WO2021003511A1 - Ermittlungsvorrichtung und verfahren zum berechnen eines feuchtewertes in einem brennstoffzellensystem - Google Patents

Ermittlungsvorrichtung und verfahren zum berechnen eines feuchtewertes in einem brennstoffzellensystem Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a detection device for a
  • Fuel cell system and a method for calculating a humidity value in a cathode inlet region upstream of a cathode section of a fuel cell stack in a fuel cell system are provided.
  • Sensors such as humidity sensors are used to determine corresponding measured values. Based on the measured values, conclusions can then be drawn about the moisture status of the electrolyte membrane. In addition, the measured values can be used to predict an impending moisture condition of the
  • Electrolyte membrane are taken. It is also known that the
  • a measured voltage drop can be used to infer the moisture status of the electrolyte membrane.
  • the fuel cell system can be found in US 2012/0148927 A1. According to this patent application it is proposed to measure the moisture using a
  • the object of the present invention is accordingly to create a correspondingly improved determination device and an associated method for calculating a humidity value in a fuel cell system. It is also a The task of providing a system and a method with which an electrolyte membrane can be reliably protected from drying out.
  • the above objects are achieved by the patent claims.
  • the above objects are achieved by the determination device according to claim 1, the fuel cell system according to claim 5, the method according to claim 9, the method according to claim 13, the method according to claim 14, the computer program product according to claim 15 and the storage means according to claim 16.
  • Detection device for a fuel cell system with at least one
  • the determination device comprises a virtual humidity sensor that has a first humidity sensor determination value input for receiving a cathode outlet humidity determination value, a second humidity sensor determination value input for receiving a stack outlet water mass flow determination value, a third humidity sensor determination value input for receiving a stack outlet air mass flow determination value, a fourth humidity sensor determination value input for
  • the determining device has a computing unit for calculating a
  • the desired humidity value can be calculated relatively precisely.
  • the calculated humidity value can be viewed as the relative cathode inlet humidity.
  • a specific, physical humidity sensor for determining the humidity value can be dispensed with.
  • the already existing sensor system of the fuel cell system is used to obtain the selected determination values via the virtual humidity sensor in order to calculate the humidity value based thereon.
  • the determination device can accordingly be understood as a moisture calculation unit.
  • the virtual humidity sensor does not require any separate, physical components.
  • the virtual humidity sensor can thus be implemented in a fuel cell system in a cost-effective, weight-saving and space-saving manner.
  • the virtual humidity sensor and the entire detection device can be flexibly integrated into existing fuel cell systems.
  • the stack outlet air mass flow determination value is to be understood as a determined value of an air mass flow at the stack outlet or at the fuel cell stack outlet. Below the system inlet water mass flow determination value is a determined value of a water mass flow at the system inlet or on one
  • Fuel cell system are understood through which ambient air in the fuel cell system, in particular to the cathode section of the
  • the cathode inlet temperature determination value can be understood to mean a determined value of a temperature, in particular a fluid temperature, at the cathode inlet.
  • Cathode outlet temperature determination value can be understood to be a determined value of a temperature, in particular a fluid temperature, at the cathode outlet.
  • a cathode inlet pressure determination value can be understood to mean a determined value of a pressure, in particular a fluid pressure, at the cathode inlet.
  • a cathode outlet pressure determination value a determined value of a pressure, in particular a fluid pressure, on the
  • Cathode outlet are understood.
  • the values can be determined with the help of existing sensors or computer models and made available on the virtual humidity sensor.
  • the determination device can be a virtual one
  • Moisture sensor can be counted include.
  • the virtual humidity sensor is in signal connection with the arithmetic unit.
  • the processing unit can be designed in the form of a computer, a CPU or another suitable processor.
  • a determination device comprises a virtual system inlet sensor which has a first system inlet sensor determination value input for receiving an ambient temperature determination value, a second system inlet sensor determination value input for receiving an ambient pressure determination value, a third system inlet sensor determination value input for Receiving an ambient humidity determination value, and a fourth system inlet sensor determination value input for receiving a system inlet air mass flow determination value.
  • the computing unit is used to calculate the system inlet water mass flow determination value on the basis of these recorded determination values, that is to say on the basis of the recorded Ambient temperature determination value, the recorded ambient pressure determination value, the recorded ambient humidity determination value and the recorded system inlet air mass flow determination value, configured.
  • the ambient temperature determination value is to be understood as a determined value of the ambient temperature in the vicinity of the fuel cell system.
  • the ambient pressure determination value is to be understood as a determined value of the ambient pressure in the vicinity of the fuel cell system.
  • the ambient humidity determination value is to be understood as a determined value of the ambient humidity, in particular the relative ambient humidity, in the vicinity of the fuel cell system, in particular in the air in the vicinity of the fuel cell system.
  • the system inlet air mass flow determination value is to be understood as a determined value of an air mass flow at the system inlet or at a fuel cell system inlet as described above.
  • a determination device comprises a virtual stack sensor which has a first stack sensor determination value input for receiving a cathode inlet water mass flow determination value and a second stack sensor determination value input
  • a cathode inlet temperature determination value Receiving a cathode inlet temperature determination value, a third stack sensor determination value input for receiving a cathode outlet temperature determination value, a fourth stack sensor determination value input for receiving a cathode inlet pressure determination value, a fifth
  • Stack sensor determination value input for receiving a cathode outlet pressure determination value, and a sixth stack sensor determination value input for receiving a system inlet air mass flow determination value.
  • the arithmetic unit is to calculate the cathode outlet humidity determination value based on these determination values, i.e. based on the recorded cathode inlet water mass flow determination value, the cathode inlet temperature determination value, the cathode outlet temperature determination value, the
  • Cathode inlet pressure detection value, the cathode outlet pressure detection value and the system inlet air mass flow detection value This enables a precise cathode outlet moisture determination value calculated and the humidity value in the cathode inlet area determined accordingly.
