WO2023138977A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems Download PDF

Info

Publication number
WO2023138977A1
WO2023138977A1 PCT/EP2023/050632 EP2023050632W WO2023138977A1 WO 2023138977 A1 WO2023138977 A1 WO 2023138977A1 EP 2023050632 W EP2023050632 W EP 2023050632W WO 2023138977 A1 WO2023138977 A1 WO 2023138977A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
cell system
determined
hydrogen concentration
volume flow
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/050632
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christopher Bruns
Tobias FALKENAU
Simon Buehler
Timo Bosch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN202380017497.5A priority Critical patent/CN118575314A/zh
Publication of WO2023138977A1 publication Critical patent/WO2023138977A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence

Definitions

  • the invention presented relates to a method for operating a fuel cell system, a fuel cell system and a computer program product.
  • PEM Polymer electrolyte membrane
  • a PEM fuel cell consists of an anode, which is supplied with hydrogen, a cathode, which is supplied with air, and a polymer electrolyte membrane placed in between, where air and oxygen are converted into electricity, water and heat.
  • a plurality of such fuel cells are typically stacked to form a fuel cell stack in order to maximize an electrically generated voltage.
  • a flowing in a fuel cell system gas mixture is through a
  • the invention presented serves to operate a fuel cell system efficiently.
  • the presented invention serves to dynamically adapt a speed of a recirculation fan of a fuel cell system to an operating situation of the fuel cell system.
  • a method for operating a fuel cell system comprises a first determination step, in which a hydrogen concentration supplied to a fuel cell stack of the fuel cell system through an inlet valve of the fuel cell system is determined, a second determination step, in which a nitrogen volume flow flowing through the fuel cell stack is determined, and a setting step, in which a speed of a recirculation fan of the fuel cell system is set based on the determined hydrogen concentration and the determined nitrogen volume flow.
  • a recirculation fan of a fuel cell system is to be understood as an air delivery unit that supplies the fuel cell system with air by turning a fan wheel.
  • the invention presented is based on the principle that a speed of a recirculation fan of a fuel cell system dynamically to a current operating situation of the fuel cell system, ie adapted to a state of a gas mixture flowing in the fuel cell system, in order, for example, to set a predetermined mixing ratio of gases.
  • the operating situation of the fuel cell system is determined by determining a hydrogen concentration supplied to a fuel cell stack of the fuel cell system through an inlet valve of the fuel cell system and a nitrogen volume flow flowing through the fuel cell stack.
  • An amount of air required for optimum or efficient operation of the fuel cell system can be determined on the basis of the hydrogen concentration and the nitrogen volume flow, and a corresponding speed can be set on the recirculation fan.
  • a lambda value mathematically maps an operating state of a fuel cell system using formula (1).
  • M m.H2, Stack in/ m ' H , Stack consumed (1)
  • AM indicates a lambda value of the fuel cell system
  • rnm, stack in indicates a volume flow of hydrogen supplied to a fuel cell stack
  • stack consumed indicates a volume flow of hydrogen consumed by a fuel cell stack.
  • a target variable can be specified so that the speed of the Recirculation fan is increased or decreased until A H 2 corresponds to the target size.
  • a hydrogen concentration sensor can be dispensed with thanks to a machine learner, which is configured to use operating parameters of a respective fuel cell system to determine a hydrogen concentration that is metered in or set in a fuel cell stack of the fuel cell system.
  • training a machine learner is to be understood as a process in which a mathematical model on which the machine learner is based is changed until a predetermined goal, such as a minimum deviation between a result of the model and a corresponding measured value of a hydrogen concentration in the training fuel cell system determined by the hydrogen concentration sensor provided according to the invention, is achieved.
  • a validation of a machine learner is to be understood as a process in which output values determined by the machine learner are compared with measured values.
