Leistungsaufnahme oder -abgäbe erfolgt jeweils für einen angenommenen Gehalt der Gaskomponente (oder einer hiermit korrelierenden Größe). Die tatsächliche elektrische Leistungsaufnahme im zweiten Schritt kann aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom ermittelt werden und die tatsächliche Leistungsabgabe (Wellenleistung) der Fördereinrichtung über den Gesamtwirkungsgrad der Fördereinrichtung aus der tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme bestimmt werden. Mit anderen Worten wird einerseits eine erwartete Leistung der Fördereinrichtung in
Abhängigkeit von dem angenommenen Gehalt der Gaskomponente oder einer hiermit korrelierenden Größe (also einem Startwert) und andererseits eine tatsächliche Leistung der Fördereinrichtung basierend auf elektrischen Betriebsparametern ermittelt. Auf diese Weise können auf unabhängige Weise jeweils zwei vergleichbare Kenngrößen ermittelt werden, aus deren Differenz eine Bestätigung oder aber eine Korrektur des angenommenen Gehalts der Gaskomponente erfolgt.
Vorzugsweise wird der Vergleich mit dem korrigierten Wert für den Gehalt der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe iteriert, bis die tatsächliche elektrische
Leistungsaufnahme oder -abgäbe mit der erwarteten Leistungsaufnahme oder -abgäbe hinreichend übereinstimmt.
Noch eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle, in dem der Gehalt der Gaskomponente oder die Gaszusammensetzung hinreichend bekannt ist, eine Überprüfung und gegebenenfalls Korrektur eines im Verfahren verwendeten Modells und/oder Kennfelds durchgeführt wird. Beispielsweise sind nach einem Start der Brennstoffzelle oder nach einem längeren Stillstand die Gaszusammensetzung und damit die Gasdichte hinreichend bekannt und können als Ausgangpunkt für die Kalibrierung verwendet werden. Dabei können wiederum auf die zuvor beschriebene Weise die Leistungsparameter bestimmt und miteinander verglichen werden. In Abhängigkeit der Größe der Abweichung zwischen den beiden miteinander verglichenen Leistungsparametern der Fördereinrichtung kann entweder eine Kalibrierung/Anpassung erfolgen oder aber auch ein Fehler der Fördereinrichtung festgestellt werden, wenn die Abweichung zu groß wird.
Die Korrektur des Modells kann etwa eine Neubestimmung einer in einem Rechenmodell verwendeten Modellkonstante umfassen oder eine Korrektur einer Kennlinie, welche im
Verfahren herangezogen wird. Eine solche Kennlinienkorrektur kann etwa eine Offset- Verschiebung und/oder eine veränderte Steigung oder dergleichen umfassen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem rezirkulierten Gasgemisch um ein durch den Anodenraum der Brennstoffzelle gefördertes Anodenbetriebsgas. Insbesondere handelt es sich bei dem Gehalt der Gaskomponente um den Brennstoffgehalt (zum Beispiel Wasserstoffgehalt) oder Stickstoffgehalt in dem Anodenbetriebsgas. Die Kenntnis des
Stickstoff- oder Brennstoffgehalts in den Anodenräumen der Brennstoffzelle dient insbesondere zur Steuerung einer Anodengasrezirkulation, beispielsweise zur Steuerung des Fördermittels und/oder eines Spülventils, um Spülvorgänge aufgrund einer zu starken Stickstoffanreicherung durchzuführen. Der Begriff„Gehalt" umfasst vorliegend jegliche Größe, die das quantitative Vorliegen der betrachteten Komponente im Gasgemisch beschreibt, beispielsweise
Volumenanteil, Massenanteil, Stoffmengenanteil, Partialdruck, volumen- oder massenbezogene Konzentration etc.