  • the cathode inlet water mass flow determination value is understood to mean a determined value of a water mass flow at the cathode inlet.
  • the computing unit in a determination device according to the present invention, it is possible for the computing unit to be configured to calculate the cathode inlet water mass flow determination value on the basis of the determination values recorded according to the first aspect. This allows a feedback loop to be created with which an efficient determination of the
  • initial values are calculated at a point in time zero and / or these are assumed as starting values. These can then be saved from a previous shutdown of the system. For operation, this is regulated by the use of retarders, since both gas and water first have to flow through the individual paths and cannot get directly from the system entrance to the cathode entrance.
  • Determination device for determining a moisture value in
  • Fuel cell stack provided.
  • a fuel cell system according to the invention thus brings the same advantages as have been described in detail with reference to the determination device according to the invention.
  • the fuel cell system has a system input, an air humidifier being arranged downstream of the system input.
  • a virtual humidity sensor is assigned to the air humidifier.
  • the air humidifier can be designed as an active air humidifier or as a passive air humidifier.
  • the fuel cell system has a return line through which from the cathode section of the fuel cell stack Cathode exhaust gas and thus water components can be returned to the humidifier.
  • the bypass can be a connection to the air humidifier arranged downstream of the air humidifier and upstream of the fuel cell stack
  • the air humidifier is designed in particular as a passive air humidifier.
  • the signal for controlling a corresponding valve is preferably implemented and processed in the virtual sensor.
  • About the bypass is one
  • Humidification controllable whereby the amount of water that reaches the humidifier from the cathode can be influenced because the bypass guides wet air coming from the cathode past the humidifier. Furthermore, dry air, which would flow from the system inlet into the air humidifier, can be mixed with already humidified air from an air humidifier outlet. Both of these have an influence on the relative humidity at the cathode inlet.
  • Fuel cell stack created in a fuel cell system created in a fuel cell system.
  • the method according to the invention has the following steps:
  • Stack outlet water mass flow determination value Stack outlet air mass flow determination value, a stack outlet air mass flow determination value, a system inlet water mass flow determination value, a system inlet air mass flow determination value, a cathode inlet temperature determination value, a cathode outlet temperature determination value, a cathode inlet pressure determination value, and a pressure determination value Cathode outlet pressure determination value by a virtual humidity sensor, and Calculation of the moisture value on the basis of the recorded determination values by a computing unit.
  • the computing unit it is possible for the computing unit to carry out the following steps to calculate the moisture value in the cathode inlet area on the basis of the recorded determination values:
  • Ambient temperature detection value, an ambient pressure detection value, an ambient humidity detection value and a system inlet air mass flow detection value are recorded by a virtual system inlet sensor, and the system inlet water mass flow detection value based on them
  • Determination values is calculated by a computing unit. Further, it is possible that a cathode inlet water mass flow determination value is a
  • Cathode inlet temperature detection value, a cathode outlet temperature detection value, a cathode inlet pressure detection value, a cathode outlet pressure detection value and a system inlet air mass flow detection value can be recorded by a virtual stack sensor, and the cathode outlet humidity detection value based on these detection values is calculated by a computing unit.
  • the determination values described in the introduction to the method can be used to calculate the cathode inlet water mass flow determination value by the computing unit.
  • Fuel cell stack provided in a fuel cell system the humidity value is calculated according to a method as described above. According to the invention, the prediction of the moisture state can be implemented in a simple, inexpensive, space-saving and weight-saving manner.
  • Proposed moisture state of an electrolyte membrane of the fuel cell stack the moisture state is predicted by a method as described above. With the help of such a method, impending problems such as drying out of the electrolyte membrane can be identified in good time. Suitable countermeasures can then be initiated at an early stage.
  • the fuel cell system or the individual functional components of the fuel cell system can also be adjusted accordingly. That is, the fuel cell system can be based on the
  • predefinable target state can be set. In this way, the electrolyte membrane can be protected in good time from drying out and an undesirable moisture condition.
  • a computer program product is made available which comprises instructions which, when the computer program product is executed by a computer, cause the computer to carry out a method as described above.
  • a storage medium with a computer program product stored thereon can be provided.
  • the storage means can be used as a controller with an inventive device installed therein
  • Computer program product are made available.
  • a computer program product according to the invention and a storage means according to the invention thus likewise bring the advantages described above with them.
  • the computer program product can be used as a computer-readable instruction code in any suitable programming language such as, for example, JAVA, C ++, C # and / or Python implemented.
  • the computer program product can be stored on a computer-readable storage medium such as a data disc, an exchangeable drive, a volatile or non-volatile memory, or a built-in memory
  • the instruction code can program a computer or other programmable device to perform the desired functions.
  • the computer program product can be made available or be in a network such as the Internet, from which it can be downloaded by a user if necessary.
  • the Computerpro program product can both by means of a computer program, d. H. a software, as well as by means of one or more special electronic circuits, i.e. in flardware, or in any hybrid form, d. H. by means of software components and flardware components.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system with an installed therein
  • Figure 2 shows a fuel cell system with a detection device installed therein according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 3 shows a virtual humidity sensor according to a preferred one
  • FIG. 4 shows a virtual system inlet sensor according to a preferred one
  • FIG. 5 shows a virtual stack sensor according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a flow chart for explaining a method according to a first
  • a fuel cell system 2 is shown schematically with a detection device 1 installed therein according to a first embodiment.
  • the fuel cell system 2 has a system input 6, an air humidifier 3 arranged downstream of the system input 6, and a fuel cell stack 4 arranged downstream of the air humidifier 3.
  • Fuel cell stack 4 has an anode section and a cathode section, with one between the anode section and the cathode section
  • Electrolyte membrane (not shown) is arranged.
  • the system input 6 is a virtual one
  • the humidifier 3 is a virtual one
  • the fuel cell stack 4 is a virtual one
  • Stack sensor 9 assigned.
  • the system inlet sensor 8, the humidity sensor 7 and the stack sensor 9 are each in signal connection with a computing unit 10 of the fuel cell system 2.