  • a machine learner such as an artificial neural network or a support vector machine, which is trained under controlled conditions, in particular in a laboratory operation, and is validated using measured values of a hydrogen concentration in a training fuel cell system determined by means of a hydrogen concentration sensor, so that, for example, a deviation between a value of a hydrogen concentration determined by the machine learner in the anode circuit of the training fuel cell system and a hydrogen concentration measured by means of the hydrogen concentration sensor is minimal or smaller than a predetermined threshold value , can be used in a target fuel cell system that does not include a hydrogen concentration sensor.
  • the machine learner is used to determine a hydrogen concentration in an anode circuit of the target fuel cell system, so that a recirculation fan of the target fuel cell system can be adjusted or operated depending on the hydrogen concentration determined by the machine learner.
  • the machine learner can completely or partially, e.g. only a the data model on which the machine learner is based can be transferred to the target fuel cell system.
  • the machine learner Since the machine learner has been or is being trained using hydrogen concentration values determined by a hydrogen concentration sensor in order to interpret respective input values, the machine learner, when trained, is suitable for operating a target fuel cell system without a hydrogen concentration sensor.
  • the well-trained machine learner includes a mathematical model of relationships between the respective input values and a resulting hydrogen concentration, which includes all operating states of the training fuel cell system carried out during the training step and, as a result, can be used to control or regulate the target fuel cell system without a hydrogen concentration sensor.
  • Operating parameters of a recirculation fan of a respective fuel cell system such as e.g. a power and/or a speed of the recirculation fan, a state parameter of an electrical state of a fuel cell stack, such as e.g. a voltage and/or an electric current at the fuel cell stack, a state parameter of a respective fuel cell system, e.g Hydrogen, which can be determined, for example, by an activity of a pump, an electric current supplied to the inlet valve, or a flow rate sensor, has proven to be suitable.
  • a state parameter of an electrical state of a fuel cell stack such as e.g. a voltage and/or an electric current at the fuel cell stack
  • a state parameter of a respective fuel cell system e.g Hydrogen
  • the presented invention relates to a fuel cell system with a control device, wherein the control device is configured to determine a hydrogen concentration supplied to a fuel cell stack of the fuel cell system through an inlet valve of the fuel cell system, to determine a nitrogen volume flow flowing through the fuel cell stack, and to determine a speed of a recirculation fan of the fuel cell system based on the determined set the hydrogen concentration and the determined nitrogen volume flow.
  • the presented invention relates to a computer program product with program code means which, when they are executed on a computer, configure the computer to carry out the steps of a possible embodiment of the presented method.
  • a computer or a control device is to be understood as meaning a processor, a microcontroller or any other programmable circuit.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of the method presented
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the fuel cell system presented.
  • FIG. 1 shows a method 100 for operating a fuel cell system.
  • Method 100 comprises a first determination step 101, in which a hydrogen concentration supplied to a fuel cell stack of the fuel cell system through an inlet valve of the fuel cell system is determined, a second determination step 103, in which the nitrogen volume flow flowing through the fuel cell stack is determined, and a setting step 105, in which a speed of a recirculation fan of the fuel cell system is determined on the basis of the determined Hydrogen concentration and the determined nitrogen volume flow is set.
  • a fuel cell system 200 is shown in FIG.
  • the fuel cell system 200 comprises a control device 201, a fuel cell stack 203, a recirculation fan 205, a flushing valve 207 and an inlet valve 209 for metering in fresh hydrogen from a tank and the fuel cell stack 203.
  • the fuel cell system 200 includes a water separator 211, a drain valve 213 and a jet pump 215 for adjusting a pressure in the fuel cell stack 203.
  • the controller 201 is configured to determine a hydrogen concentration supplied to the fuel cell stack 203 through the inlet valve 209, to determine a nitrogen flow rate flowing through the fuel cell stack 203, and to set a speed of the recirculation fan 205 based on the determined hydrogen concentration and the determined nitrogen flow rate.