Gemäß einer Ausführung umfasst das Verfahren ferner die Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von dem Gehalt der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe. Dabei kann die Steuerung insbesondere zur Steuerung der
Anodengasrezirkulation innerhalb einer Anodenversorgung der Brennstoffzelle erfolgen. Dieses kann die Steuerung der Fördereinrichtung oder eines Spülventils einer Anodengasspülleitung umfassen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle, wobei das Brennstoffzellensystem eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch einen Anodenraum oder Kathodenraum der Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemischs auszuführen. Zu diesem Zweck kann das System insbesondere eine Steuereinrichtung umfassen, in der entsprechende computerlesbare Algorithmen gespeichert vorliegen. Daneben kann die Steuereinrichtung auch die zur Ausführung notwendigen Modelle, Kennfelder etc. beinhalten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein solches Brennstoffzellensystem aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines
Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung,
Figur 2 ein Fließschema eines Verfahrens zur Bestimmung eines Wasserstoff- und/oder Stickstoffgehalts in einem durch den Anodenraum der Brennstoffzelle aus Figur 1 rezirkulierend geförderten Gasgemisch gemäß einer Ausführung der Erfindung und
Figur 3 ein Fließschema eines Verfahrens zur Korrektur/Kalibrierung eines in dem
Verfahren aus Figur 2 verwendeten Modells.
Figur 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10 (vorliegend auch nur als Brennstoffzelle bezeichnet), der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 1 1 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran- Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe
Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 1 1 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran oder einen anderen
Festelektrolyten aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der
Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 1 1 her. Optional können
Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 der Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21 , welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die
Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des
Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des
Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem
Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26 angeordnet, mit welcher ein rezirkulierter Volumenstrom einstellbar ist. Ferner ist der Anodenabgaspfad 22 mit einer Spülleitung 27 verbunden, die im dargestellten Beispiel in einen Kathodenabgaspfad 32 mündet, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden. In alternativer Ausführung kann die Spülleitung 27 auch in die Umgebung münden. Ein Spülventil 28, das im vorliegenden Beispiel mit einem
Wasserabscheider kombiniert ist, ermöglicht einerseits den Ablass des Anodenabgases über die Spülleitung 27 und andererseits die Abscheidung kondensierten Wassers.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31 , welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges
Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des
Brennstoffzellenstapels 10 (hier gemeinsam mit dem Anodenabgas) abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein
hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der
Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem
Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Weitere Stellmittel können in den Leitungen 21 , 22, 27, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können. Sämtliche Stellmittel des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner einen Befeuchter 39 aufweisen. Der Befeuchter 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem
Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Auch in dem Kathodenabgaspfad 32 kann ein Wasserabscheider verbaut sein, insbesondere stromauf der Turbine 36, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten.
Üblicherweise wird im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10 das Anodenbetriebsgas, hier beispielsweise Wasserstoff, mit einem stöchiometrischen Überschuss gegenüber dem erzeugten elektrischen Strom betrieben. Somit enthält das über den Anodenabgaspfad 22 den Brennstoffzellenstapel 10 verlassende Anodenabgas erhebliche Mengen Wasserstoff, die im Normalbetrieb über die Rezirkulationsleitung 25 durch die Fördereinrichtung 26, die vorliegend als Verdrängermaschine ausgebildet ist, in den Anodenversorgungspfad 21 eingespeist und somit rezirkuliert werden. Da jedoch über die Membran der Membran-Elektroden-Anordnung 14 Stickstoff und Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion aus den Kathodenräumen 13 in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 diffundieren, reichern sich diese Komponenten im Anodengas an mit der Folge eines abnehmenden Gehalts an Wasserstoff und eines
zunehmenden Gehalts an Stickstoff. Aus diesem Grund wird, wenn der Stickstoffgehalt zu hoch beziehungsweise der Wasserstoffgehalt zu niedrig wird, das Spülventil 28 geöffnet und die Anodenräume 12 mit purem Wasserstoff aus dem Brennstofftank 23 gespült.