  • the computing unit 10 is a
  • a fuel cell system 2 ‘is shown with a determination device V according to a second embodiment.
  • the second embodiment corresponds essentially to the first embodiment.
  • the distinguishing feature is a return line 12 through which the cathode section of the
  • Fuel cell stack 4 cathode exhaust gas and thus water components can be returned to the humidifier 3.
  • FIGS. 1 and 2 A system overview is shown in each of FIGS. 1 and 2, the subsystems of which are subsequently explained in detail with reference to FIGS. 3 to 5.
  • the virtual humidity sensor 7 shown in FIG. 3 has a first
  • Humidity sensor determination value input 7a for receiving a cathode outlet Humidity determination value
  • a second humidity sensor determination value input 7b for receiving a stack outlet water mass flow determination value
  • a third humidity sensor determination value input 7c for receiving a
  • Stack outlet air mass flow determination value Stack outlet air mass flow determination value, a fourth humidity sensor determination value input 7d for receiving a system inlet water mass flow determination value, a fifth humidity sensor determination value input 7e for receiving a system inlet air mass flow determination value, a sixth humidity sensor determination value input 7e for receiving a cathode determination value input 7e , a seventh humidity sensor determination value input 7g for receiving a cathode outlet temperature determination value, an eighth humidity sensor determination value input 7h for receiving a
  • Cathode inlet pressure determination value, and a ninth humidity sensor determination value input 7i for receiving a cathode outlet pressure determination value are included in the cathode inlet pressure determination value.
  • the virtual humidity sensor 7 also has a signal output 7k
  • the computing unit 10 can determine a humidity value in a cathode inlet region 5
  • the determination of difference values can take place arithmetically, for example by forming a difference between absolute amounts of a value pair of recorded determination values, which are determined in relation to the same parameter in each case at the cathode inlet and the cathode outlet.
  • the determination of the humidity value in the cathode inlet area can also be done arithmetically in that the arithmetic unit 10 sets the cathode outlet humidity determination value in relation to a factor.
  • the factor is based on a function, the function variables of which include at least one of the recorded determination values, in particular a difference value, which is determined from the determination values recorded with respect to the same parameter, and possibly an absolute temperature value.
  • the virtual system inlet sensor 8 shown in FIG. 4 has a first
  • the virtual system inlet sensor 8 also has a signal output 8e for transmitting the recorded determination values to the computing unit 10.
  • the calculation unit 10 can calculate the system inlet water mass flow determination value recorded.
  • the virtual stack sensor 9 shown in Fig. 5 has a first stack sensor determination value input 9a for receiving a cathode inlet water mass flow determination value, a second stack sensor determination value input 9b for receiving a cathode inlet temperature determination value, a third stack sensor determination value input 9c for
  • the virtual stack sensor 9 also has a signal output 9g for transmitting the ascertained values recorded to the computing unit 10.
  • the computing unit 10 can calculate the cathode outlet moisture determination value and the cathode inlet water mass flow determination value.
  • a first step S1 the cathode outlet moisture determination value, the stack outlet water mass flow determination value, the stack outlet air mass flow determination value, the system inlet water mass flow determination value, the
  • a second step S2 the humidity value and the cathode inlet water mass flow determination value are then calculated by the computing unit 10 on the basis of these ascertained values recorded or taken into account.
  • the ambient temperature determination value, the ambient pressure determination value, the ambient humidity determination value and the system inlet air mass flow determination value can be determined by the virtual
  • System inlet sensor 8 are included. The system inlet water mass flow determination value can then be based on this
  • Determination values are calculated by the computing unit 10.
  • the cathode inlet water mass flow detection value, the cathode inlet temperature detection value, the cathode outlet temperature detection value, the cathode inlet pressure detection value, the cathode outlet pressure detection value and the system inlet air mass flow detection value can be recorded by the virtual stack sensor 9 .
  • the cathode outlet humidity determination value can then be calculated by the computing unit 10 on the basis of these determination values.
  • Humidity values on the fuel cell stack 4 the water mass fraction of the air flow in the cathode path can be calculated.
  • the relative humidity at the cathode outlet and the water mass flow at the system input 6 are used as supplementary input signals for the virtual humidity sensor.
  • the moisture transition can then be dynamically adjusted using parameters of the
  • Air humidifier 3 such as a membrane thickness, a membrane area and / or a membrane density of the air humidifier 3 and the relative humidity on the dry and the moist side of the air humidifier 3 can be determined.
  • the value of the relative humidity at the cathode inlet can be calculated relatively precisely.
  • the total mass flow of water from the fuel cell system 2, 2 ' is calculated in the fuel cell system 2, 2' by the inflowing water, the water produced and the part of the water that diffuses to the anode.
  • a membrane thickness, a membrane area and / or a membrane density of the air humidifier 3 and the relative humidity on the dry and the moist side of the air humidifier 3 can be determined.
  • the value of the relative humidity at the cathode inlet can be calculated relatively precisely.
  • the total mass flow of water from the fuel cell system 2, 2 ' is calculated in the fuel cell system 2, 2' by the inflowing water, the water produced and the part of the water that diffuses to the anode.
  • the method can also be easily adapted in a humidifier model to a system with external humidification by means of water injection.
  • the humidifier model is constructed in such a way that it is not limited to passive humidification, but can also be used in systems with active humidification.
  • the method can also be used to predict a moisture state of an electrolyte membrane of the fuel cell stack 4 on the basis of the moisture value in the cathode inlet region 5 upstream of the cathode section of the
  • Fuel cell stack 4 in the fuel cell system 2 are further developed, the humidity value, as described above, is calculated. In addition, it is possible to have a method of controlling humidity in one
  • Fuel cell system 2 is carried out on the basis of a predicted humidity state in an electrolyte membrane of the fuel cell stack 4, the humidity state being determined by a method as described above
  • the calculation of the humidity value according to the invention can also be carried out as a function of the current power requirement of the fuel cell system. In other words, if a lot of power is required, a correspondingly increased air intake can be assumed.
