WO2021212164A1 - Sensorvorrichtung für ein brennstoffzellensystem zur bestimmung wenigstens eines brennstoffzellenparameters aus einem akustischen sensorparameter - Google Patents

Sensorvorrichtung für ein brennstoffzellensystem zur bestimmung wenigstens eines brennstoffzellenparameters aus einem akustischen sensorparameter Download PDF

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Maximilian HRIBERNIG
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Definitions

  • Sensor device for a fuel cell system for determining at least one fuel cell parameter from an acoustic sensor parameter
  • the present invention relates to a sensor device for a fuel cell system for determining at least one fuel cell parameter from an acoustic sensor parameter, a fuel cell system with such a sensor device and a method for determining at least one fuel cell parameter of a fuel cell system.
  • fuel cell parameters can be directly measurable parameters, such as volume flows, temperatures, pressures or the like.
  • parameters that can be measured indirectly for example the aging status of individual components, the moisture status of the membranes in the fuel cell stack or the like, are also conceivable as fuel cell parameters in the context of the present invention.
  • fuel cell parameters in the context of the present invention is not restricted to the direct and indirect parameters mentioned above. Rather, any form of fuel cell parameters that are necessary or useful for the direct operation or the evaluation of the operation of the fuel cell system can be used for the purposes of the present invention.
  • a corresponding sensor element is usually used to determine the fuel cell parameters in order to determine the associated fuel cell parameters.
  • a corresponding temperature element is used to determine a temperature in order to determine the associated temperature at the desired location.
  • a pressure sensor is used to determine the associated pressure.
  • Corresponding sensors can also be used to determine gas compositions or volumetric flows of gas throughputs at corresponding points.
  • a sensor device for a fuel cell system for determining at least one fuel cell parameter from an acoustic sensor parameter.
  • a sensor device has a sensor channel with a channel input and a channel output.
  • the channel inlet and the channel outlet of the sensor channel are used for the fluid-communicating connection with an anode discharge section and / or a cathode discharge section of the fuel cell system.
  • a sensor channel can also be arranged in an anode feed section and / or a cathode feed section, that is to say basically in an anode path and / or a cathode path of a fuel cell system.
  • at least one sensor is in the sensor channel Relement arranged to determine at least one acoustic sensor parameter.
  • the sensor element it is now possible to determine acoustic sensor parameters on the sensor channel.
  • the sensor element it is possible for the sensor element to record the acoustic sensor parameters directly within the sensor channel. Indirect recording with a sensor element in the body of the sensor channel or outside the sensor channel is also conceivable within the meaning of the present invention.
  • a decisive advantage of the present invention is that, on the basis of acoustic sensor parameters, information about fuel cell parameters can be obtained in a direct or indirect manner.
  • information about fuel cell parameters can be obtained in a direct or indirect manner.
  • acoustic sensor parameters can be used to determine the speed of sound in the fluidics within the sensor channel.
  • further fuel cell parameters for example the current volume flow within the sensor channel or similar parameters, can now be determined.
  • the evaluation can be provided both algorithmically and mathematically as well as on the basis of a tabular relationship.
  • system acoustics of the fuel cell system can be determined, so to speak, with the aid of a sensor device according to the invention, on the basis of which one or more fuel cell parameters can then be determined.
  • the specificity between the sensor device, in particular the sensor element, and the fuel cell parameter to be determined is at least partially canceled. It is thus possible through the indirect and intended relationship between the acoustic sensor parameters to be recorded and the fuel cell parameters to be determined to carry out multiple determinations with one and the same sensor element. For example, it is conceivable that two or more different fuel cell parameters can be determined from a recorded acoustic sensor parameter with one sensor element.
  • the fluid composition within the sensor channel can be at least partially can be determined as a second fuel cell parameter.
  • two or more acoustic sensor parameters can be recorded with one and the same sensor element.
  • a sound frequency and a speed of sound can be recorded as two separate sensor parameters with one sensor element.
  • one or even several fuel cell parameters can now be determined, so that a large number of very different fuel cell parameters can be determined with the aid of a single sensor element of a single sensor device.
  • a fluid is to be understood as meaning a gaseous or a liquid medium or a mixed form thereof.
  • an acoustic operating sensor parameter in particular is determined as the acoustic sensor parameter.
  • This is a sensor parameter that is based on an acoustic source that is generated by the operation of the fuel cell system.
  • An acoustic operating sensor parameter is therefore an acoustic signal which is generated, for example, when a compressor is operated, when an adjustable valve is moved or when there is a single flow through a flow section in the anode path or in the cathode path.
  • the sensor device when determining an acoustic operating sensor parameter, the sensor device is used to at least partially perceive the acoustic noise of the fuel cell system that occurs during operation and to determine one or more fuel cell parameters therefrom.
  • the at least one sensor element is arranged, at least in sections, directly in an interior of the sensor channel.
  • Such an arrangement in the interior leads to direct contact between the sound in the sensor channel and the corresponding sensor element.
  • the sensor element is, for example, an acoustic microphone
  • acoustic waves can be picked up directly within the channel.
  • a channel wall can be provided in the sensor channel, which is equipped with a lateral channel wall opening. Through this duct wall opening, the sensor element can protrude at least in sections into the interior of the sensor duct and there, in the desired manner, receive sound waves as acoustic sensor parameters directly in the interior.
  • the at least one sensor element is arranged at least partially in contact on a channel body of the sensor channel, in particular outside an interior of the sensor channel. It is thus possible, for example, for the channel body of the sensor channel, which includes the channel walls of the sensor channel, to vibrate by sound waves in the interior of the sensor channel. Such vibrations can have different frequencies of different amplitudes, so that a corresponding sensor element, which is adapted to the frequencies and amplitudes, can also perceive them outside the interior. In the simplest manner, it is thus conceivable in such an embodiment that such a sensor element is attached in a contacting manner on the outside of the channel body.
  • this is a contacting adhesive or attachment to the outer wall of the channel body.
  • a sensor element can provide the indirect determination of the acoustic sensor parameter.
  • a decisive advantage of this variant is that the interior of the sensor channel remains sealed, and no additional sealing of an opening for the sensor element is necessary.
  • a sensor element as such can receive both indirect vibrations on the channel body and also directly acoustic signals in the interior of the sensor signal in a combined manner.
  • the sensor element can also be arranged within the interior of the sensor channel.
  • the at least one sensor element has at least one sensor means for determining at least one of the following acoustic sensor parameters:
  • the speed of sound can be understood to mean, for example, that starting from a sound generator, for example a functional element of the fuel cell system, the distance to the sensor element is known.
  • the speed of sound can be determined not only in the sensor channel, but over the entire distance to the sensor channel.
  • a sound pressure in the sensor channel can also be determined, which in particular allows a determination with regard to the gas composition or the fluid composition in the interior of the sensor channel.
  • a sound power level in particular in the form of a total amplitude and / or an oscillation frequency, in the sensor channel in order to provide an evaluation and a determination of the fuel cell parameter accordingly.
  • a sound power level in particular in the form of a total amplitude and / or an oscillation frequency
  • time segments, gradients or the like for the individual acoustic sensor parameters determined.
  • a sound generator is arranged in an interior of the sensor channel and / or on a channel body of the sensor channel for introducing an acoustic signal into the sensor channel.