Zur Steuerung des Spülventils 28, der Rezirkulationsfördereinrichtung 26 sowie auch anderer Komponenten des Systems 100 umfasst das Brennstoffzellensystem 100 aus Figur 1 ferner eine Steuereinrichtung 50, in die verschiedene Messparameter eingehen. Zum Zweck der Rezirkulationssteuerung umfasst die Steuereinrichtung 50 einen gespeicherten und
computerlesbaren Algorithmus zur Bestimmung des Gehalts von Brennstoff, hier Wasserstoff yH2, in dem durch die Anodenräume 12 der einer Brennstoffzelle 10 rezirkulierend geförderten Anodengases. Zum selben Zweck gehen in die Steuereinrichtung 50 Betriebsparameter der Fördereinrichtung 26 ein, nämlich ihre Drehzahl n, ihre Spannung U und ihr Strom I. Zudem werden durch geeignete Sensoren thermodynamische Zustandsgrößen des rezirkulierten Gasgemischs gemessen und an die Steuereinrichtung 50 geliefert. Diese umfassen eine Eingangstemperatur ΤΊ und eine Ausgangstemperatur T2 sowie einen Eingangsdruck pi und einen Ausgangsdruck p2 des Gasgemischs, welche stromauf beziehungsweise stromab von der Fördereinrichtung 26 erfasst werden. Zudem enthält die Steuereinrichtung 50 Informationen über verschiedene Geometrieparameter der Fördereinrichtung 26, nämlich einem von dieser eingeschlossenes Volumen V sowie Informationen über einen vom Differenzdruck Δρ über der Fördereinrichtung 26 abhängigen Spaltverlust ξ. In Abhängigkeit von dem ermittelten Gehalt von Wasserstoff (oder Stickstoff) in dem rezirkulierten Gasgemisch steuert die
Steuereinrichtung 50 das Spülventil 28 und die Fördereinrichtung 26 entsprechend an.
Ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung des Gehalts von Wasserstoff (oder Stickstoff) in dem rezirkulierten Gasgemisch wird in einem Ausführungsbeispiel anhand des Fließschemas in Figur 2 erläutert.
Das Verfahren startet beispielsweise mit dem Start des Brennstoffzellensystems 100 nach einem Fahrzeughalt. In S1 wird ein Startwert für den Gehalt der zu bestimmenden
Gaskomponente oder der Gaszusammensetzung angenommen, beispielsweise für den
Wasserstoffgehalt yH2, den Stickstoffgehalt yN2 oder die Gasdichte pgas des Anodengases. Da diese Grö ßen ineinander umrechenbar sind, kommt es nicht darauf an, welche dieser Grö ßen als Ausgangspunkt gewählt wird. Beispielsweise wird unmittelbar nach einem Start des Brennstoffzellensystems 100, der Wasserstoffgehalt als 1 00 % gesetzt (yH2 = 1 ,0), woraus sich für den Stickstoffanteil ein Wert von 0 % ergibt (yN2 = 0,0) und die Gasdichte pgas der von Wasserstoff entspricht.
Im anschließenden Schritt S2 werden die aktuellen Werte für die Drehzahl n, die Spannung U und den Strom I der Fördereinrichtung 26, sowie Eingangs- und Ausgangsdruck und p2 und Eingangs- und Ausgangstemperatur ΤΊ und T2 eingelesen.
In Schritt S3 erfolgt eine Berechnung des von der Fördereinrichtung 26 geförderten
Volumenstroms V als Funktion des von der Fördereinrichtung zwischen den Läufern und dem Gehäuse derselben eingeschlossenen Volumens V, der Drehzahl n sowie des Spaltverlusts ξ. Dabei ergibt sich der Volumenstrom aus dem Produkt des eingeschlossenen Volumens V und der Drehzahl n abzüglich des Spaltverlusts ξ (Gleichung 1 ). Letzterer ist abhängig von dem Differenzdruck Δρ = p2 - pi über die Fördereinrichtung 26 und kann in guter Näherung als Produkt aus Δρ und einem Geometriefaktor a der Fördereinrichtung 26 dargestellt werden (Gleichung 2), sodass sich der Volumenstrom V aus Geometrie- und Betriebsparametern der Fördereinrichtung 26 und dem Differenzdruck Δρ gemäß Gleichung 3 ergibt.