  • the amount of water produced in the fuel cell stack 4 also increases, which is reflected in the amount of water that leaves the cathode and flows into the humidifier. This has im
  • Humidifiers result in better humidification and thus again higher humidity at the cathode inlet.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ermittlungsvorrichtung (1; 1') für ein Brennstoffzellensystem (2; 2') mit einem Brennstoffzellenstapel (4), aufweisend einen virtuellen Feuchtesensor (7) zur Aufnahme vordefinierter Ermittlungswerte und eine Recheneinheit (10) zur Berechnung eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels (4) anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (2; 2') mit einer solchen Ermittlungsvorrichtung (1; 1'), Verfahren zur Ermittlung des Feuchtewertes, ein Computerprogrammprodukt (11) sowie ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (11).

Description

Ermittlungsvorrichtung und Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ermittlungsvorrichtung für ein
Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zum Wassermanagement in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Hierbei gilt es unter anderem, einen
Feuchtigkeitswert einer Elektrolytmembran im Brennstoffzellenstapel des
Brennstoffzellensystems auf einem gewünschten Wert zu halten und insbesondere vor dem Austrocknen zu bewahren. Dazu werden in der Regel verschiedene
Sensoren wie Feuchtigkeitssensoren zur Ermittlung entsprechender Messwerte verwendet. Anhand der Messwerte kann anschließend auf den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran geschlossen werden. Außerdem kann anhand der Messwerte eine Vorhersage zu einem bevorstehenden Feuchtigkeitszustand der
Elektrolytmembran getroffen werden. Ferner ist es bekannt, den
Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran mit Hilfe einer Impedanzspektroskopie zu ermitteln. Hierbei kann anhand eines gemessenen Spannungsabfalls auf den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran geschlossen werden.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der Feuchte in einem
Brennstoffzellensystem kann der US 2012/0148927 A1 entnommen werden. Gemäß dieser Patentanmeldung wird vorgeschlagen, die Feuchte anhand eines
Massengleichgewichts und/oder anhand von Zustandswerten zu Temperaturen, Drücken und/oder Flussraten im Brennstoffzellensystem zu ermitteln.
Die im Stand der Technik bekannten Systeme können dem Wunsch nach einem möglichst einfachen, kostengünstigen und flexibel einsetzbaren System zur
Ermittlung der Feuchte im Brennstoffzellensystem jedoch noch nicht abschließend Rechnung tragen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine entsprechend verbesserte Ermittlungsvorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen. Ferner ist es eine Aufgabe, ein System sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchen eine Elektrolytmembran zuverlässig vor dem Austrockenen geschützt werden kann. Die voranstehenden Aufgaben werden durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere werden die voranstehenden Aufgaben durch die Ermittlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 , das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, das Verfahren gemäß Anspruch 9, das Verfahren gemäß Anspruch 13, das Verfahren gemäß Anspruch 14, das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 15 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 16 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Ermittlungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem, den erfindungsgemäßen Verfahren, dem
erfindungsgemäßen Com puterprogramm produkt, dem erfindungsgemäßen
Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw.
werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Ermittlungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem
Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen. Die Ermittlungsvorrichtung umfasst einen virtuellen Feuchtesensor, der einen ersten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Stapelauslass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen dritten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Stapelauslass-Luftmassenfluss- Ermittlungswertes, einen vierten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur
Aufnahme eines Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen sechsten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswertes, einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur
Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck- Ermittlungswertes, und einen neunten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, umfasst. Außerdem weist die Ermittlungsvorrichtung eine Recheneinheit zur Berechnung eines
Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines
Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte auf.
Mit Hilfe des virtuellen Feuchtesensors und der erfindungsgemäß aufgenommenen bzw. berücksichtigten Ermittlungswerte lässt sich der gesuchte Feuchtewert relativ genau berechnen. Der berechnete Feuchtewert kann als relative Kathodeneinlass- Feuchte betrachtet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass mit Hilfe der
vorgenannten Ermittlungswerte auf einen spezifischen, physischen Feuchtesensor zur Bestimmung des Feuchtewertes verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß wird die ohnehin vorhandene Sensorik des Brennstoffzellensystems genutzt, um über den virtuellen Feuchtesensor die ausgewählten Ermittlungswerte zu erlangen, um basierend darauf den Feuchtewert zu berechnen. Die Ermittlungsvorrichtung kann entsprechend als Feuchteberechnungseinheit verstanden werden.
Der virtuelle Feuchtesensor benötigt keine separaten, physischen Bauteile. Damit kann der virtuelle Feuchtesensor kostengünstig, gewicht- sowie platzsparend in einem Brennstoffzellensystem implementiert werden. Darüber hinaus können der virtuelle Feuchtesensor sowie die gesamte Ermittlungsvorrichtung flexibel in bestehende Brennstoffzellensysteme integriert werden.
Unter dem Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert der relativen Feuchte, genauer gesagt einer relativen Feuchte eines Fluids, am
Kathodenauslass zu verstehen. Unter dem Stapelauslass-Wassermassenfluss- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses bzw.