  • an operating signal or an acoustic operating signal is used in the basic concept of the present invention, which is then perceived to determine the acoustic sensor parameters
  • an acoustically actively generated signal can also be used with a sound generator.
  • superimpositions of operating noise and actively generated noise can be generated in order to enable an even more precise evaluation of acoustic sensor parameters and, accordingly, a more precise determination of fuel cell parameters.
  • Such a sound generator can be part of the sensor device, but also part of the fuel cell system itself.
  • a defined position relative to the sensor element is also given for such a defined, predefinable sound system, in order to be able to determine, for example, the speed of sound over the predefined distance between generation and perception.
  • At least one supplementary sensor element is arranged at a distance from the sensor element in the sensor channel.
  • This allows a speed of sound to be determined independently or in addition to an arrangement of an active sound generator, for example by means of a defined relative position from the sensor element to the supplementary sensor element.
  • the time difference between the detection of an acoustic sensor parameter on the sensor element and the corresponding detection of the identical acoustic sensor parameter on the supplementary sensor element can provide the determination of the speed of sound.
  • the identical sensor means is used as for the basic or main sensor element.
  • an identical or essentially identical recording of the corresponding identical acoustic sensor parameter should also preferably be carried out.
  • the arrangement for all sensor elements is preferably identical or essentially Chen identical in the interior and / or independently or outside the interior of the sensor channel.
  • the present invention also relates to a fuel cell system comprising: at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an anode feed section for feeding anode feed gas to the anode section, a cathode feed section for feeding cathode feed gas to the cathode section, an anode discharge section for discharging anode exhaust gas, a cathode discharge section Removal of cathode exhaust gas.
  • At least one sensor device according to the invention is arranged in the anode discharge section and / or in the cathode discharge section.
  • the arrangement of the sensor device can also be made available in the anode feed section and / or in the cathode feed section. Since a fuel cell system according to the invention brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a sensor device according to the invention. Depending on the anode feed gas used, it can also bring advantages if the anode feed section is additionally provided with a reformer device which is able to reform the anode feed gas and then feed it to the anode section of the fuel cell stack in a reformed state. An insert in the fuel cell stack surrounding the housing is also advantageous in order to detect leaks in the stack.
  • the sensor device is arranged in that part of the Anodenabcorrespondingrabiteses and / or the Kathodenabunitrabiteses, via which exhaust gas is discharged directly to the environment.
  • a hydrogen content in the exhaust gas can be determined without other influences, in particular without the influence of moisture.
  • the fuel cell system includes a recirculation line, then it is advantageous if the sensor device is not arranged in the recirculation line. It is also advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the sensor channel of the at least one sensor device forms part of the anode discharge section and / or part of the cathode discharge section, in particular forms it completely.
  • the sensor channel correspondingly forms, at least in sections, part of the anode feed section and / or the cathode feed section.
  • the sensor device is thus integrated in a fluid-communicating manner essentially seamlessly in the anode path or in the cathode path and in this way can be integrated into the fuel cell system in a cost-effective and compact manner. In this way, no additional lines are preferably necessary either.
  • it is an indirect sensor element with an arrangement on an outer wall of the sensor channel, subsequent arrangement in already existing fuel cell systems can also bring the advantages described according to the invention.
  • the sensor channel of the at least one sensor device is arranged in a bypass section, in the anode discharge section and / or the cathode discharge section.
  • a bypass section is likewise provided in this embodiment.
  • the separate integration is combined in particular with valves for the access and / or the exit from this bypass section, so that the possibility of perception in this bypass section for the sensor element can be switched on and off, so to speak.
  • the influence on the flow in the main section separated from the bypass section in the anode path and / or in the cathode path can be minimized in this way, so that the bypass is only opened when a determination is actually desired or necessary.
  • At least one sound generator is arranged at a distance from the at least one sensor element, in particular at a distance from the at least one sensor device.
  • a sound generator is in particular arranged separately from the Sensorvor direction and at a different point in the fuel cell system.
  • the sound generator can, for example, in the feed section to the fuel cell system, in particular in the anode feed section and / or in the cathode feed guide section, be arranged.
  • This can be an active sound generator or a functional sound generator which, as will be explained later, is part of the operation of the fuel cell system as a functional element.
  • the combination with active sound generators makes it possible to ensure an even more precise correlation between the specific acoustic sensor parameter and the fuel cell parameter to be determined.
  • the at least one sound generator has a functional element, in particular in the form of a valve and / or a flap.
  • a functional element in the sense of the present invention is a functional element with a functionality for or during the operation of the fuel cell system.
  • a functional element in the form of a valve will emit a corresponding acoustic sound signal when the valve is moved, for example during the opening process and / or the closing process.
  • Such a sound generation can in turn be perceived as an acoustic sensor parameter elsewhere in the fuel cell system with the aid of the sensor device according to the invention.
  • a functional element in the form of a valve or a flap can also be used as an active sound generator.
  • every functional element that generates an acoustic sound when the fuel cell element is in operation can be used as a sound generator in the context of the present invention.
  • the time at which the sound is generated is also recorded by the time at which the function of the respective functional element is triggered and the determination of the fuel cell parameter from the recorded acoustic sensor parameter, in particular in conjunction with the recording time of this recorded acoustic sensor parameter, is used as a basis.
  • Another object of the present invention is a method for the determination of at least one fuel cell parameter of a fuel cell system according to the present invention, comprising the following steps:
  • Detecting at least one acoustic sensor parameter with the at least one sensor element of the sensor device Determining a correlation between the recorded at least one sensor parameter and at least one fuel cell parameter,
  • a method according to the invention thus brings the same advantages as have been explained in detail with reference to a fuel cell system according to the invention and with reference to a sensor device according to the invention.
  • the correlation between the recorded acoustic sensor parameters and the desired fuel cell parameters to be determined can be specified in the most varied of ways. For example, a mathematical and / or algorithmic relationship is conceivable. Of course, the use of neural networks in the form of artificial intelligence is also possible here. It is also fundamentally possible, on the basis of an extensive test operation, to provide a tabular relationship which forms these correlations in the manner according to the invention.
  • the above list is not an exhaustive list.
  • two or more of these fuel cell parameters can also be determined on the basis of one and the same or different acoustic sensor parameters.
  • the balancing situation of a compressor shaft in the cathode feed section can be determined, for example, as the mechanical status. Signs of aging can also occur on mechanical components, especially in the case of valves. Tilen or flaps of the fuel cell system are perceived in the manner according to the invention.
  • a tightness state can also be determined on the basis of acoustic sensor parameters and output as fuel cell parameters.
  • the correlation to at least two different fuel cell parameters is determined for a recorded acoustic sensor parameter.
  • the method in this way allows different fuel cell parameters to be determined with one and the same sensor element. This enables multiple use of the sensor element, so that a number of different specific sensor elements according to the prior art can be dispensed with with a single sensor element, since an evaluation is possible several times on the basis of a single acoustic sensor parameter, so to speak. In this way, the number and complexity of the sensors can be reduced in a particularly simple and cost-effective manner.
  • a comparison database is used to determine the correlation.
  • a comparison database can also be understood as a data table which, for example, allows a corresponding correlation connection on the basis of test results.