Ϋ = ν * η - ξ (1 )
ξ = f(Ap) = a * Δρ (2)
V = V * n - a * Δρ (3)
In Schritt S4 wird gemäß Gleichung 4 die elektrische Leistungsaufnahme P der
Fördereinrichtung 26 aus dem Produkt der gemessenen Spannung U und Stromstärke I bestimmt. Die so bestimmte elektrische Leistungsaufnahme entspricht der tatsächlichen Leistungsaufnahme P
Pei = U * I (4)
In Schritt S5 wird die für die angenommene Gasdichte pGas erwartete Ausgangsleistung Pv bestimmt, welche die Fördereinrichtung 26 in Form von Volumenarbeit (Kompressionsarbeit, „Arbeit am Gas") leistet. Die Ausgangsleistung Pv kann gemäß Gleichung 5 als Produkt des Massenstroms m und der Differenz der spezifischen Enthalpie Ah des Gases am Eingang und am Ausgang der Fördereinrichtung 26 ausgedrückt werden. Unter Einsatz der Definition der Dichte gemäß Gleichung 6 ergibt sich die Ausgangsleistung Pv gemäß Gleichung 7 in
Abhängigkeit von der in S1 angenommen Gasdichte pGas, dem in S3 bestimmten Volumenstrom V sowie der polytropen Enthalpiedifferenz Ah, die sich gemäß den Gleichungen 8 und 9 aus dem Eingangs- und Ausgangdruck und p2 und der Eingangs- und Ausgangstemperatur ΤΊ und T2 ergibt. R ist die allgemeine Gaskonstante (R = 8,314 J/(mol*K)).
Pv = m * Ah (5)
Figure imgf000015_0001
Pv = PGas * V * Ah(T1, T2, p1, p2) (7)
Δ1ι = ^-j- * R * (T2— 7 ) (8)
ln! 2
n = Pi
(9)
Pi
Im Schritt S6 wird dann gemäß Gleichung 10 aus der in S4 bestimmten elektrischen
Leistungsaufnahme Pei und einem mechanischen Wirkungsgrad r|meCh der Fördereinrichtung 26, der einem Kennfeld in Abhängigkeit von dem Differenzdruck Δρ entnommen wird, und dem elektrischen Wirkungsgrad ηβ, der Fördereinrichtung 26 die Ausgangsleistung Pw
(Wellenleistung) bestimmt.
Pw = Pei * eh * ει (10)
Im Schritt S7 erfolgt sodann ein Abgleich, in welchem die für die angenommene Gasdichte pGas erwartete Ausgangsleistung Pv aus S5 mit der Ausgangsleistung Pw verglichen wird.
Insbesondere wird überprüft, ob der Betrag der Differenz ΔΡ der beiden (signifikant) von Null abweicht, wobei eine gewisse Toleranz berücksichtigt wird. Ist dies der Fall, das heißt, die in Abhängigkeit der angenommenen Gasdichte pGas erwartete Ausgangsleistung Pv weicht signifikant von der aus der elektrischen Leistungsaufnahme Pei ermittelten Wellenleistung Pw ab, wird die Abfrage in S7 bejaht und geht zu Schritt S8 weiter. In S8 wird die Gasdichte pGas in Abhängigkeit von der Differenzleistung ΔΡ unter Verwendung der vorstehenden Gleichungen neu bestimmt. Von S8 geht das Verfahren zurück zu Schritt S5, in dem die erwartete
Ausgangsleistung Pv unter Verwendung der neu bestimmten Gasdichte pGas erneut berechnet wird und in S7 einem erneuten Abgleich mit der Ausgangsleistung Pw unterzogen wird.
Wird die Abfrage in S7 verneint, das heißt, die in Abhängigkeit der Gasdichte pGas erwartete Ausgangsleistung Pv stimmt hinreichend mit der aus der elektrischen Leistungsaufnahme Pei zu erwartenden Ausgangsleistung Pw überein, so bedeutet dies, dass die zuletzt zugrunde gelegte Gasdichte pGas der tatsächlichen Dichte des rezirkulierten Gasgemischs entspricht. In diesem Fall geht das Verfahren zu Schritt S9 weiter, wo der Gehalt an Wasserstoff yH2 berechnet wird. Hierfür wird von Gleichung 1 1 ausgegangen, wonach die Gasdichte pGas des Gasgemischs der Summe der Produkte aller Anteile der Gaskomponenten im Gasgemisch und ihrer Dichten entspricht, wobei gemäß Gleichung 12 die Summe der Anteile sämtlicher Gaskomponenten gleich 1 ist. Aufgelöst nach dem Gehalt an Wasserstoff yH2 ergibt sich Gleichung 13.