Landscapes

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

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (200), wobei das Verfahren (100) umfasst: einen ersten Ermittlungsschritt (101), bei dem eine durch ein Einlassventil (209) des Brennstoffzellensystems (200) einem Brennstoffzellenstapel (203) des Brennstoffzellensystems (200) zugeführte Wasserstoffkonzentration ermittelt wird, einen zweiten Ermittlungsschritt (103), bei dem ein durch den Brennstoffzellenstapel (203) strömender Stickstoffvolumenstrom ermittelt wird, und einen Einstellschritt (105), bei dem eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses (205) des Brennstoffzellensystems (200) anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms eingestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (200) und ein Computerprogrammprodukt gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem und ein Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoffs zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser.
Eine PEM Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran an der Luft und Sauerstoff zu Strom, Wasser und Wärme umgesetzt werden. Mehrere solcher Brennstoffzellen werden in der Regel zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt, um eine elektrisch erzeugte Spannung zu maximieren.
Systemisch hat sich zur Versorgung der PEM Anode mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem noch wasserstoffreiches Anodenabgas mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff wieder einem Anodeneintritt zugeführt wird, was als Rezirkulation bekannt ist.
Ein in einem Brennstoffzellensystem strömendes Gasgemisch wird durch ein
Rezirkulationsgebläse mit Luft angereichert. Dabei wird das
Rezirkulationsgebläse in der Regel mit konstanter Drehzahl betrieben. Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Verfahren, ein Brennstoffzellensystem und ein Computerprogrammprodukt zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient dazu, ein Brennstoffzellensystem effizient zu betreiben. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses eines Brennstoffzellensystems dynamisch an eine Betriebssituation des Brennstoffzellensystems anzupassen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgestellt. Das Verfahren umfasst einen ersten Ermittlungsschritt, bei dem eine durch ein Einlassventil des Brennstoffzellensystems einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zugeführte Wasserstoffkonzentration ermittelt wird, einen zweiten Ermittlungsschritt, bei dem ein durch den Brennstoffzellenstapel strömender Stickstoffvolumenstrom ermittelt wird und einen Einstellschritt, bei dem eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses des Brennstoffzellensystems anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms eingestellt wird.
Unter einem Rezirkulationsgebläse eines Brennstoffzellensystems ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Luftfördereinheit zu verstehen, die das Brennstoffzellensystem mit Luft versorgt, indem ein Lüfterrad gedreht wird.
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses eines Brennstoffzellensystems dynamisch an eine aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems, d.h. an einen Zustand eines in dem Brennstoffzellensystem strömenden Gasgemischs angepasst wird, um bspw. ein vorgegebenes Mischverhältnis von Gasen einzustellen. Dazu wird die Betriebssituation des Brennstoffzellensystems ermittelt, indem eine durch ein Einlassventil des Brennstoffzellensystems einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zugeführte Wasserstoffkonzentration und ein durch den Brennstoffzellenstapel strömender Stickstoffvolumenstrom ermittelt werden.
Anhand der Wasserstoffkonzentration und des Stickstoffvolumenstroms kann eine für einen optimalen bzw. effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigte Luftmenge ermittelt werden und eine entsprechende Drehzahl an dem Rezirkulationsgebläse eingestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms ein Lambdawert des Brennstoffzellensystems ermittelt und die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses anhand des Lambdawerts eingestellt wird.
Ein Lambdawert bildet einen Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems mathematisch durch Formel (1) ab. M = m.H2, Stack in/ m ' H , Stack consumed (1)
Dabei gibt „AM“ einen Lambdawert des Brennstoffzellensystems, „rnm, Stack in“ einen Volumenstrom von einem Brennstoffzellenstapel zugeführten Wasserstoff und Stack consumed“ einen Volumenstrom von durch einen Brennstoffzellenstapel verbrauchten Wasserstoff an.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses derart eingestellt wird, dass sich ein vorgegebener Lambdawert in dem Brennstoffzellensystem einstellt.
Zum Einstellen eines Rezirkulationsgebläses eines Brennstoffzellensystems kann eine Zielgröße vorgegeben werden, sodass die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses solange erhöht oder verringert wird, bis AH2 der Zielgröße entspricht.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem zweiten Ermittlungsschritt der Stickstoffvolumenstrom anhand einer Differenz eines Drucks in Strömungsrichtung des Stickstoffvolumenstroms vor dem Brennstoffzellenstapel und eines Drucks in Strömungsrichtung des Stickstoffvolumenstroms nach dem Brennstoffzellenstapel ermittelt wird.