  • a mathematical correlation is also conceivable. It is also possible to integrate correction factors, in particular with reference to operating information of the fuel cell system, into the correlation.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a sensor device according to the invention
  • Fig. 2 shows a further embodiment of a sensor device according to the invention
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a sensor device according to the invention
  • Fig. 4 shows a further embodiment of a sensor device according to the invention
  • Fig. 6 shows another embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 9 shows a further illustration of a fuel cell system according to the invention.
  • the simplest possibility of a sensor device 10 according to the invention is shown schematically.
  • the sensor channel 20 is shown as an essentially round channel piece, which has a channel inlet 22 and a channel outlet 24.
  • Channel inlet 22 and channel outlet 24 are used for the fluid-communicating connection to the respective anode path or cathode path of the fuel cell system 100, as will be explained later. It is unimportant for the mode of operation whether the channel input 22 and the channel output 24 are integrated directly or indirectly as a bypass in the respective anode path or cathode path.
  • the sensor element 30 has a sensor means 32 which is arranged as an acoustic perception element in the interior 26 of the sensor channel 20.
  • a lateral opening is seen in the channel body 28, through which the sensor element 30 protrudes so that, for example in the form of a microphone element, the sensor means 32 is in the interior space 26 for receiving the acoustic sensor parameter SP. This allows the acoustic sensor parameter SP to be determined directly.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the sensor device 10, in which the sensor means 32 is arranged on the outside of the channel body 28 as an indirect possibility of perception.
  • the entire Sensorele element 30 and thus also the sensor means 32 is outside the interior 26 of the Sensor channel 20.
  • These indirectly transmitted sound waves can now be perceived by the contacting sensor means 32 attached to the channel body 28 and fed to the further evaluation accordingly.
  • FIG. 3 shows a further development of the embodiment of FIG. 1. This is supplemented by an active sound generator 40 which is able to actively generate corresponding sound signals. These actively generated sound signals are preferably superimposed on operating sound signals of the fuel cell system in order to provide an even more precise evaluation of acoustic sensor parameters SP and correspond to the relationships with fuel cell parameters BP.
  • a sound generator 40 can be designed as a loudspeaker in the simplest manner.
  • FIG. 4 shows a variant which develops the embodiment of FIG.
  • a supplementary sensor element 50 is also provided here, which is able to carry out this detection of the acoustic sensor parameter SP, as it were, twice. It is thus possible to perceive one and the same acoustic sensor parameter SP with a defined relative position at different points of the sensor signal and to filter out further information for the determination of the fuel cell parameter BP accordingly through the different perception positions.
  • FIG. 5 shows a fuel cell system according to the invention, which here schematically shows the fuel cell stack 110 with the anode section 112 and the cathode section 114.
  • a functional element 52 is shown here, which, as a valve, sends an active operating sound as an acoustic signal into the fuel cell system 100.
  • the sensor device 10 can perceive an acoustic sensor parameter SP which is related to the functional element, for example to the switching of the valve.
  • a reformer feed section 132 and an associated reformer 130 for reforming the anode feed gas are also provided upstream in the anode feed section 120.
  • FIG. 6 shows a similar situation tion like FIG. 5, but here the sensor device 10 is provided in a bypass section in the cathode discharge section 142.
  • the functionality is identical to that described above.
  • FIG. 7 shows schematically how a sound parameter SP can be perceived and passed on by a sound element 30 and there by the sensor means 32.
  • a comparison database VB uses the comparison in a comparison database VB to generate and output a fuel cell parameter BP.
  • FIG. 8 shows a similar situation, but with two different fuel cell parameters BP generated and output in parallel on the basis of a single acoustic sensor parameter SP.
  • FIG. 9 again shows how a complex fuel cell system 100 can be designed.
  • a recirculation section 160 is also provided here in order to return anode exhaust gas from two separate fuel cell stacks 110.
  • An ejector section 170 is also provided which, as an ejector 170, allows a corresponding supply of anode exhaust gas mixed with anode supply gas to be generated to the fuel cell stack.
  • the sensor device is provided in the anode discharge section 122 or in the cathode discharge section 142, for example. It is particularly advantageous if the sensor device 10 is not arranged in the recirculation section 160, but in a fluff exhaust line.
  • sensor device 20 sensor channel 22 channel inlet 24 channel outlet 26 interior 28 channel body 30 sensor element 32 sensor means 40 sound generator 50 supplementary sensor element 52 functional element
  • fuel cell system 110 fuel cell stack 112 anode section 114 cathode section 120 anode feed section 122 anode discharge section 130 reformer 132 reformer feed section 140 cathode feed section 142 cathode discharge section 150 bypass section 160 recirculation section 170 ejector

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Bestimmung wenigstens eines Brennstoffzellenparameters (BP) aus einem akustischem Sensorparameter (SP), aufweisend einen Sensorkanal (20) mit einem Kanaleingang (22) und einem Kanalausgang (24) für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einem Anodenabführabschnitt (122) und/oder einem Kathodenabführabschnitt (142) des Brennstoffzellensystems (100), wobei im Sensorkanal (20) wenigstens ein Sensorelement (30) angeordnet ist zur Bestimmung von wenigstens einem akustischen Sensorparameter (SP).

Description

Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Bestimmung wenigstens eines Brennstoffzellenparameters aus einem akustischen Sensorparameter
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensys tem zur Bestimmung wenigstens eines Brennstoffzellenparameters aus einem akus tischen Sensorparameter, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Sensorvor richtung sowie ein Verfahren für die Bestimmung von wenigstens einem Brennstoff zellenparameter eines Brennstoffzellensystems.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme im Betrieb kontrolliert werden müssen. Für eine solche Kontrolle, insbesondere in Form einer Regelung und/oder einer Steuerung, ist die Erfassung von Brennstoffzellenparametern notwendig. Bei solchen Parametern kann es sich um direkt messbare Parameter, wie zum Beispiel Volu menströme, Temperaturen, Drücke oder Ähnliches, handeln. Jedoch sind als Brenn stoffzellenparameter im Sinne der vorliegenden Erfindung auch indirekt messbare Parameter, zum Beispiel der Alterungszustand einzelner Komponenten, der Feuch tigkeitszustand der Membranen im Brennstoffzellenstapel oder Ähnliches, denkbar. Es ist darauf hinzuweisen, dass für den Begriff Brennstoffzellenparameter im Sinne der vorliegenden Erfindung keine Beschränkung auf die voranstehend genannten di rekten und indirekten Parameter vorliegt. Vielmehr ist jede Form von Brennstoffzel lenparametern, welche für den direkten Betrieb oder die Auswertung des Betriebes des Brennstoffzellensystems notwendig oder sinnvoll sind, im Sinne der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
Bei bekannten Brennstoffzellensystemen wird für die Bestimmung von Brennstoffzel lenparametern üblicherweise ein entsprechendes Sensorelement eingesetzt, um den zugehörigen Brennstoffzellenparameter zu bestimmen. Beispielsweise wird für die Bestimmung einer Temperatur ein entsprechendes Temperaturelement verwendet, um die zugehörige Temperatur an der gewünschten Stelle zu bestimmen. Soll ein Druck bestimmt werden, so wird ein Drucksensor eingesetzt, um den zugehörigen Druck zu bestimmen. Für die Bestimmung von Gaszusammensetzungen oder Volu menströmen von Gasdurchsätzen an entsprechenden Stellen können ebenfalls zu gehörige Sensoren verwendet werden.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass immer spezifische Sensoren für spezifische Brennstoffzellenparameter eingesetzt werden müssen. Dies führt zum einen dazu, dass für eine hohe Anzahl an Brennstoffzellenparametern auch eine ent sprechend hohe Anzahl von Sensoren eingesetzt werden muss. Darüber hinaus ist es bisher nur sehr eingeschränkt oder überhaupt nicht möglich einen Sensor für un terschiedliche Brennstoffzellenparameter mehrfach einzusetzen, sodass die entspre chend einhergehende Sensorkomplexität sowie die Auswertung relativ hoch ist. Dies führt zu einer hohen Komplexität in der Konstruktion bekannter Brennstoffzellensys teme sowie zu entsprechender Komplexität bei den Auswerteverfahren sowie den Kontrollverfahren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Sensorik für die Kontrolle eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorvorrichtung mit den Merk malen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des An spruchs 7 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Be schreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu sammenhang mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wech selseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine Sensorvorrichtung vorgeschlagen für ein Brennstoffzel lensystem zur Bestimmung wenigstens eines Brennstoffzellenparameters aus einem akustischen Sensorparameter. Eine solche Sensorvorrichtung weist einen Sensorka nal mit einem Kanaleingang und einem Kanalausgang auf. Der Kanaleingang und der Kanalausgang des Sensorkanals dienen der fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Anodenabführabschnitt und/oder einem Kathodenabführabschnitt des Brennstoffzellensystems. Grundsätzlich kann ein Sensorkanal jedoch auch in einem Anodenzuführabschnitt und/oder einem Kathodenzuführabschnitt also grundsätzlich in einem Anodenpfad und/oder einem Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Erfindungsgemäß ist dabei im Sensorkanal wenigstens ein Senso- relement angeordnet zur Bestimmung von wenigstens einem akustischen Sensorpa rameter.