PH2 (P< T) + yN2 * PN2 (P, T) + yH2o * PH2O (P< T) (1 1 )
1 = YH2 + YN2 + YH2O (12)
PH2 -pGas-yH20 *(.PN2 +PH20)
VH2 (13)
Unter der Annahme, dass das Gasgemisch mit Wasserdampf gesättigt ist, das heißt, die relative Feuchtigkeit 100 % beträgt, wird der Wassergehalt yH2o einer im Modell hinterlegten Tafel entnommen. (Alternativ kann der Wassergehalt yH2o als eine modellbasierte Größe aus den Betriebsbedingungen abgeleitet werden.) Ebenso sind die Dichten von Wasserstoff, Wasserdampf und Stickstoff im Modell in Abhängigkeit von Druck und Temperatur hinterlegt, sodass in die Berechnung allein die zuvor bestimmte Gasdichte pGas als Eingangsgröße eingeht.
Es versteht sich, dass anstelle des Vergleichs der Ausgangsleistungen in Schritt S7 auch die entsprechenden Eingangsleistungen miteinander verglichen werden können, das heißt, die in S4 bestimmte aktuelle Eingangsleistung Pe, und die aus der in S5 ermittelten erwarteten Ausgangsleitung Pv unter Anwendung der Wirkungsgrade r|mech(Ap) und ηβ, ermittelte, zu erwartende elektrische Eingangsleistung. Ferner lassen sich anstelle des Wasserstoffgehalts oder zusätzlich hierzu auch der Stickstoffgehalt bestimmen.
Das Modell hat, solange der Gesamtwirkungsgrad nges der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine 26 konstant bleibt, eine hinreichende Genauigkeit. In der Praxis kann es jedoch über die Lebensdauer der Fördereinrichtung zu einer Veränderung ihres Gesamtwirkungsgrads nges kommen, insbesondere wenn sich der mechanische Wirkungsgrad r|meCh ändert. Der
Gesamtwirkungsgrad nges setzt sich gemäß Gleichung 14 aus der Summe des elektrischen Wirkungsgrads ηβι, des thermodynamischen Wirkungsgrads und des mechanischen Wirkungsgrads r|meCh zusammen, wobei sich der thermodynamische Wirkungsgrad ^her gemäß Gleichung 15 in Abhängigkeit von der isentropen Enthalpiedifferenz Ahisen und der polytropen Enthalpiedifferenz Ahp0iy über die Fördereinrichtung 26 ergibt.
Vges Vel * Vther * Vmech (14)
Vther = = (^) (15)
Das Verfahren ermöglicht nun ferner, eine Überprüfung und gegebenenfalls Korrektur des im Verfahren verwendeten Modells und/oder der Kennfelder sowie eine Diagnose der
Fördereinrichtung 26 durchzuführen. Ein entsprechendes Verfahren wird anhand von Figur 3 in einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Das Diagnose- und Kalibrierverfahren gemäß Figur 3 startet in Schritt S1 , in einem
Betriebspunkt, in dem die Gaszusammensetzung und damit die Gasdichte pGas hinreichend bekannt ist. Dies ist beispielsweise unmittelbar nach einem Start der Brennstoffzelle 10 der Fall, wenn nämlich das Anodenbetriebsgas zu 100 % aus Wasserstoff besteht, oder nach einer längeren Abstellphase, wenn aufgrund von Diffusionsprozessen von einer reinen
Luftatmosphäre in den Anodenräumen 12 ausgegangen werden kann.