Wassermassenstromes am Stapelauslass zu verstehen. Unter dem Stapelauslass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses am Stapelauslass bzw. am Brennstoffzellenstapelauslass zu verstehen. Unter dem Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses am Systemeinlass bzw. an einem
Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen. Unter dem Systemeinlass- Luftmassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses bzw. Luftmassenstromes am Systemeinlass bzw. am Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen. Unter dem Systemeinlass kann ein Bereich des
Brennstoffzellensystems verstanden werden, durch welchen Umgebungsluft in das Brennstoffzellensystem, insbesondere zum Kathodenabschnitt des
Brennstoffzellenstapels, eingebracht wird. Unter dem Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert einer Temperatur, insbesondere einer Fluidtemperatur, am Kathodeneinlass verstanden werden. Unter einem
Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert einer Temperatur, insbesondere einer Fluidtemperatur, am Kathodenauslass verstanden werden. Unter einem Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert eines Druckes, insbesondere eines Fluiddruckes, am Kathodeneinlass verstanden werden. Unter einem Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert eines Druckes, insbesondere eines Fluiddruckes, am
Kathodenauslass verstanden werden. Die Werte können mit Hilfe von vorhandenen Sensoren oder Rechenmodellen ermittelt und am virtuellen Feuchtesensor bereitgestellt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann die Ermittlungsvorrichtung ein virtuelles
Sensorsystem mit mehreren virtuellen Sensoren, zu welchen der virtuelle
Feuchtesensor gezählt werden kann, umfassen. Zur Berechnung des Feuchtewertes bzw. zur Übertragung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit steht der virtuelle Feuchtesensor mit der Recheneinheit in Signalverbindung. Die Recheneinheit kann in Form eines Computers, einer CPU oder eines anderen, geeigneten Prozessors ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass eine Ermittlungsvorrichtung einen virtuellen Systemeinlasssensor umfasst, der einen ersten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, einen zweiten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes, einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und einen vierten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswertes, aufweist. Die Recheneinheit ist in diesem Fall zur Berechnung des Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand dieser aufgenommenen Ermittlungswerte, also anhand des aufgenommenen Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, des aufgenommenen Umgebungsdruck- Ermittlungswertes, des aufgenommenen Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes sowie des aufgenommenen Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, konfiguriert. Damit können ein präziser Systemeinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswert berechnet und der Feuchtewert im Kathodeneinlassbereich entsprechend genau ermittelt werden. Unter dem Umgebungstemperatur- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert der Umgebungstemperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Unter dem Umgebungsdruck- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert des Umgebungsdrucks in der Umgebung des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Unter dem Umgebungsfeuchte- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert der Umgebungsfeuchte, insbesondere der relativen Umgebungsfeuchte, in der der Umgebung des Brennstoffzellensystems, insbesondere in der Luft in der Umgebung des Brennstoffzellensystems, zu verstehen. Unter dem Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses am Systemeinlass bzw. an einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen.
Ferner ist es möglich, dass eine erfindungsgemäße Ermittlungsvorrichtung einen virtuellen Stapelsensor umfasst, der einen ersten Stapelsensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswertes, einen zweiten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur
Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass- Temperatur-Ermittlungswertes, einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, einen fünften
Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswertes, und einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, aufweist. Die Recheneinheit ist zur Berechnung des Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes anhand dieser Ermittlungswerte, also anhand des aufgenommenen Kathodeneinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, des Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswertes, des Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, des
Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, des Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswertes sowie des Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, konfiguriert. Damit können ein präziser Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert berechnet und der Feuchtewert im Kathodeneinlassbereich entsprechend genau ermittelt werden. Unter dem Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses am Kathodeneinlass zu verstehen.
Außerdem ist es bei einer Ermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Recheneinheit zur Berechnung des Kathodeneinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand der gemäß dem ersten Aspekt aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist. Damit kann eine Feedback- Schleife geschaffen werden, mit welcher eine effiziente Ermittlung des
Feuchtewertes ermöglicht wird.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass zu einem Zeitpunkt Null mit Initialwerten gerechnet wird und/oder diese als Startwerte angenommen werden. Diese können dann von einem vorherigen Abschalten des Systems gespeichert werden. Für den Betrieb ist dies durch das Verwenden von Verzögerern geregelt, da sowohl Gas als auch Wasser erst durch die einzelnen Pfade strömen müssen und nicht unmittelbar vom Systemeingang zum Kathodeneingang gelangen können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem mit einer, wie vorstehend im Detail beschriebenen,
Ermittlungsvorrichtung zur Ermittlung eines Feuchtewertes im
Kathodeneinlassbereich stromaufwärts des Kathodenabschnitts des
Brennstoffzellenstapels zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ermittlungsvorrichtung beschrieben worden sind.
Von Vorteil ist es dabei, wenn das Brennstoffzellensystem einen Systemeingang aufweist, wobei stromabwärts des Systemeingangs ein Luftbefeuchter angeordnet ist. Insbesondere ist dem Luftbefeuchter ein virtueller Feuchtesensor zugeordnet.
Der Luftbefeuchter kann als aktiver Luftbefeuchter oder als passiver Luftbefeuchter ausgebildet sein.
Günstig ist es, wenn der Brennstoffzellenstapel stromabwärts des Luftbefeuchters ist.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Brennstoffzellensystem eine Rückführleitung aufweist, durch welche vom Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels Kathodenabgas und somit Wasserbestandteile in den Luftbefeuchter rückführbar sind.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Bypass vorgesehen ist, wobei der Luftbefeuchter durch den Bypass umgehbar ist.
Um die nasse Luft, welche von dem Kathodenabschnitt kommt, am Luftbefeuchter vorbeizuleiten, kann der Bypass eine stromabwärts des Luftbefeuchters und stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnete Verbindung zu der
Rückführleitung hersteilen.
Dabei ist der Luftbefeuchter insbesondere als passiver Luftbefeuchter ausgebildet. Dabei wird bevorzugt das Signal zum Ansteuern eines entsprechenden Ventils im virtuellen Sensor implementiert und verarbeitet. Über den Bypass ist eine
Befeuchtung steuerbar, wodurch eine Wassermenge, welche von der Kathode in den Luftbefeuchter gelangt, beinflussbar ist, weil der Bypass nasse Luft, welche von der Kathode kommt, am Befeuchter vorbei leitet. Weiter ist dadurch trockene Luft, welche vom Systemeinlass in den Luftbefeuchter strömen würde, mit bereits befeuchteter Luft von einem Luftbefeuchterausgang vermischbar wird. Dies hat beides einen Einfluss auf die relative Feuchte am Kathodeneingang.