Erfindungsgemäß ist also nun die Möglichkeit gegeben, akustische Sensorparameter am Sensorkanal zu bestimmen. Dabei ist es grundsätzlich möglich, dass das Senso relement eine direkte Aufnahme der akustischen Sensorparameter innerhalb des Sensorkanals durchführt. Auch eine indirekte Aufnahme mit einem Sensorelement im Körper des Sensorkanals oder außerhalb des Sensorkanals ist im Sinne der vorlie genden Erfindung denkbar.
Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass ausgehend von akustischen Sensorparametern Informationen über Brennstoffzellenparameter in di rekter oder in indirekter Weise bezogen werden können. Beispielsweise ist es mög lich, aus den akustischen Sensorparametern Brennstoffzellenparameter direkt oder indirekt zu bestimmen. So kann beispielsweise über akustische Sensorparameter die Schallgeschwindigkeit in der Fluidik innerhalb des Sensorkanals bestimmt werden. Auf Basis dieser bestimmten Schallgeschwindigkeit der akustischen Sensorparame ter sind nun weitere Brennstoffzellenparameter, zum Beispiel der aktuelle Volumen strom innerhalb des Sensorkanals oder ähnliche Parameter, bestimmbar. Die Aus wertung kann dabei sowohl algorithmisch mathematisch als auch auf Basis eines ta bellarischen Zusammenhangs zur Verfügung gestellt sein.
Von besonderem Vorteil ist es, dass mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Sensorvor richtung sozusagen eine Systemakustik des Brennstoffzellensystems bestimmbar ist, auf deren Basis anschließend ein oder mehrere Brennstoffzellenparameter bestimm bar sind. Dabei ist die Spezifität zwischen der Sensorvorrichtung, insbesondere dem Sensorelement, und dem zu bestimmenden Brennstoffzellenparameter zumindest teilweise aufgehoben. Somit wird es möglich durch den indirekten und bestimmungs gemäßen Zusammenhang zwischen aufzunehmenden akustischen Sensorparame tern und zu bestimmendem Brennstoffzellenparameter eine Mehrfachbestimmung mit ein und demselben Sensorelement durchzuführen. So ist es beispielsweise denkbar, dass mit einem Sensorelement aus einem aufgenommen akustischen Sen sorparameter zwei oder mehr unterschiedliche Brennstoffzellenparameter bestimm bar sind. Wird beispielsweise die Schallgeschwindigkeit mit dem akustischen Sen sorparameter aufgenommen, so kann daraus neben dem Volumenstrom beispiels weise zumindest teilweise die Fluidzusammensetzung innerhalb des Sensorkanals als zweiter Brennstoffzellenparameter bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ ist es auch denkbar, dass zwei oder mehr akustische Sensorparameter mit ein und demselben Sensorelement aufgenommen werden können. So können beispielsweise eine Schallfrequenz und eine Schallgeschwindigkeit als zwei separate Sensorpara meter mit einem Sensorelement aufgenommen werden. Auf Basis jedes akustischen Sensorparameters können nun wiederum ein oder sogar ebenfalls mehrere Brenn stoffzellenparameter bestimmt werden, sodass mit Hilfe eines einzigen Sensorele ments einer einzigen Sensorvorrichtung eine Vielzahl unterschiedlichster Brennstoff zellenparameter bestimmbar ist.
Unter einem Fluid ist im Rahmen der Erfindung ein gasförmiges oder ein flüssiges Medium oder eine Mischform davon zu verstehen.
Basierend auf den voranstehenden Ausführungen wird ersichtlich, dass nun mit ein und demselben Sensorelement einer Sensorvorrichtung eine deutlich größere Anzahl an Brennstoffzellenparametern bestimmt werden kann. Damit wird es möglich eine Vielzahl spezifischer Sensorelemente, wie sie bisher eingesetzt werden, zu vermei den beziehungsweise gänzlich auf solche zu verzichten. Durch die Kombination mehrerer Brennstoffzellenparameter an ein und demselben Sensorelement einer Sensorvorrichtung wird somit die Komplexität und der Kostenaufwand bei der Her stellung eines Brennstoffzellensystems deutlich reduziert.
Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass als akustischer Sensorparameter insbeson dere ein akustischer Betriebs-Sensorparameter bestimmt wird. Dabei handelt es sich um einen Sensorparameter, der auf einer Akustikquelle basiert, welche durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht. Ein akustischer Betriebs- Sensorparameter ist also ein akustisches Signal, welches beispielsweise beim Be trieb eines Kompressors, bei der Bewegung eines stellbaren Ventils oder bei der ein fachen Durchströmung eines Strömungsabschnitts im Anodenpfad oder im Katho denpfad, entsteht. Mit anderen Worten dient bei der Bestimmung eines akustischen Betriebs-Sensorparameters die Sensorvorrichtung dazu, den im Betrieb entstehen den akustischen Lärm des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise wahrzuneh men und daraus einen oder mehrere Brennstoffzellenparameter zu bestimmen. So mit wird es möglich, insbesondere an einer einzigen Stelle, mit einem einzigen Sen sorelement eine Vielzahl von Brennstoffzellenparametern wahrzunehmen, welche bei bisherigen Lösungen durch eine Vielzahl einzelner Sensorelemente an einer Vielzahl unterschiedlicher Sensorpositionen zu bestimmen waren. Dies zeigt noch einmal deutlich, welch große Kosteneinsparungen und Komplexitätsreduktionen durch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung möglich sind. Zusätzlich lassen sich Queremp findlichkeiten, welche Probleme bei der Steuerung und Regelung verursachen, mini mieren und insbesondere gänzlich vermeiden.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrich tung das wenigstens eine Sensorelement zumindest abschnittsweise direkt in einem Innenraum des Sensorkanals angeordnet ist. Eine solche Anordnung im Innenraum führt zu einer direkten Kontaktierung des Schalls im Sensorkanal mit dem entspre chenden Sensorelement. Handelt es sich bei dem Sensorelement zum Beispiel um ein akustisches Mikrofon, so kann eine direkte Aufnahme von akustischen Wellen innerhalb des Kanals stattfinden. Beispielsweise kann im Sensorkanal eine Kanal wand vorgesehen sein, welche mit einer seitlichen Kanalwandöffnung ausgestattet ist. Durch diese Kanalwandöffnung kann das Sensorelement zumindest abschnitts weise in den Innenraum des Sensorkanals hineinragen und dort in gewünschter Weise direkt im Innenraum Schallwellen als akustischen Sensorparameter aufneh men.