Anhand einer Druckdifferenz vor und nach einem Brennstoffzellenstapel eines jeweiligen Brennstoffzellensystems kann, in Verbindung mit einer bekannten Wasserstoffkonzentration, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wurde, auf den Stickstoffvolumenstrom in dem Brennstoffzellenstapel und, dadurch bedingt, auf einen Wasserstoffvolumenstrom in dem Brennstoffzellenstapel geschlossen werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Wasserstoffkonzentration mittels zumindest eines Teils eines maschinellen Lerners ohne einen physischen Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelt wird.
Durch einen maschinellen Lerner, der dazu konfiguriert ist, anhand von Betriebsparameter eines jeweiligen Brennstoffzellensystems eine eindosierte bzw. in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems eingestellte Wasserstoffkonzentration zu ermitteln, kann auf einen Wasserstoffkonzentrationssensor verzichtet werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der maschinelle Lerner in einem Trainingsbrennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffkonzentrationssensor trainiert und anhand von durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Wasserstoffkonzentrationswerten validiert wird, wobei der maschinelle Lerner als Eingangssignale zumindest einen Betriebsparameter eines Rezirkulationsgebläses des Trainingsbrennstoffzellensystems und einen Zustandsparameter eines elektrischen Zustands des Brennstoffzellenstapels des Trainingsbrennstoffzellensystems erhält. Unter einem Training eines maschinellen Lerners ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein dem maschinellen Lerner zugrundeliegendes mathematisches Modell verändert wird bis ein vorgegebenes Ziel, wie bspw. eine minimale Abweichung zwischen einem Ergebnis des Modells und einem entsprechenden durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Messwert einer Wasserstoffkonzentration in dem Trainingsbrennstoffzellensystem erreicht wird. Unter einer Validierung eines maschinellen Lerners ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem von dem maschinellen Lerner ermittelte Ausgangswerte mit gemessenen Messwerten abgeglichen werden.
Ein maschineller Lerner, wie bspw. ein künstliches neuronales Netzwerk oder eine Support Vector Machine, der unter kontrollierten Bedingungen, insbesondere in einem Laborbetrieb trainiert und unter Verwendung von mittels eines Wasserstoffkonzentrationssensors ermittelten Messwerten einer Wasserstoffkonzentration in einem Trainingsbrennstoffzellensystem validiert wird, sodass bspw. eine Abweichung zwischen einem durch den maschinellen Lerner ermittelten Wert einer Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf des Trainingsbrennstoffzellensystems und einer mittels des Wasserstoffkonzentrationssensors gemessenen Wasserstoffkonzentration minimal bzw. kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, kann in einem Zielbrennstoffzellensystem eingesetzt werden, das keinen Wasserstoffkonzentrationssensor umfasst.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der zumindest eine Teil des maschinellen Lerners ein dem maschinellen Lerner zugrundeliegendes Datenmodell umfasst.
In dem Zielbrennstoffzellensystem wird der maschinelle Lerner verwendet, um eine Wasserstoffkonzentration in einem Anodenkreislauf des Zielbrennstoffzellensystems zu ermitteln, sodass ein Rezirkulationsgebläse des Zielbrennstoffzellensystems in Abhängigkeit der durch den maschinellen Lerner ermittelten Wasserstoffkonzentration eingestellt bzw. betrieben werden kann. Dazu kann der maschinelle Lerner vollständig oder teilweise, bspw. lediglich ein dem maschinellen Lerner zugrunde liegendes Datenmodell in das Zielbrennstoffzellensystem übertragen werden.
Da der maschinelle Lerner unter Verwendung von mittels eines Wasserstoffkonzentrationssensors ermittelten Wasserstoffkonzentrationswerten trainiert wurde bzw. wird, um jeweilige Eingangswerte zu interpretieren, eignet sich der maschinelle Lerner, wenn dieser austrainiert ist, zum Betrieb eines Zielbrennstoffzellensystems ohne Wasserstoffkonzentrationssensor. Dies bedeutet, dass der austrainierte maschinelle Lerner ein mathematisches Modell von Zusammenhängen zwischen jeweiligen Eingangswerten und einer resultierenden Wasserstoffkonzentration umfasst, das sämtliche während des Trainingsschritts durchgeführten Betriebszustände des Trainingsbrennstoffzellensystems umfasst und, dadurch bedingt zum Steuern bzw. Regeln des Zielbrennstoffzellensystems ohne Wasserstoffkonzentrationssensor verwendet werden kann.
Als Eingangswerte für den maschinellen Lerner haben sich in Versuchen besonders Betriebsparameter eines Rezirkulationsgebläses eines jeweiligen Brennstoffzellensystems, wie bspw. eine Leistung und/oder eine Drehzahl des Rezirkulationsgebläses, ein Zustandsparameter eines elektrischen Zustands eines Brennstoffzellenstapels, wie bspw. eine Spannung und/oder ein elektrischer Strom an dem Brennstoffzellenstapel, ein Zustandsparameter eines jeweiligen Brennstoffzellensystems, wie bspw. der Systemdruck, und eine Kenngröße einer Menge an durch ein Einlassventil dem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Wasserstoff, die bspw. durch eine Aktivität einer Pumpe, einem dem Einlassventil zugeführten elektrischen Strom, oder einen Durchflussmengensensor bestimmt werden kann, als geeignet erwiesen.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Kontrollgerät, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, eine durch ein Einlassventil des Brennstoffzellensystems einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zugeführte Wasserstoffkonzentration zu ermitteln, einen durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Stickstoffvolumenstrom zu ermitteln, und eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses des Brennstoffzellensystems anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms einzustellen.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die, wenn diese auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu konfigurieren, die Schritte einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens durchzuführen.