Es schließen die Schritte S2 bis S6 an, die denen aus Figur 2 entsprechen und im Einzelnen nicht noch einmal erläutert werden.
Anders als in Figur 2 wird jedoch die Leistungsdifferenz ΔΡ zwischen der in Abhängigkeit von der Gasdichte pGas erwarteten Ausgangsleistung Pv aus S5 und der basierend auf der elektrischen Leistungsaufnahme Pei ermittelten Ausgangsleistung Pw mit Grenzwerten G1 und G2 verglichen. So wird in der Abfrage S10 zunächst gefragt, ob die ermittelte Leistungsdifferenz ΔΡ oberhalb eines ersten Grenzwerts G1 liegt. Ist dies nicht der Fall, ist die Kalibrierung des Systems in Ordnung und die verwendeten Modelle und Kennfelder, insbesondere die
Wirkungsgradabhängigkeit in S6, sind hinreichend genau. In diesem Fall endet das Verfahren in Schritt S1 1 .
Wird in S10 anderseits festgestellt, dass die Leistungsdifferenz ΔΡ den ersten Grenzwert G1 überschreitet, wird in der nächsten Abfrage in S12 untersucht, ob ΔΡ im Bereich zwischen dem ersten Grenzwert G1 und einem zweiten, höheren Grenzwert G2 liegt. Ist dies der Fall, ist die Abweichung noch in einem akzeptablen Bereich, erfordert jedoch eine Kalibrierung des verwendeten Modells, insbesondere des Gesamtwirkungsgrads nges. Dieses erfolgt im Schritt S13.
Wird die Abfrage in S12 jedoch verneint, das heißt, ΔΡ liegt oberhalb von G2, geht das Verfahren zu Schritt S14 weiter. Beispielsweise kann eine zu große Abweichung auf einen mechanischen Lagerschaden der Fördereinrichtung 26 hinweisen, die zu einer drastischen Verschlechterung des mechanischen Wirkungsgrads r mech und damit des
Gesamtwirkungsgrads nges geführt hat. In diesem Fall ist eine Kalibrierung des Systems nicht mehr möglich und es wird ein Fehler festgestellt, der beispielsweise in einem Fehlerspeicher des Fahrzeugs gespeichert wird und/oder als Fehlermeldung optisch oder akustisch angezeigt wird.
Bezugszeichenliste Brennstoffzellensystem Brennstoffzellenstapel / Brennstoffzelle
Einzelzelle
Anodenraum
Kathodenraum
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) Anodenversorgung
Anodenversorgungspfad
Anodenabgaspfad
Brennstofftank
Stellmittel
Rezirkulationsleitung
Rezirkulationsfördereinrichtung / Verdrängermaschine Spülleitung
Spülventil Kathodenversorgung
Kathodenversorgungspfad
Kathodenabgaspfad
Verdichter
Elektromotor
Leistungselektronik
Turbine
Wastegate-Leitung
Stellmittel
Befeuchter
Steuereinrichtung V Volumenstrom
V eingeschlossenes Volumen der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
ξ Spaltverlust
a Spaltverlustfaktor
n Drehzahl der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
U Spannung der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
I Strom der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
Ϊ! Temperatur des Gasgemischs am Eingang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
T2 Temperatur des Gasgemischs am Ausgang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
P! Druck am Eingang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
p2 Druck am Ausgang der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
Δρ Differenzdruck über Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
Pei elektrische Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
Pv erwartete aufgrund Volumenarbeit am Gasgemisch gelieferte Ausgangsleistung der
Fördereinrichtung/Verdrängermaschine (bestimmt aus Gasdichte)
Pw tatsächliche aufgrund Volumenarbeit am Gasgemisch gelieferte Ausgangsleistung /
Wellenleistung der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine (bestimmt aus elektrischer
Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad)
m Massenstrom
Ah spezifische Enthalpiedifferenz
R allgemeine Gaskonstante, R = 8,314 J/(K mol)
r\Ges Gesamtwirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
ηβι elektrischer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
r|th thermodynamischer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
r|mech mechanischer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung/Verdrängermaschine
p Dichte
pGas Dichte des Gasgemischs