Alternativ oder zusätzlich zum voranstehenden Absatz kann es Vorteile mit sich brin gen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung das wenigstens eine Sensorelement zumindest abschnittsweise kontaktierend an einem Kanalkörper des Sensorkanals angeordnet ist, insbesondere außerhalb eines Innenraums des Sen sorkanals. So ist es beispielsweise möglich, dass durch Schallwellen im Innenraum des Sensorkanals der Kanalkörper des Sensorkanals, welcher die Kanalwände des Sensorkanals umfasst, in Vibrationen versetzt wird. Solche Vibrationen können un terschiedliche Frequenzen unterschiedlicher Amplituden haben, sodass ein entspre chendes Sensorelement, welches an die Frequenzen und Amplituden angepasst ist, diese auch außerhalb des Innenraums wahrnehmen kann. So ist es in einfachster Weise bei einer solchen Ausführungsform denkbar, dass ein solches Sensorelement kontaktierend auf der Außenseite des Kanalkörpers angebracht ist. Beispielsweise handelt es sich hier um ein kontaktierendes Aufkleben oder Anbringen an der Au ßenwand des Kanalkörpers. Auch in den Kanalkörper integral eingebracht, zum Bei spiel während der Fertigung des Kanalkörpers, kann ein solches Sensorelement die indirekte Bestimmung des akustischen Sensorparameters zur Verfügung stellen. Ein entscheidender Vorteil dieser Variante ist, dass der Innenraum des Sensorkanals weiter abgedichtet verbleibt, und kein zusätzliches Abdichten eines Durchbruchs für das Sensorelement notwendig ist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass ein Sensorelement als solches in kombinierter Weise sowohl indirekt Vibrationen am Kanalkörper als auch direkt akustische Signale im Innenraum des Sensorsignals empfangen kann. Das Sensorelement kann jedoch auch innerhalb des Innenraums des Sensorkanals angeordnet sein.
Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung das wenigstens eine Sensorelement zumindest ein Sensormittel zur Bestimmung von mindestens einem der folgenden akustischen Sensorparameter aufweist:
Schallgeschwindigkeit im Sensorkanal,
Schalldruck im Sensorkanal,
Schallleistungspegel im Sensorkanal,
Schwingungsfrequenz im Sensorkanal.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Lis te. Unter der Schallgeschwindigkeit kann beispielsweise verstanden werden, dass ausgehend von einem Schallerzeuger, beispielsweise einem Funktionselement des Brennstoffzellensystems, die Strecke bis zum Sensorelement bekannt ist. Durch die Bestimmung der Aktion am Funktionselement und dem entsprechenden Zeitpunkt sowie der Bestimmung des Zeitpunkts der Wahrnehmung des akustischen Signals, ausgehend von dieser Funktionalität, kann die Schallgeschwindigkeit nicht nur im Sensorkanal, sondern über die gesamte Strecke bis zum Sensorkanal bestimmt wer den. Auch ist ein Schalldruck im Sensorkanal bestimmbar, welcher insbesondere ei ne Bestimmung zulässt hinsichtlich der Gaszusammensetzung beziehungsweise der Fluidzusammensetzung im Innenraum des Sensorkanals. Auch ist es denkbar, einen Schallleistungspegel, insbesondere in Form einer Gesamtamplitude und/oder eine Schwingungsfrequenz im Sensorkanal zu bestimmen, um entsprechend eine Aus wertung und eine Bestimmung des Brennstoffzellenparameters zur Verfügung zu stellen. Neben einer absoluten Aufnahme des jeweiligen akustischen Sensorparame ters sind dabei selbstverständlich auch die Bestimmungen von Zeitabschnitten, Gra dienten oder Ähnlichem für die einzelnen bestimmten akustischen Sensorparameter denkbar. Selbstverständlich sind auch zwei oder mehr Sensormittel für zwei oder mehr akustische Sensorparameter kombinierbar, wie dies bereits erläutert worden ist.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sensor vorrichtung in einem Innenraum des Sensorkanals und/oder an einem Kanalkörper des Sensorkanals ein Schallerzeuger angeordnet ist für ein Einbringen eines akusti schen Signals in den Sensorkanal. Während bei dem grundsätzlichen Kerngedanken der vorliegenden Erfindung ein Betriebssignal beziehungsweise ein akustisches Be triebssignal eingesetzt wird, welches anschließend für die Bestimmung des akusti schen Sensorparameters wahrgenommen wird, kann zusätzlich oder alternativ auch ein akustisch aktiv erzeugtes Signal mit einem Schallerzeuger eingesetzt werden. So können beispielsweise Überlagerungen von Betriebsschall und aktiv erzeugtem Schall erzeugt werden, um eine noch exaktere Auswertung von akustischen Sensor parametern und dementsprechend eine genauere Bestimmung von Brennstoffzellen parametern zu ermöglichen. Ein solcher Schallerzeuger kann dabei Teil der Sensor vorrichtung, aber auch Teil des Brennstoffzellensystems selbst sein. Insbesondere ist für eine solche definierte vorgebbare Beschallung auch eine definierte Relativposition zum Sensorelement vorgegeben, um zum Beispiel Schallgeschwindigkeiten über die vordefinierte Strecke zwischen Erzeugung und Wahrnehmung, bestimmen zu kön nen.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Sen sorvorrichtung im Sensorkanal wenigstens ein Ergänzungs-Sensorelement beab- standet von dem Sensorelement angeordnet ist. Dies erlaubt es unabhängig oder zusätzlich zu einer Anordnung eines aktiven Schallerzeugers, zum Beispiel durch ei ne definierte Relativposition vom Sensorelement zum Ergänzungs-Sensorelement, eine Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. So kann die Zeitdifferenz zwischen der Erkennung eines akustischen Sensorparameters am Sensorelement und der ent sprechenden Erkennung des identischen akustischen Sensorparameters am Ergän zungs-Sensorelement die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit zur Verfügung stel len. Insbesondere wird bei der Verwendung eines Ergänzungs-Sensorelementes das identische Sensormittel eingesetzt, wie für das Basis- beziehungsweise Hauptsenso relement. Somit soll mit allen Sensorelementen in einem Sensorkanal auch vorzugs weise ein identisches oder im Wesentlichen identisches Aufnehmen des entspre chenden identischen akustischen Sensorparameters durchgeführt werden. Vorzugs weise ist auch die Anordnung für alle Sensorelemente identisch oder im Wesentli- chen identisch im Innenraum und/oder unabhängig beziehungsweise außerhalb des Innenraums des Sensorkanals.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt, einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas, einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas.