Zudem wird ein Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem
Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines
Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem geschaffen. Das
erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, eines
Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, eines Stapelauslass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Systemeinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswertes, eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes, eines Kathodenauslass- Temperatur-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Druck- Ermittlungswertes, und eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes durch einen virtuellen Feuchtesensor, und Berechnen des Feuchtewertes anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit.
Damit bringt ein solches Verfahren ebenfalls die mit Bezug auf die
Ermittlungsvorrichtung beschrieben Vorteile mit sich.
Bei dem Verfahren ist es möglich, dass zum Berechnen des Feuchtewertes in dem Kathodeneinlassbereich anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte durch die Recheneinheit folgende Schritte durchgeführt werden:
Bestimmen von Differenzwerten zwischen dem Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert und dem Stapelauslass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert, dem Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswert und dem Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert, dem Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert und dem Kathodenauslass- Temperatur-Ermittlungswert und /oder dem Kathodeneinlass-Druck- Ermittlungswert und dem Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswert; und
Bestimmen des Feuchtewertes in dem Kathodeneinlassbereich basierend auf dem Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert und wenigstens einem der Differenzwerte.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass ein
Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, ein Umgebungsdruck-Ermittlungswert, ein Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und ein Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswert durch einen virtuellen Systemeinlasssensor aufgenommen werden, und der Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert anhand dieser
Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit berechnet wird. Ferner ist es möglich, dass ein Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, ein
Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass-Temperatur- Ermittlungswert, ein Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass- Druck-Ermittlungswert und ein Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch einen virtuellen Stapelsensor aufgenommen werden, und der Kathodenauslass- Feuchte-Ermittlungswert anhand dieser Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit berechnet wird. Darüber hinaus kann anhand der einleitend zum Verfahren beschriebenen Ermittlungswerte der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswert durch die Recheneinheit berechnet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des
Brennstoffzellenstapels anhand eines Feuchtewertes in einem
Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines
Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, wobei der Feuchtewert gemäß einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren berechnet wird. Erfindungsgemäß kann die Vorhersage des Feuchtigkeitszustandes einfach, kostengünstig, platz- und gewichtssparend realisiert werden.
Außerdem wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Kontrolle der
Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem anhand eines vorhergesagten
Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren vorhergesagt wird. Mit Hilfe eines solchen Verfahrens können bevorstehende Probleme wie eine Austrocknung der Elektrolytmembran rechtzeitig erkannt werden. Anschließend können entsprechend frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Flierzu können das Brennstoffzellensystem bzw. die einzelnen Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems entsprechend eingestellt werden. D. h., das Brennstoffzellensystem kann anhand des
vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes der Elektrolytmembran auf einen
vordefinierbaren Sollzustand eingestellt werden. Damit kann die Elektrolytmembran rechtzeitig vor dem Austrocknen sowie einem unerwünschten Feuchtigkeitszustand geschützt werden.
Weiterhin wird ein Com puterprogramm produkt zur Verfügung gestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren auszuführen. Zudem kann ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Com puterprogramm produkt bereitgestellt werden. Das Speichermittel kann als Controller mit einem darin installierten, erfindungsgemäßen
Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt werden. Damit bringen ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt und ein erfindungsgemäßes Speichermittel ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in je der geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem compu terlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsel laufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Spei
cher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte derart programmieren, dass die gewünschten Funk tionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden bzw. sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerpro grammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Flardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Flardware-Komponenten, realisiert werden bzw. sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen
erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem mit einer darin installierten
Ermittlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 ein Brennstoffzellensystem mit einer darin installierten Ermittlungsvorrich tung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 einen virtuellen Feuchtesensor gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 einen virtuellen Systemeinlasssensor gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 5 einen virtuellen Stapelsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 6 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 2 mit einer darin installierten Ermittlungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 2 weist einen Systemeingang 6, einen stromabwärts des Systemeingangs 6 angeordneten Luftbefeuchter 3 und einen stromabwärts des Luftbefeuchters 3 angeordneten Brennstoffzellenstapel 4 auf. Der
Brennstoffzellenstapel 4 weist einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt auf, wobei zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt eine
Elektrolytmembran (nicht dargestellt) angeordnet ist. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Systemeingang 6 ein virtueller
Systemeinlasssensor 8 zugeordnet. Dem Luftbefeuchter 3 ist ein virtueller
Feuchtesensor 7 zugeordnet. Dem Brennstoffzellenstapel 4 ist ein virtueller
Stapelsensor 9 zugeordnet. Der Systemeinlasssensor 8, der Feuchtesensor 7 und der Stapelsensor 9 stehen jeweils in Signalverbindung mit einer Recheneinheit 10 des Brennstoffzellensystems 2. In der Recheneinheit 10 ist ein
Computerprogrammprodukt 11 installiert.
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 2‘ mit einer Ermittlungsvorrichtung V gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform. Unterscheidungsmerkmal ist eine Rückführleitung 12, durch welche vom Kathodenabschnitt des
Brennstoffzellenstapels 4 Kathodenabgas und somit Wasserbestandteile in den Luftbefeuchter 3 rückgeführt werden können.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist jeweils eine System Übersicht dargestellt, deren Subsysteme anschließend mit Bezug auf die Figuren 3 bis 5 im Detail erläutert werden.
Der in Fig. 3 dargestellte virtuelle Feuchtesensor 7 weist einen ersten
Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7a zur Aufnahme eines Kathodenauslass- Feuchte-Ermittlungswertes, einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7b zur Aufnahme eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen dritten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7c zur Aufnahme eines
Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen vierten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang 7d zur Aufnahme eines Systemeinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswertes, einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7e zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen sechsten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7f zur Aufnahme eines Kathodeneinlass- Temperatur-Ermittlungswertes, einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7g zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7h zur Aufnahme eines
Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, und einen neunten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang 7i zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswertes, auf.
Der virtuelle Feuchtesensor 7 weist außerdem einen Signalausgang 7k zur
Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Feuchtesensor 7 aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 einen Feuchtewert in einem Kathodeneinlassbereich 5
stromaufwärts des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels 4 berechnen.