yH2 Gehalt/Partialdruck/Stoffmengenanteil von Wasserstoff im Gasgemisch
yN2 Gehalt/Partialdruck/Stoffmengenanteil von Stickstoff im Gasgemisch
yH2o Gehalt/Partialdruck/Stoffmengenanteil von Wasserdampf im Gasgemisch

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente (yH2) in einem durch einen Anodenraum (1 2) oder Kathodenraum (13) einer Brennstoffzelle (10)
rezirkulierend geförderten Gasgemisch, wobei die Förderung durch eine nach dem Verdrängerprinzip funktionierende Fördereinrichtung (26) erfolgt, dadurch
gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente in Abhängigkeit von Geometrieparametern (V, ξ) der Fördereinrichtung (26) und Betriebsparametern (n, U, I) der Fördereinrichtung (26) sowie von thermodynamischen Zustandsgrö ßen (p, T) des Gasgemischs erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des
Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines pro Umdrehung der Fördereinrichtung geförderten Volumens erfolgt, welches vorzugsweise als Funktion des von der
Fördereinrichtung (26) eingeschlossenen Volumens (V) und der Drehzahl (n) der Fördereinrichtung (26) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das pro Umdrehung der Fördereinrichtung geförderte Volumen ferner als Funktion eines Spaltverlusts (ξ) der Fördereinrichtung (26) bestimmt wird, der vorzugsweise in Abhängigkeit eines
Differenzdrucks (Δρ) über die Fördereinrichtung (26) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion eines durch die
Fördereinrichtung (26) geförderten Volumenstroms (V) erfolgt, der in Abhängigkeit eines von der Fördereinrichtung (26) eingeschlossenen Volumens (V), einer Drehzahl (n) und eines Spaltverlusts (ξ) der Fördereinrichtung (26) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Gehalts der Gaskomponente als Funktion einer elektrischen Leistungsaufnahme (Pei) und/oder einer in Form von Volumenarbeit geleisteten elektrischen Leistungsabgabe (Pv) der der Fördereinrichtung (26) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsabgabe (Pv) als Funktion eines von der Fördereinrichtung (26) geförderten Volumenstroms (V) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, umfassend die Schritte;
Ermitteln einer erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme der Fördereinrichtung
(26) oder einer erwarteten Leistungsabgabe (Pv) der Fördereinrichtung (26) in Form von Volumenarbeit, jeweils für einen angenommenen Gehalt (yH2) der
Gaskomponente oder einer hiermit korrelierenden Größe (pgas) ;
Ermitteln einer tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme (Pei) und/oder basierend auf dieser einen tatsächlichen Leistungsabgabe (Pw) der
Fördereinrichtung;
Vergleich der erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme oder der erwarteten Leistungsabgabe (Pv) mit der tatsächlichen elektrischen Leistungsaufnahme (Pei) oder der tatsächlichen Leistungsabgabe (Pw); und
Korrektur des Gehalts (yH2) der Gaskomponente oder der mit dieser korrelierenden Größe (pgas) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den beiden verglichenen Leistungen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich mit dem
korrigierten Wert für die Gaszusammensetzung iteriert wird, bis die tatsächliche elektrische Leistungsaufnahme (Pel) oder die tatsächliche Leistungsabgabe (Pw) mit der erwarteten elektrischen Leistungsaufnahme oder der erwarteten Leistungsabgabe (Pv) hinreichend übereinstimmt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle (10), in dem der Gehalt der Gaskomponente (yH2) oder die Gaszusammensetzung hinreichend bekannt ist, eine Überprüfung und gegebenenfalls Korrektur eines im Verfahren verwendeten Modells und/oder Kennfelds durchgeführt wird.
10. Brennstoffzellensystem (100) umfassend eine Brennstoffzelle (10), wobei das
Brennstoffzellensystem (100) eingerichtet ist, ein Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente (yH2) in einem durch einen Anodenraum (12) oder Kathodenraum (13) der Brennstoffzelle (10) rezirkulierend geförderten Gasgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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