Dabei ist erfindungsgemäß im Anodenabführabschnitt und/oder im Kathodenab führabschnitt wenigstens eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung angeordnet. Selbstverständlich kann die Anordnung der Sensorvorrichtung auch im Anodenzu führabschnitt und/oder im Kathodenzuführabschnitt zur Verfügung gestellt sein. Da mit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung erläutert worden sind. Je nach verwendetem Anodenzuführgas kann es auch Vorteile mit sich bringen, wenn dem Anodenzuführabschnitt zusätzlich noch eine Reformer vorrichtung angeordnet ist, welche in der Lage ist, das Anodenzuführgas zu reformie ren und anschließend in reformiertem Zustand dem Anodenabschnitt des Brennstoff zellenstapels zuzuführen. Auch ein Einsatz im den Brennstoffzellenstapel umgeben den Gehäuse ist vorteilhaft, um Undichtigkeiten des Stapels zu erkennen.
Günstig ist es, wenn die Sensorvorrichtung in jenem Teil des Anodenabführabschnit tes und/oder des Kathodenabführabschnittes angeordnet, über welchen Abgas direkt an die Umgebung abgeführt wird. Dadurch kann ein Wasserstoffgehalt im Abgas oh ne andere Einflüsse, insbesondere ohne einen Feuchtigkeitseinfluss bestimmt wer den. Umfasst das Brennstoffzellensystem eine Rezirkulationsleitung, dann ist es also günstig, wenn die Sensoreinrichtung nicht in der Rezirkulationsleitung angeordnet ist. Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem der Sensorkanal der wenigstens einen Sensorvorrichtung einen Teil des Ano denabführabschnitts und/oder einen Teil des Kathodenabführabschnitts ausbildet, insbesondere vollständig ausbildet. Bei einer Anordnung an anderer Stelle im Ano denpfad und/oder im Kathodenpfad bildet entsprechend der Sensorkanal zumindest abschnittsweise einen Teil des Anodenzuführabschnitts und/oder des Kathodenzu- führabschnitts aus. Damit integriert sich die Sensorvorrichtung fluidkommunizierend im Wesentlichen nahtlos in den Anodenpfad beziehungsweise in den Kathodenpfad und kann auf diese Weise kostengünstig und kompakt in das Brennstoffzellensystem integriert werden. Vorzugsweise sind auf diese Weise auch keine zusätzlichen Lei tungen notwendig. Insbesondere dann, wenn es sich um ein indirektes Sensorele ment mit einer Anordnung auf einer Außenwand des Sensorkanals handelt, kann auch ein nachträgliches Anordnen bei bereits bestehenden Brennstoffzellensyste men, die erfindungsgemäß beschriebenen Vorteile mit sich bringen.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem der Sensorkanal der wenigstens einen Sensorvorrichtung in einem Bypassab schnitt, in dem Anodenabführabschnitt und/oder dem Kathodenabführabschnitt an geordnet ist. Bei einer Einbindung an anderer Stelle im Anodenpfad und/oder im Ka thodenpfad ist entsprechend ebenfalls ein solcher Bypassabschnitt bei dieser Aus führungsform vorgesehen. Die separate Einbindung wird insbesondere mit Ventilen für den Zugang und/oder den Abgang von diesem Bypassabschnitt kombiniert, so- dass die Wahrnehmungsmöglichkeit in diesem Bypassabschnitt für das Sensorele ment sozusagen ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Einflussnahme auf die Strömung im vom Bypassabschnitt getrennten Hauptabschnitt im Anodenpfad und/oder im Kathodenpfad kann auf diese Weise minimiert werden, sodass der By pass nur dann geöffnet wird, wenn auch tatsächlich eine Bestimmung gewünscht o- der notwendig ist.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem beabstandet zu den wenigstens einen Sensorelement, insbesondere beab- standet zur wenigstens einen Sensorvorrichtung, zumindest ein Schallerzeuger an geordnet ist. Ein solcher Schallerzeuger ist insbesondere separat von der Sensorvor richtung und an einer anderen Stelle im Brennstoffzellensystem angeordnet. Bei spielsweise kann der Schallerzeuger zum Beispiel im Zufuhrabschnitt zum Brenn stoffzellensystem, insbesondere im Anodenzuführabschnitt und/oder im Kathodenzu- führabschnitt, angeordnet sein. Dabei kann es sich um einen aktiven Schallerzeuger oder um einen Funktionsschallerzeuger handeln, welcher, wie später noch erläutert, als Funktionselement Teil des Betriebs des Brennstoffzellensystems ist. Die Kombi nation mit aktiven Schallerzeugern erlaubt es eine noch genauere Korrelation zwi schen dem bestimmten akustischen Sensorparameter und dem zu bestimmenden Brennstoffzellenparameter zu gewährleisten.
Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tem gemäß dem voranstehenden Absatz der zumindest eine Schallerzeuger ein Funktionselement, insbesondere in Form eines Ventils und/oder einer Klappe, auf weist. Ein Funktionselement im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Funktions element mit einer Funktionalität zum oder im Betrieb des Brennstoffzellensystems. Beispielsweise wird ein Funktionselement in Form eines Ventils bei einer Stellbewe gung des Ventils, also zum Beispiel beim Öffnungsvorgang und/oder beim Schließ vorgang, ein entsprechendes akustisches Schallsignal ausgeben. Eine solche Schal lerzeugung kann wiederum als akustischer Sensorparameter an anderer Stelle im Brennstoffzellensystem mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung wahrge nommen werden. Alternativ oder zusätzlich zu einem Funktionselement in Form ei nes Ventils oder einer Klappe können auch andere sich bewegende Teile, beispiels weise eine rotierende Kompressorwelle oder Ähnliches, als aktiver Schallerzeuger eingesetzt werden. Grundsätzlich ist jedes Funktionselement, welches im Betrieb des Brennstoffzellenelementes einen akustischen Schall erzeugt, als Schallerzeuger im Sinne der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Bevorzugt wird dabei zusätzlich der Zeitpunkt der Schallerzeugung, durch den Zeitpunkt der Funktionsauslösung des je weiligen Funktionselementes erfasst und der Bestimmung des Brennstoffzellenpa rameters aus dem erfassten akustischen Sensorparameter, insbesondere im Zu sammenspiel mit dem Erfassungszeitpunkt dieses erfassten akustischen Sensorpa rameters, zugrunde gelegt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Be stimmung von wenigstens einem Brennstoffzellenparameter eines Brennstoffzellen systems gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte:
Erfassen zumindest eines akustischen Sensorparameters mit dem we nigstens einen Sensorelement der Sensorvorrichtung, Bestimmen einer Korrelation zwischen dem erfassten zumindest einen Sensorparameter und zumindest einem Brennstoffzellenparameter,
Ausgeben des zumindest einen Brennstoffzellenparameters auf Basis der bestimmten Korrelation.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem und mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung erläutert worden sind. Die Kor relation zwischen dem erfassten akustischen Sensorparameter und dem gewünsch ten zu bestimmenden Brennstoffzellenparameter kann dabei in unterschiedlichster Weise vorgegeben werden. So ist beispielsweise ein mathematischer und/oder algo rithmischer Zusammenhang denkbar. Selbstverständlich ist hier auch der Einsatz von neuronalen Netzwerken in Form von künstlicher Intelligenz möglich. Auch ist es grundsätzlich möglich, auf Basis eines umfangreichen Testbetriebes einen tabellari schen Zusammenhang zur Verfügung zu stellen, welcher diese Korrelationen in er findungsgemäßer Weise ausbildet.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wenigs tens einer der folgenden Brennstoffzellenparameter ausgegeben wird:
Zusammensetzung eines Fluids in dem Sensorkanal,
Konzentration eines einzelnen Fluids in dem Sensorkanal,
Feuchtigkeit eines Fluids in dem Sensorkanal,
Mechanischer Status eines bewegten Bauteils des Brennstoffzellensys tems,
Dichtigkeit wenigstens eines Abschnitts des Brennstoffzellensystems.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Lis te. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr dieser Brennstoffzellenparameter auf Basis ein und desselben oder unterschiedlicher akustischer Sensorparameter bestimmt werden. Neben der direkten Bestimmung von Fluidzusammensetzungen oder -konzentrationen kann beispielsweise als mechanischer Status die Wuchtsitua tion einer Kompressorwelle im Kathodenzuführabschnitt bestimmt werden. Auch können Alterungserscheinungen an mechanischen Bauteilen, insbesondere bei Ven- tilen oder Klappen des Brennstoffzellensystems, in erfindungsgemäßer Weise wahr genommen werden. Durch eine Veränderung der Schallsituation bei Undichtigkeiten kann auch ein Dichtigkeitszustand auf Basis akustischer Sensorparameter bestimmt und als Brennstoffzellenparameter ausgegeben werden.
Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für einen erfassten akustischen Sensorparameter die Korrelation zu mindestens zwei unterschiedlichen Brennstoffzellenparametern bestimmt wird. Wie bereits an mehre ren Stellen erläutert worden ist, erlaubt es auf diese Weise das Verfahren mit ein und demselben Sensorelement unterschiedliche Brennstoffzellenparameter zu bestim men. Dies ermöglicht eine Mehrfachnutzung des Sensorelementes, sodass mit ei nem einzigen Sensorelement auf eine Mehrzahl unterschiedlicher spezifischer Sen sorelemente gemäß dem Stand der Technik verzichtet werden kann, da eine Aus wertung sozusagen mehrfach auf Basis eines einzelnen akustischen Sensorparame ters möglich wird. Die Reduktion der Anzahl und der Komplexität der Sensoren ist auf diese Weise besonders einfach und kostengünstig möglich.
Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für die Be stimmung der Korrelation eine Vergleichsdatenbank verwendet wird. Eine solche Vergleichsdatenbank kann auch als Datentabelle verstanden werden, welche zum Beispiel auf Basis von Versuchsergebnissen einen entsprechenden Korrelationszu sammenhang erlaubt. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine mathematische Korre lation denkbar. Auch ist es möglich Korrekturfaktoren, insbesondere mit Bezug auf Betriebsinformationen des Brennstoffzellensystems, in die Korrelation zu integrieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind Es zeigen schema tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrich tung,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensor vorrichtung,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensor vorrichtung, Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensor vorrichtung,
Fig. 5 ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäße Brenn stoffzellensystems,
Fig. 7 eine Möglichkeit der Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 8 eine weitere Möglichkeit der Durchführung eines erfindungsge mäßen Verfahrens und
Fig. 9 eine weitere Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystems.
In Figur 1 ist schematisch die einfachste Möglichkeit einer erfindungsgemäßen Sen sorvorrichtung 10 dargestellt. Hier ist der Sensorkanal 20 als im Wesentlichen rundes Kanalstück dargestellt, welches einen Kanaleingang 22 und einen Kanalausgang 24 aufweist. Kanaleingang 22 und Kanalausgang 24 dienen der fluidkommunizierenden Verbindung zum jeweiligen Anodenpfad oder Kathodenpfad des Brennstoffzellensys tems 100, wie dies später noch erläutert wird. Dabei ist für die Funktionsweise uner heblich, ob der Kanaleingang 22 und der Kanalausgang 24 direkt oder in indirekter Weise als Bypass in dem jeweiligen Anodenpfad oder Kathodenpfad integriert sind.
In der Figur 1 ist dargestellt, dass das Sensorelement 30 ein Sensormittel 32 auf weist, welches als akustisches Wahrnehmungselement im Innenraum 26 des Sen sorkanals 20 angeordnet ist. Dafür ist im Kanalkörper 28 eine seitliche Öffnung vor gesehen, durch welche das Sensorelement 30 durchragt, sodass sich, zum Beispiel in Form eines Mikrofonelements, das Sensormittel 32 im Innenraum 26 zur Aufnah me des akustischen Sensorparameters SP befindet. Dies erlaubt eine direkte Be stimmung des akustischen Sensorparameters SP.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Sensorvorrichtung 10, bei wel chem das Sensormittel 32 als indirekte Wahrnehmungsmöglichkeit auf der Außensei te des Kanalkörpers 28 angeordnet ist. Damit befindet sich das gesamte Sensorele ment 30 und damit auch das Sensormittel 32 außerhalb des Innenraums 26 des Sensorkanals 20. Schallwellen, welche durch den Sensorkanal 20 geführt sind, wer den sich zumindest teilweise auch auf den Kanalkörper 28 in Form von Vibrationen übertragen. Diese indirekt übertragenen Schallwellen können nun von dem kontaktie renden, auf dem Kanalkörper 28 angebrachten Sensormittel 32 wahrgenommen und entsprechend der weiteren Auswertung zugeführt werden.
Figur 3 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Diese ist um einen aktiven Schallerzeuger 40 ergänzt, welcher in der Lage ist, entsprechende Schallsig nale aktiv zu erzeugen. Diese aktiv erzeugten Schallsignale überlagern dabei vor zugsweise Betriebsschallsignale des Brennstoffzellensystems, um auf diese Weise eine noch genauere Auswertung akustischer Sensorparameter SP und entsprechen der Zusammenhänge mit Brennstoffzellenparametern BP zur Verfügung zu stellen. In einfachster Weise kann ein solcher Schallerzeuger 40 als Lautsprecher ausgebildet sein.
Die Figur 4 zeigt eine Variante, welche die Ausführungsform der Figur 2 weiterbildet. Hier ist zusätzlich nun ein Ergänzungs-Sensorelement 50 vorgesehen, welches in der Lage ist, diese Erkennung des akustischen Sensorparameters SP quasi doppelt durchzuführen. So ist es möglich mit definierter Relativposition an unterschiedlichen Stellen des Sensorsignals ein und denselben akustischen Sensorparameter SP wahrzunehmen und entsprechend durch die unterschiedlichen Wahrnehmungsposi tionen weitere Informationen für die Bestimmung des Brennstoffzellenparameters BP herauszufiltern.