Das Bestimmen von Differenzwerten kann rechnerisch erfolgen, beispielsweise durch Bildung einer Differenz zwischen absoluten Beträgen eines Wertepaares aufgenommener Ermittlungswerte, die in Bezug auf denselben Parameter jeweils am Kathodeneinlass und am Kathodenauslass ermittelt werden. Das Bestimmen des Feuchtewertes in dem Kathodeneinlassbereich kann ebenfalls rechnerisch erfolgen, indem die Recheneinheit 10 den Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert in ein Verhältnis zu einem Faktor setzt. Dem Faktor liegt eine Funktion zugrunde, deren Funktionsvariablen wenigstens einen der aufgenommenen Ermittlungswerte, insbesondere einen Differenzwert, der aus den in Bezug auf denselben Parameter aufgenommenen Ermittlungswerten bestimmt ist, und gegebenenfalls einen absoluten Temperaturwert umfassen.
Der in Fig. 4 dargestellte virtuelle Systemeinlasssensor 8 weist einen ersten
Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang 8a zur Aufnahme eines
Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, einen zweiten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang 8b zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes, einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang 8c zur Aufnahme eines Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und einen vierten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang 8d zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswertes, auf. Der virtuelle Systemeinlasssensor 8 weist außerdem einen Signalausgang 8e zur Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Systemeinlasssensor 8
aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 den Systemeinlass- Wassermassenfluss-Erm ittlungswert berechnen.
Der in Fig. 5 gezeigte virtuelle Stapelsensor 9 weist einen ersten Stapelsensor- Ermittlungswerteingang 9a zur Aufnahme eines Kathodeneinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen zweiten Stapelsensor- Ermittlungswerteingang 9b zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswertes, einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9c zur
Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9d zur Aufnahme eines Kathodeneinlass- Druck-Ermittlungswertes, einen fünften Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9e zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, und einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9f zur Aufnahme eines Systemeinlass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, auf. Der virtuelle Stapelsensor 9 weist außerdem einen Signalausgang 9g zur Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Stapelsensor 9 aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 den Kathodenauslass-Feuchte- Ermittlungswert sowie den Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert berechnen.
Mit Bezug auf Fig. 6 soll ein Verfahren zum Berechnen des Feuchtewertes im
Kathodeneinlassbereich 5 erläutert werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt S1 zunächst der Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert, der Stapelauslass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der Stapelauslass-Luftmassenfluss- Ermittlungswert, der Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der
Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswert, der Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert, der
Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, und der Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswert mittels des virtuellen Feuchtesensors 7 aufgenommen bzw. erkannt. In einem zweiten Schritt S2 werden anschließend anhand dieser aufgenommenen bzw. berücksichtigten Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 der Feuchtewert sowie der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert berechnet.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere
Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
So können im Rahmen des Verfahrens der Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, der Umgebungsdruck-Ermittlungswert, der Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und der Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch den virtuellen
Systemeinlasssensor 8 aufgenommen werden. Der Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert kann anschließend anhand dieser
Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 berechnet werden.
Außerdem können der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert, der Kathodenauslass-Temperatur- Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, der Kathodenauslass- Druck-Ermittlungswert und der Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch den virtuellen Stapelsensor 9 aufgenommen werden. Der Kathodenauslass- Feuchte-Ermittlungswert kann anschließend anhand dieser Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 berechnet werden.
Mit anderen Worten, anhand von Signalen des Luftmassenflusses am
Systemeingang 6, sowie den Drücken, den Temperaturen und der relativen
Feuchtewerte am Brennstoffzellenstapel 4 kann der Wassermassenanteil des Luftstromes im Kathodenpfad berechnet werden. Die relative Luftfeuchtigkeit am Kathodenauslass sowie der Wassermassenfluss am Systemeingang 6 werden als ergänzende Eingangssignale für den virtuellen Feuchtesensor verwendet. Der Feuchteübergang kann anschließend dynamisch über Parameter des
Luftbefeuchters 3 wie eine Membrandicke, eine Membranfläche und/oder eine Membrandichte des Luftbefeuchters 3 sowie die relativen Feuchten auf der trockenen und der feuchten Seite des Luftbefeuchters 3 ermittelt werden. Mithilfe der explizit ausgewählten Temperaturwerte, Druckwerte und Massenflusswerte kann der Wert der relativen Feuchte am Kathodeneingang relativ genau berechnet werden. Der gesamte Massenfluss an Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 2, 2‘ wird im Brennstoffzellensystem 2, 2‘ durch das einströmende Wasser, das erzeugte Wasser und den Teil des Wassers, der zur Anode diffundiert, berechnet. Als zusätzlicher Signaleingang kann neben der erzeugten Wassermasse auch eine
Stromanforderung an das System verwendet werden.
Das Verfahren kann in einem Befeuchtermodell außerdem einfach zu einem System mit externer Befeuchtung mittels Wasserinjektion adaptiert werden. Das
Befeuchtermodell ist insbesondere derart aufgebaut, dass dieses nicht auf eine passive Befeuchtung beschränkt ist, sondern dieses auch auf Systeme mit einer aktiven Befeuchtung anwendbar ist.
Zudem kann das Verfahren auch zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels 4 anhand des Feuchtewertes im Kathodeneinlassbereich 5 stromaufwärts des Kathodenabschnitts des
Brennstoffzellenstapels 4 im Brennstoffzellensystem 2 weiterentwickelt werden, wobei der Feuchtewert, wie vorstehend beschrieben, berechnet wird. Darüber hinaus ist es möglich, dass ein Verfahren zur Kontrolle der Feuchtigkeit in einem
Brennstoffzellensystem 2 anhand eines vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes in einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels 4 durchgeführt wird, wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren
vorhergesagt wird.
Die erfindungsgemäße Berechnung des Feuchtewertes kann ferner abhängig von der aktuellen Leistungsanforderung des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. D. h., wird viel Leistung benötigt kann von einem entsprechend erhöhten Lufteingang ausgegangen werden.
Abhängig von diesem Leistungsbedarf oder Strombedarf steigt auch die produzierte Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 4, was sich auf die Menge an Wasser, die die Kathode verlässt und in den Befeuchter fließt, niederschlägt. Dies hat im
Befeuchter eine bessere Befeuchtung und damit wieder eine höhere Luftfeuchte am Kathodeneingang zur Folge. Bezugszeichenliste
1 , 1 ' Ermittlungsvorrichtung
2, 2' Brennstoffzellensystem
3 Luftbefeuchter
4 Brennstoffzellenstapel
5 Kathodeneinlassbereich
6 Systemeingang
7 Virtueller Feuchtesensor
7a-7i Feuchtesensor-Ermittlungswerteingänge
8 Virtueller Systemeinlasssensor
8a-8d Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingänge
9 Virtueller Stapelsensor
9a-9g Stapelsensor-Ermittlungswerteingang
10 Recheneinheit
11 Computerprogrammprodukt
12 Rückführleitung

Claims

Patentansprüche
1. Ermittlungsvorrichtung (1 ; 1‘) für ein Brennstoffzellensystem (2; 2‘) mit einem Brennstoffzellenstapel (4), aufweisend einen virtuellen Feuchtesensor (7), der einen ersten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7a) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes,
einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7b) zur Aufnahme eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen dritten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7c) zur Aufnahme eines Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes,
einen vierten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7d) zur Aufnahme eines Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7e) zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes,
einen sechsten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7f) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes,
einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7g) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes,
einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7h) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, und
einen neunten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang (7i) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, umfasst, und eine Recheneinheit (10) zur Berechnung eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels (4) anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte.
2. Ermittlungsvorrichtung (1 ; T) nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
einen virtuellen Systemeinlasssensor (8), der einen ersten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8a) zur Aufnahme eines Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes,
einen zweiten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8b) zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes, einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8c) zur Aufnahme eines Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und
einen vierten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang (8d) zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes aufweist, wobei die Recheneinheit (10) zur Berechnung des Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand der gemäß Anspruch 2 aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist.
3. Ermittlungsvorrichtung (1 ; T) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen virtuellen Stapelsensor (9), der einen ersten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9a) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen zweiten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9b) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes,
einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9c) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes,
einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9d) zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes,
einen fünften Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9e) zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, und
einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang (9f) zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, aufweist, wobei die Recheneinheit (10) zur Berechnung des Kathodenauslass- Feuchte-Ermittlungswertes anhand der gemäß Anspruch 3 aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist.
4. Ermittlungsvorrichtung (1 ; T) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Recheneinheit (10) zur Berechnung des Kathodeneinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand der gemäß Anspruch 1 aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist.
5. Brennstoffzellensystem (2; 2‘) mit einer Ermittlungsvorrichtung (1 ; 1‘) nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Ermittlung eines Feuchtewertes im Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts des Kathodenabschnitts des
Brennstoffzellenstapels (4).
6. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2, 2‘) einen Systemeingang (6) aufweist, wobei stromabwärts des Systemeingangs (6) ein Luftbefeuchter (3) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (4) stromabwärts des Luftbefeuchters (3) ist.
8. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (2, 2‘) eine Rückführleitung (12) aufweist, durch welche vom Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels (4) Kathodenabgas und somit Wasserbestandteile in den Luftbefeuchter (3) rückführbar sind.
9. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Bypass vorgesehen ist, wobei der Luftbefeuchter (3) durch den Bypass umgehbar ist.
10. Brennstoffzellensystem (2, 2‘) nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch
gekennzeichnet, dass der Bypass eine stromabwärts des Luftbefeuchters (3) und stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels (4) angeordnete Verbindung zu der Rückführleitung (12) herstellt.
11. Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem
Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels (4) in einem Brennstoffzellensystem (2; 2‘), aufweisend die Schritte:
Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, eines
Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, eines Systemeinlass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswertes, eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, und eines
Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes durch einen virtuellen Feuchtesensor (7), und
Berechnen des Feuchtewertes anhand der aufgenommenen
Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit (10).
12. Verfahren nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Recheneinheit (10) zum Bestimmen des Feuchtewertes in dem
Kathodeneinlassbereich (5) anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte folgende Schritte durchführt:
Bestimmen von Differenzwerten zwischen dem Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert und dem Stapelauslass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert, dem Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswert und dem Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert, dem Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert und dem Kathodenauslass- Temperatur-Ermittlungswert und /oder dem Kathodeneinlass-Druck- Ermittlungswert und dem Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswert; und
Bestimmen des Feuchtewertes in dem Kathodeneinlassbereich (5) basierend auf dem Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert und wenigstens einem der berechneten Differenzwerte.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, ein Umgebungsdruck- Ermittlungswert, ein Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und ein
Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch einen virtuellen
Systemeinlasssensor (8) aufgenommen werden, und der Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert anhand der aufgenommenen
Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit (10) berechnet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, ein Kathodeneinlass- Temperatur-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert, ein Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswert und ein Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch einen virtuellen Stapelsensor (9) aufgenommen werden, und der
Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit (10) berechnet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
anhand der gemäß Anspruch 1 aufgenommenen Ermittlungswerte der
Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert durch die Recheneinheit (10) berechnet wird.
16. Verfahren zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer
Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels (4) anhand eines
Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich (5) stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels (4) in einem
Brennstoffzellensystem (2; 2‘), wobei der Feuchtewert gemäß einem Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 berechnet wird.
17. Verfahren zur Kontrolle der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem (2; 2‘) anhand eines vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels (4), wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein Verfahren gemäß Anspruch 16 vorhergesagt wird.
18. Com puterprogramm produkt (11 ), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (11 ) durch einen Computer diesen
veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17 auszuführen.
19. Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (11 ) nach Anspruch 18.
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