Unter einem Computer bzw. einem Kontrollgerät ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Prozessor, ein Microcontroller oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
In Figur 1 ist ein Verfahren 100 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems dargestellt.
Das Verfahren 100 umfasst einen ersten Ermittlungsschritt 101, bei dem eine durch ein Einlassventil des Brennstoffzellensystems einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zugeführte Wasserstoffkonzentration ermittelt wird, einen zweiten Ermittlungsschritt 103, bei dem durch den Brennstoffzellenstapel strömender Stickstoffvolumenstrom ermittelt wird und einen Einstellschritt 105, bei dem eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses des Brennstoffzellensystems anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms eingestellt wird.
In Figur 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ein Kontrollgerät 201, einen Brennstoffzellenstapel 203, ein Rezirkulationsgebläse 205, ein Spülventil 207 und ein Einlassventil 209 zum Eindosieren von frischem Wasserstoff aus einem Tank und dem Brennstoffzellenstapel 203.
Optional umfasst das Brennstoffzellensystem 200 einen Wasserabscheider 211, ein Entwässerungsventil 213 und eine Strahlpumpe 215 zum Einstellen eines Drucks in dem Brennstoffzellenstapel 203.
Das Kontrollgerät 201 ist dazu konfiguriert, eine durch das Einlassventil 209 dem Brennstoffzellenstapel 203 zugeführte Wasserstoffkonzentration zu ermitteln, einen durch den Brennstoffzellenstapel 203 strömenden Stickstoffvolumenstrom zu ermitteln, und eine Drehzahl des Rezirkulationsgebläses 205 anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms einzustellen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (200), wobei das Verfahren (100) umfasst:
- einen ersten Ermittlungsschritt (101), bei dem eine durch ein Einlassventil (209) des Brennstoffzellensystems (200) einem Brennstoffzellenstapel (203) des Brennstoffzellensystems (200) zugeführte Wasserstoffkonzentration ermittelt wird,
- einen zweiten Ermittlungsschritt (103), bei dem ein durch den Brennstoffzellenstapel (203) strömender Stickstoffvolumenstrom ermittelt wird, und
- einen Einstellschritt (105), bei dem eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses (205) des Brennstoffzellensystems (200) anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms eingestellt wird.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten
Stickstoffvolumenstroms ein Lambdawert des Brennstoffzellensystems (200) ermittelt und die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses (205) anhand des Lambdawerts eingestellt wird.
3. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses (205) derart eingestellt wird, dass sich ein vorgegebener Lambdawert in dem Brennstoffzellensystem (200) einstellt. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Ermittlungsschritt (103) der Stickstoffvolumenstrom anhand einer Differenz eines Drucks in Strömungsrichtung des Stickstoffvolumenstroms vor dem Brennstoffzellenstapel (203) und eines Drucks in Strömungsrichtung des Stickstoffvolumenstroms nach dem Brennstoffzellenstapel (203) ermittelt wird. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffkonzentration mittels zumindest eines Teils eines maschinellen Lerners ohne einen physischen Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelt wird. Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der maschinelle Lerner in einem Trainingsbrennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffkonzentrationssensor trainiert und anhand von durch den Wasserstoffkonzentrationssensor ermittelten Wasserstoffkonzentrationswerten validiert wird, wobei der maschinelle Lerner als Eingangssignale zumindest einen Betriebsparameter eines Rezirkulationsgebläses (205) des Trainingsbrennstoffzellensystems und einen Zustandsparameter eines elektrischen Zustands des Brennstoffzellenstapels (203) des Trainingsbrennstoffzellensystems erhält. Verfahren (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teil des maschinellen Lerners ein dem maschinellen Lerner zugrundeliegendes Datenmodell umfasst. Brennstoffzellensystem (200) mit einem Kontrollgerät (201), wobei das Kontrollgerät (201) dazu konfiguriert ist, eine durch ein Einlassventil (209) des Brennstoffzellensystems (200) einem Brennstoffzellenstapel (203) des Brennstoffzellensystems (200) zugeführte Wasserstoffkonzentration zu ermitteln, einen durch den Brennstoffzellenstapel (203) strömenden Stickstoffvolumenstrom zu ermitteln, und eine Drehzahl eines Rezirkulationsgebläses (205) des
Brennstoffzellensystems (200) anhand der ermittelten Wasserstoffkonzentration und des ermittelten Stickstoffvolumenstroms einzustellen. 9. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die, wenn diese auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu konfigurieren, die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
PCT/EP2023/050632 2022-01-18 2023-01-12 Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems WO2023138977A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202380017497.5A CN118575314A (zh) 2022-01-18 2023-01-12 燃料电池系统和用于运行燃料电池系统的方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022200545.7 2022-01-18
DE102022200545.7A DE102022200545A1 (de) 2022-01-18 2022-01-18 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023138977A1 true WO2023138977A1 (de) 2023-07-27