Die Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, welches hier schematisch dem Brennstoffzellenstapel 110 mit dem Anodenabschnitt 112 und dem Kathodenabschnitt 114 zeigt. Im Anodenzuführabschnitt 120 ist hier ein Funktions element 52 dargestellt, welches als Ventil einen aktiven Betriebsschall als akusti sches Signal in das Brennstoffzellensystem 100 sendet. Entsprechend kann im Ano denabführabschnitt 122 die Sensorvorrichtung 10 einen akustischen Sensorparame ter SP wahrnehmen, welcher mit dem Funktionselement, zum Beispiel mit dem Schalten des Ventils, zusammenhängt. Bei dieser Ausführungsform ist im Anodenzu führabschnitt 120 vorgeschaltet noch ein Reformerzuführabschnitt 132 und ein zuge höriger Reformer 130 zum Reformieren des Anodenzuführgases vorgesehen. In glei cher Weise ist für den Kathodenabschnitt 114 ein Kathodenzuführabschnitt 140 und ein Kathodenabführabschnitt 142 vorgesehen. Die Figur 6 zeigt eine ähnliche Situa- tion wie die Figur 5, jedoch ist hier die Sensorvorrichtung 10 in einem Bypassab schnitt in dem Kathodenabführabschnitt 142 vorgesehen. Die Funktionalität ist je doch identisch zu der voranstehend beschrieben.
Figur 7 zeigt schematisch, wie ein Schallparameter SP von einem Schallelement 30 und dort vom Sensormittel 32 wahrgenommen und weitergeleitet werden kann. Über den Vergleich in einer Vergleichsdatenbank VB ist es möglich, einen Brennstoffzel lenparameter BP zu erzeugen und auszugeben. Die Figur 8 zeigt eine ähnliche Situ ation, wobei jedoch auf Basis eines einzelnen akustischen Sensorparameters SP zwei unterschiedliche Brennstoffzellenparameter BP erzeugt und parallel ausgege ben werden.
In der Figur 9 ist nochmals dargestellt, wie ein komplexes Brennstoffzellensystem 100 ausgestaltet sein kann. Hier ist zusätzlich ein Rezirkulationsabschnitt 160 vorge sehen, um Anodenabgas aus zwei separaten Brennstoffzellenstapeln 110 zurückzu führen. Auch ist ein Ejektorabschnitt 170 vorgesehen, welcher als Ejektor 170 es er laubt, eine entsprechende Zufuhr von Anodenabgas gemischt mit Anodenzuführgas zum Brennstoffzellenstapel zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform ist die Sensor vorrichtung zum Beispiel im Anodenabführabschnitt 122 oder im Kathodenabführab schnitt 142 vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensorvorrichtung 10 dabei nicht im Rezirkulationsabschnitt 160, sondern in einer Flauptabgasleitung an geordnet ist.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Sensorvorrichtung 20 Sensorkanal 22 Kanaleingang 24 Kanalausgang 26 Innenraum 28 Kanalkörper 30 Sensorelement 32 Sensormittel 40 Schallerzeuger 50 Ergänzungs-Sensorelement 52 Funktionselement
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Anodenabschnitt 114 Kathodenabschnitt 120 Anodenzuführabschnitt 122 Anodenabführabschnitt 130 Reformer 132 Reformerzuführabschnitt 140 Kathodenzuführabschnitt 142 Kathodenabführabschnitt 150 Bypassabschnitt 160 Rezirkulationsabschnitt 170 Ejektor
BP Brennstoffzellenparameter SP akustischer Sensorparameter VB Vergleichsdatenbank

Claims

Patentansprüche
1. Sensorvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) zur Bestimmung wenigstens eines Brennstoffzellenparameters (BP) aus einem akustischem Sensorparameter (SP), aufweisend einen Sensorkanal (20) mit einem Kanal eingang (22) und einem Kanalausgang (24) für eine fluidkommunizierende Verbindung mit einem Anodenabführabschnitt (122) und/oder einem Katho denabführabschnitt (142) des Brennstoffzellensystems (100), dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkanal (20) wenigstens ein Sensorelement (30) angeordnet ist zur Bestimmung von wenigstens einem akustischen Sensorpa rameter (SP).
2. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (30) zumindest abschnittsweise direkt in einem Innenraum (26) des Sensorkanals (20) angeordnet ist.
3. Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (30) zumindest abschnittsweise kontaktierend an einem Kanalkörper (28) des Sensorkanals (20) angeordnet ist, insbesondere außerhalb eines Innenraums (26) des Sen sorkanals (20).
4. Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (30) zumindest ein Sensormittel (32) zur Bestimmung von mindestens einem der folgenden akustischen Sensorparameter (SP) aufweist:
- Schallgeschwindigkeit im Sensorkanal (20)
- Schalldruck im Sensorkanal (20)
- Schallleistungspegel im Sensorkanal (20)
- Schwingungsfrequenz im Sensorkanal (20)
5. Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Innenraum (26) des Sensorkanals (20) und/oder an einem Kanalkörper (28) des Sensorkanals (20) ein Schallerzeu- ger (40) angeordnet ist für ein Einbringen eines akustischen Signals in den Sensorkanal (20).
6. Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorkanal (20) wenigstens ein Ergänzungs- Sensorelement (50) beabstandet von dem Sensorelement (30) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend
- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114),
- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt (112),
- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzu- führgas zum Kathodenabschnitt (114),
- einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas,
- einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas, wobei im Anodenabführabschnitt (122) und/oder im Kathodenabführabschnitt (142) wenigstens eine Sensorvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet ist.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkanal (20) der wenigstens einen Sensorvorrichtung (10) einen Teil des Anodenabführabschnitts (122) und/oder einen Teil des Kathodenab führabschnitts (142) ausbildet, insbesondere vollständig ausbildet.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkanal (20) der wenigstens einen Sensor vorrichtung (10) in einem Bypassabschnitt (150), in dem Anodenabführab schnitt (122) und/oder dem Kathodenabführabschnitt (142) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet zu dem wenigstens einen Sensorelement (30), insbesondere beabstandet zur wenigstens einen Sensorvorrichtung (10), zumindest ein Schallerzeuger (50) angeordnet ist.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Schallerzeuger (50) ein Funktionselement (52), ins besondere in Form eines Ventils und/oder einer Klappe, aufweist.
12. Verfahren für die Bestimmung von wenigstens einem Brennstoffzellenparame ter (BP) eines Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 7 bis 11 , aufweisend die folgenden Schritte:
- Erfassen zumindest eines akustischen Sensorparameters (SP) mit dem wenigstens einen Sensorelement (30) der Sensorvorrichtung (10),
- Bestimmen einer Korrelation zwischen dem erfassten zumindest einen Sensorparameter (SP) und zumindest einem Brennstoffzellenparameter (BP),
- Ausgeben des zumindest einen Brennstoffzellenparameters (BP) auf Basis der bestimmten Korrelation.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der folgenden Brennstoffzellenparameter (BP) ausgegeben wird:
- Zusammensatzung eines Fluids in dem Sensorkanal (20)
- Konzentration eines einzelnen Fluids in dem Sensorkanal (20)
- Feuchtigkeit eines Fluids in dem Sensorkanal (20)
- Mechanischer Status eines bewegten Bauteils des Brennstoffzellensys tems (100)
- Dichtigkeit wenigstens eines Abschnitts des Brennstoffzellensystems (100)
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass für einen erfassten akustischen Sensorparameter (SP) die Korrelation zu wenigstens zwei unterschiedlichen Brennstoffzellenparametern (BP) bestimmt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Korrelation eine Vergleichsdatenbank (VB) ver wendet wird.
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