Family

ID=84982596

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/050632 WO2023138977A1 (de) 2022-01-18 2023-01-12 Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN118575314A (de)
DE (1) DE102022200545A1 (de)
WO (1) WO2023138977A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112006000802B4 (de) * 2005-04-06 2017-06-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
DE102016201265A1 (de) * 2016-01-28 2017-08-03 Volkswagen Ag Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch eine Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemisch
CN113571745A (zh) * 2021-07-27 2021-10-29 广东省武理工氢能产业技术研究院 一种氢燃料电池的故障诊断处理方法及装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05251102A (ja) 1992-03-05 1993-09-28 Toshiba Corp リン酸型燃料電池発電プラント
JP2002313385A (ja) 2001-04-11 2002-10-25 Denso Corp 燃料電池システム
DE102004025229A1 (de) 2004-05-22 2005-12-08 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage mit einem Kathodenstoffstrom
CN109524690B (zh) 2017-09-20 2021-08-24 上海汽车集团股份有限公司 一种燃料电池氢气循环控制系统和方法
DE102019216662A1 (de) 2019-10-29 2021-04-29 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensys-tem
CN112421078A (zh) 2020-11-03 2021-02-26 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112006000802B4 (de) * 2005-04-06 2017-06-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
DE102016201265A1 (de) * 2016-01-28 2017-08-03 Volkswagen Ag Verfahren zur Bestimmung eines Gehalts einer Gaskomponente in einem durch eine Brennstoffzelle rezirkulierend geförderten Gasgemisch
CN113571745A (zh) * 2021-07-27 2021-10-29 广东省武理工氢能产业技术研究院 一种氢燃料电池的故障诊断处理方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022200545A1 (de) 2023-07-20
CN118575314A (zh) 2024-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112008001674B4 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren desselben
DE102010053632B4 (de) Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur Sauerstoffabreicherung bei Abschaltung
DE112008000870B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102007026330B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Begrenzen der Wasserstoffkonzentration im gemischten Abgas eines Brennstoffzellenstapels
DE102016106795B4 (de) Brennstoffzellensystem mit einem Controller zur Drucksteuerung, um Geräusche und Vibrationen, die durch den Betrieb eines Injektors entstehen, zu reduzieren
DE112008003004B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Verringerung des Stroms derselben
DE112005000767T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102010052910B4 (de) Verfahren zum Steuern eines Injektors / Ejektors in einem Brennstoffzellensystem sowie System dafür
DE102009019838A1 (de) System und Verfahren zur Steuerung einer anodenseitigen Rezirkulationspumpe in einem Brennstoffzellensystem
DE102009057777B4 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems in einer Bereitschaftsbetriebsart sowie entsprechend ausgebildetes Brennstoffzellensystem
DE102008047393A1 (de) Verfahren zum schnellen und zuverlässigen Starten von Brennstoffzellensystemen
DE102014207819A1 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems
DE102016110451A1 (de) Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102014210351A1 (de) Brennstoffzellenstapel und entsprechendes steuerverfahren
DE102006058834A1 (de) Nichtlineare Kathodeneinlass/Auslass-Feuchtesteuerung
WO2006007940A1 (de) Abschaltprozedur für brennstoffzellensysteme
DE102006042037B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102008004701A1 (de) Strategie zur Regelung einer Brennstoffzellenleistungsanforderung
WO2023110609A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
WO2023138977A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
DE102011010606A1 (de) Optimalwert-Kraftstoffsteueralgorithmus zur Verringerung der Inbetriebenahmezeit eines Brennstoffzellenfahrzeugs
DE102013223470A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE10247541B4 (de) Luftverteilungsverfahren und -steuerung für ein Brennstoffzellensystem
DE102009004053A1 (de) Steuerstrategie für eine Anodenrezirkulationspumpe
DE102022205367A1 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23700786

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE