WO2025242574A1 - Verfahren zum kontrollieren einer brennstoffkonzentration im kathodenabgas, brennstoffzellensystem, fahrzeug, computerprogrammprodukt und speichermedium - Google Patents

Verfahren zum kontrollieren einer brennstoffkonzentration im kathodenabgas, brennstoffzellensystem, fahrzeug, computerprogrammprodukt und speichermedium

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Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a method for controlling a fuel concentration in the cathode exhaust of a fuel cell system, a fuel cell system for carrying out the method, and a vehicle with the fuel cell system.
  • the technology further relates to a computer program product for executing the method and a computer-readable storage medium on which such a computer program product is stored.
  • Fuel cell systems for mobile applications are known in the prior art. These systems are configured in a vehicle to provide electrical energy for the vehicle's drive motor.
  • the fuel cell system comprises a fuel cell in which fuel reacts with oxygen via reverse electrolysis, generating electricity.
  • the fuel can be supplied to the fuel cell stack from one or more pressure vessels within the vehicle.
  • the oxygen is typically drawn from the ambient air.
  • fuel can be routed from an anode exhaust path to a cathode exhaust path via a purge path. Unburned fuel enters the cathode exhaust path through the anode exhaust. This fuel is typically diluted to prevent the formation of an ignitable gas mixture in the vicinity of the fuel cell system.
  • the fuel can be diluted with cathode exhaust directly from a cathode outlet of the fuel cell and/or with cathode gas from a bypass path.
  • the bypass path connects a cathode inlet path directly to the cathode exhaust path, thus bypassing the fuel cell.
  • cathode exhaust In various operating states of the fuel cell system, not only the cathode exhaust but also the cathode gas is used to dilute the fuel in the cathode exhaust path.
  • Introducing cathode gas into the cathode exhaust path requires a compressor in the cathode inlet path to operate at a higher power output.
  • conventional fuel cell systems do not directly measure how much fuel enters the cathode exhaust path during a purge. Therefore, to ensure the necessary operational safety, an unnecessarily large amount of cathode gas is often introduced into the cathode exhaust path. directed and/or a purge process is prevented, even though the purge process would be possible and advantageous.
  • the object of the present invention is to create improved methods and devices for controlling the fuel concentration in the cathode exhaust gas of a fuel cell system.
  • the fuel cell system comprises:
  • a cathode inlet path for directing a cathode gas into a cathode inlet of the cathode
  • cathode exhaust path for directing cathode exhaust from a cathode outlet of the cathode
  • a bypass path for directing cathode gas from the cathode inlet path upstream of the cathode inlet to the cathode exhaust path downstream of the cathode outlet and - a dilution gas section for directing a dilution gas downstream of the cathode outlet through the cathode exhaust path, wherein the dilution gas comprises cathode gas from the bypass path and cathode exhaust from the cathode outlet.
  • the procedure consists of the following steps:
  • the amount of dilution air in the cathode exhaust path can be controlled.
  • Appropriate control of the dilution air ensures that the cathode exhaust, which is released into the environment of the fuel cell system, is non-ignitable. Furthermore, it allows for purging of the anode exhaust gas to regulate the anode exhaust flow rate whenever necessary. Unlike conventional methods and systems, this approach controls the dilution gas mass flow rate, not the purging of the anode exhaust gas.
  • the proposed method was previously unavailable primarily because determining the fuel mass flow rate, which forms the basis for this control, was either impossible or at least not trivial with the sensors available in conventional fuel cell systems.
  • Determining the fuel mass flow rate can refer to determining the fuel and/or the amount of fuel in the anode exhaust, not the total amount of anode exhaust, in the purge path. Determination can involve measuring, calculating, and/or estimating.
  • the fuel mass flow rate can be determined, for example, using suitable sensors in, on, and/or upstream of the purge path. These sensors can be used to perform measurements that provide data upon which the fuel mass flow rate can be calculated. These calculations can be performed using... mathematical formulas, algorithms and/or virtual models are used.
  • Determining the dilution gas mass flow rate can be understood as determining the amount of cathode gas and/or cathode exhaust gas fed into the cathode exhaust path.
  • the dilution gas mass flow rate can be determined using suitable sensors in the cathode inlet path, the bypass path, and/or the cathode exhaust path. For example, measurements can be taken using these sensors to obtain data from which the dilution gas mass flow rate can be calculated. These calculations can be performed using mathematical formulas, algorithms, and/or a virtual model.
  • the dilution gas mass flow rate can, for example, be calculated based on a mass flow rate-dependent pressure drop across the exhaust system of the fuel cell system. The pressure drop can be measured using suitable pressure sensors or at least one pressure sensor.
  • the dilution gas mass flow rate can be measured using at least one mass flow sensor.
  • At least one mass flow sensor can be positioned in the cathode exhaust path upstream of a diluter in the fuel cell system.
  • the dilute gas mass flow can be understood, in simplified terms, as the dilution air that can be used to dilute the fuel in the cathode exhaust path.
  • Control can be understood as adjusting, steering, and/or regulating. Furthermore, it can be understood as taking process engineering measures to change the fuel concentration in the cathode exhaust gas or to maintain it at a desired value.
  • the fuel cell system can have a measurement unit to determine the fuel mass flow and the diluent mass flow. This measurement unit can include the sensors described above and/or at least one processing unit configured to determine the fuel mass flow and the diluent mass flow.
  • a purge process and/or a drain process can be determined. That is, it can be determined whether a purge process and/or a drain process is performed. Furthermore, it is possible to determine the fuel mass flow rate, the dilution gas mass flow rate, and the The dilution gas mass flow rate can be checked based on the determined purge process and/or the determined drain process. For example, the procedure can be implemented such that determining the fuel mass flow rate, determining the dilution gas mass flow rate, and checking the dilution gas mass flow rate are only performed if it has been determined that no drain process occurred during a determined purge process.
  • the purge process can be understood as the removal of a process gas, particularly anode exhaust gas, from the anode exhaust path.
  • the drain process can be understood as the flushing of a process fluid, such as water and/or a water-containing fluid that may form, for example, in a water separator on the anode exhaust path, out of the water separator.
  • a fuel concentration in the anode exhaust path can be determined, i.e., measured, estimated, and/or calculated.
  • the dilution gas mass flow rate can then be monitored based on the determined fuel concentration.
  • the fuel mass flow rate can be determined, among other things, based on the fuel concentration in the anode exhaust path.
  • fuel can be understood to refer specifically to hydrogen.
  • At least one pressure sensor can be used to determine the anode exhaust pressure.
  • the pressure sensor can be used to determine the The pressure sensor can be configured to measure the anode exhaust pressure at the anode outlet and/or downstream of the anode outlet.
  • the pressure sensor can be configured to measure the anode exhaust pressure downstream of a water separator in the fuel cell system and upstream of a purge valve in the fuel cell system. Therefore, for the method proposed here, the anode exhaust pressure can be determined downstream of the anode outlet, downstream of the water separator, and/or upstream of the purge valve. Determining the anode exhaust pressure can be understood as calculating an anode exhaust pressure value based on a measurement obtained using the at least one pressure sensor.
  • At least one pressure sensor can be used to determine the anode exhaust pressure in the purge path.
  • the pressure sensor can be configured to determine the anode exhaust pressure downstream of a purge valve in the fuel cell system. Therefore, the anode exhaust pressure can be determined downstream of the purge valve for the method proposed here.
  • the anode exhaust pressure can be determined both upstream and downstream of the purge valve. Alternatively or additionally, it is possible to estimate and/or simulate the anode exhaust pressure in the purge path.
  • the procedure described here may further include the following steps:
  • the anode exhaust temperature can be determined in the anode exhaust path and/or the purge path. This means that the temperature of the anode exhaust flowing through the anode exhaust path and/or the purge path can be determined.
  • At least one temperature sensor can be used to determine the anode exhaust temperature.
  • the dilution gas mass flow rate should be set as low as possible to prevent any undesirable additional power consumption by a compressor in the cathode inlet path. Undesirable and/or excessive pressure losses in the cathode inlet path can be easily and reliably prevented using the safety factor. A value between 1 and 3 or between 1 and 2, for example, 1.5, can be selected for the safety factor.
  • the target fuel concentration and the safety factor can be stored on a computer-readable, non-volatile memory within the fuel cell system and made available there for use. Alternatively, the target fuel concentration and/or the safety factor can be stored from a decentralized storage system and made available, for example, via the internet.
  • the dilution gas mass flow rate can be controlled by monitoring the cathode gas flow through the bypass path. This allows the dilution gas mass flow rate to be adjusted to the desired value particularly quickly, reliably, and easily.
  • Monitoring the cathode gas flow through the bypass path means that the fluid flow through the bypass path can be controlled and/or regulated to adjust the dilution gas mass flow rate to the desired value.
  • the dilution air of the cathode gas which is introduced into the cathode exhaust path in addition to the dilution air of the cathode exhaust, can be adjusted.
  • Another aspect of the present technology concerns a fuel cell system for controlling the fuel concentration in the cathode exhaust.
  • the fuel cell system features:
  • anode exhaust path for directing anode exhaust from an anode outlet of the anode
  • a cathode inlet path for directing a cathode gas into a cathode inlet of the cathode
  • cathode exhaust path for directing cathode exhaust from a cathode outlet of the cathode
  • dilution gas section for guiding a dilution gas downstream of the cathode outlet through the cathode exhaust path, wherein the dilution gas comprises cathode gas from the bypass path and cathode exhaust from the cathode outlet,
  • a detection unit configured to determine a fuel mass flow through the purge path and a dilution gas mass flow through the dilution gas section
  • control unit configured to control the dilution gas mass flow rate based on the determined fuel mass flow rate.
  • the fuel cell system thus offers the same advantages as described in detail in relation to the process.
  • the fuel cell system is preferably configured for mobile applications such as vehicles.
  • the fuel cell system can be configured to provide electrical energy for at least one of the vehicle's drive units.
  • the drive unit can be a machine, for example, an electric motor, used to propel the vehicle.
  • the term "fuel cell” can refer to a single fuel cell or a fuel cell stack with multiple fuel cells.
  • the fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, generating electricity and heat in the process.
  • the anode and cathode of a single fuel cell can be separated by an ion-selective or ion-permeable separator.
  • the anode can refer to the anode region of the fuel cell stack, and the cathode to the cathode region of the fuel cell stack.
  • the term "fuel cell system" can refer to a PEM fuel cell system.
  • the fuel cell system can include a diluent in which the anode exhaust gas can be diluted with the diluent gas. That is, the diluent can have a mixing section for blending the diluent gas with the anode exhaust gas.
  • the diluent can have a diluent gas inlet, an anode exhaust gas inlet, and a gas mixture outlet.
  • a gas mixture of the diluent gas and the anode exhaust gas can be discharged from the diluent at the gas mixture outlet.
  • This gas mixture can be understood as a mixed cathode exhaust gas.
  • the proposed method can therefore be understood as a method for controlling a fuel concentration in a mixed cathode exhaust gas of a fuel cell system.
  • At least part of the diluent can be considered part of the cathode exhaust gas path.
  • the mass flow sensor described above can be positioned upstream of the diluent or directly upstream of it in the cathode exhaust gas path. This means that the dilution gas mass flow rate can be measured upstream or directly upstream of the diluent.
  • the fuel cell system may include a humidifier through which a portion of the cathode inlet path passes upstream of the cathode, and a portion of the cathode exhaust path passes downstream of the cathode.
  • the bypass path may be configured to divert cathode gas from the cathode inlet path upstream of the humidifier to the cathode exhaust path downstream of the humidifier.
  • the fuel cell system may include a bypass valve to control the flow of cathode gas through the bypass path.
  • the detection unit can be configured to determine an anode exhaust pressure in the anode exhaust path and to determine the fuel mass flow rate based on this pressure.
  • the detection unit can further be configured to determine an anode exhaust pressure in the purge path and to determine the fuel mass flow rate based on this pressure.
  • the detection unit can be configured to determine an anode exhaust temperature and to determine the fuel mass flow rate based on this temperature.
  • the fuel cell system can include a provisioning unit for providing a target fuel concentration and a safety factor, and the control unit can be configured to determine the dilution gas mass flow rate based on the provided target fuel concentration and safety factor.
  • the control unit can be configured to control the dilution gas mass flow by controlling a cathode gas flow through the bypass path.
  • vehicle with a fuel cell system as described above, wherein the fuel cell system is configured to generate electricity in the vehicle.
  • the vehicle may have at least one electric motor for propelling the vehicle, and the fuel cell system may be configured to supply power to this at least one electric motor.
  • the vehicle thus offers the same advantages as described in detail above.
  • vehicle can refer to a motor vehicle such as a motorized two-wheeler, a passenger car, or a truck. It can also refer to a road vehicle, an aircraft, a watercraft, a rail vehicle, or a robot. Furthermore, it can refer to a pure electric vehicle or a hybrid electric vehicle, which, in addition to the at least one electric motor, has an internal combustion engine for propelling the vehicle.
  • FCEV Fluel Cell Electric Vehicle
  • the technology disclosed herein comprises a computer program product and a computer-readable, in particular non-volatile, storage medium on which the computer program product is stored.
  • the computer program product and the computer-readable storage medium also offer the advantages described above.
  • the computer program product may include instructions which, when executed by a computer, cause the computer to execute the proposed method in a fuel cell system and/or vehicle as described above.
  • the computer program product can be implemented as machine-readable instruction code in any suitable programming language and/or machine language, such as Java, C++, C#, and/or Python.
  • the computer program product can be stored on a machine-readable storage medium such as a data disk, removable drive, volatile or non-volatile memory, and/or embedded memory/processor.
  • the instruction code can program a computer and other programmable devices, such as a control unit, to execute the desired functions.
  • the computer program product can be deployed on a network, such as the internet, and/or be accessible from which can be downloaded by a user when needed.
  • the computer program product can be implemented using software, one or more special electronic circuits (i.e., in hardware), or in any hybrid form (i.e., using both software and hardware components).
  • Fig. 1 shows a fuel cell system according to an embodiment of the present technology
  • Fig. 2 shows a computer-readable storage medium with a computer program product stored thereon according to an embodiment of the present technology
  • Fig. 3 shows a vehicle with a fuel cell system according to an embodiment of the present technology
  • Fig. 4 is a flowchart to explain a process according to an embodiment of the present technology.
  • Fig. 1 shows a fuel cell system 10 for controlling a fuel concentration in the cathode exhaust gas according to one possible embodiment.
  • the illustrated fuel cell system 10 comprises a fuel cell 11 with an anode 12 and a cathode 13.
  • the fuel cell system 10 further comprises an anode inlet path 14 for guiding an anode gas into an anode inlet 41 of the anode 12.
  • the fuel cell system comprises an anode exhaust path 15 for directing anode exhaust from an anode outlet 42 of the anode 12, a cathode inlet path 16 for directing cathode gas into a cathode inlet 43 of the cathode 13, and a cathode exhaust path 17 for directing cathode exhaust from a cathode outlet 44 of the cathode 13.
  • the system also includes a purge path 18 and a bypass path 19.
  • Purge path 18 is configured to direct anode exhaust from anode exhaust path 15 into cathode exhaust path 17.
  • Bypass path 19 is configured to direct cathode gas from cathode inlet path 16 upstream of cathode inlet 43 into cathode exhaust path 17 downstream of cathode outlet 44.
  • a bypass valve 25 is positioned in bypass path 19 to control the flow of cathode gas through the bypass path 19.
  • the fuel cell system 10 shown has a dilution gas section 26 for directing a dilution gas downstream of the cathode outlet 44 through the cathode exhaust path 17.
  • the dilution gas contains cathode gas from bypass path 19 and cathode exhaust from the cathode outlet 44.
  • the dilution gas section 26 can therefore be understood as a subsection of the cathode exhaust path 17.
  • the fuel cell system 10 shown comprises a diluent 20, a compressor 21, and a humidifier 22.
  • the compressor 21 is located in the cathode inlet path 16.
  • the diluent 20 is located in the cathode outlet path 17.
  • the humidifier 22 is located in both the cathode inlet path 16 and the cathode outlet path 17.
  • the fuel cell system 10 also includes an injector/ejector 23 in the anode inlet path.
  • a water separator can be positioned in and/or on the anode exhaust path 15, through which anode exhaust gas can be recirculated to the injector/ejector 23 and from which anode exhaust gas can be directed into the purge path 18.
  • a first pressure sensor 31 and a temperature sensor 34 are located in the anode exhaust path 15.
  • a second pressure sensor 32 is positioned in purge path 18.
  • a purge valve 30 is positioned between anode exhaust path 15 and purge path 19.
  • the anode exhaust can be routed from anode exhaust path 15 through purge valve 30 into purge path 18.
  • the first pressure sensor 31 and the second pressure sensor 32 are configured to measure the anode exhaust pressure upstream and downstream of purge valve 30, respectively.
  • the fuel cell system shown in Fig. 1 comprises a control unit 50 with a detection unit 51, a control unit 52, and a provisioning unit 53.
  • the provisioning unit 53 has a non-volatile and computer-readable memory.
  • the control unit 50 can be understood as a part of a vehicle control unit.
  • the detection unit 51 is configured to determine a fuel mass flow through the purge path 18 and a diluent gas mass flow through the diluent gas section 26.
  • a mass flow sensor 35 is positioned on the cathode exhaust path 17 downstream of the bypass path 19, downstream of the humidifier 22, and upstream of the diluent 20.
  • control unit 50 may have further functional components that extend beyond the rectangles shown in Fig. 1 and/or are positioned outside the rectangles shown.
  • control unit can be understood as a device for monitoring, adjusting, measuring, calculating, controlling, and/or regulating.
  • the detection unit 51 is configured to determine an anode exhaust pressure in anode exhaust path 15 using the first pressure sensor 31, an anode exhaust pressure in purge path 18 using the second pressure sensor 32, and an anode exhaust temperature in anode exhaust path 15 using the temperature sensor 34. Furthermore, the detection unit is configured to determine the fuel mass flow rate based on the anode exhaust pressure determined in anode exhaust path 15, the anode exhaust pressure determined in purge path 18, and the anode exhaust temperature determined in anode exhaust path 15.
  • the provisioning unit 53 is configured to provide a target fuel concentration and a safety factor.
  • the control unit 52 is configured to control the dilution gas mass flow rate based on the determined fuel mass flow rate, the provided target fuel concentration, and the provided safety factor. In the fuel cell system 10 shown in Fig. 1, the dilution gas mass flow rate can be controlled, in particular, by actuating the bypass valve 25.
  • Fig. 2 shows a computer-readable and non-volatile storage medium 80 on which a computer program product 70 is stored.
  • the storage medium 80 is in the form of a flash drive.
  • the computer program product 70 comprises instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out a method for controlling a fuel concentration in the cathode exhaust gas in the fuel cell system 10 shown.
  • FIG 3 shows a vehicle 100 in the form of a passenger car.
  • the vehicle 100 has a fuel cell system 10 as described above, comprising a fuel cell 11 and The vehicle 100 has a pressure vessel 60 for fuel. It also has two electric motors 90 for propelling the vehicle 100.
  • the fuel cell system 10 is configured to generate electrical current in the vehicle 100, which can be used to power the electric motors 90.
  • the vehicle 100 has a control unit 50, which is configured to perform a procedure in the vehicle 100 for controlling a fuel concentration in the cathode exhaust.
  • a method for controlling the fuel concentration in the cathode exhaust of the fuel cell system 10 shown is described below.
  • a fuel mass flow rate through the purge path 18 is determined.
  • a dilution gas mass flow rate through the dilution gas section 26 is determined.
  • the dilution gas mass flow rate is controlled based on the determined fuel mass flow rate. Steps S1 to S3 do not have to be carried out in the sequence shown. Steps S1 to S3 can be carried out at least partially simultaneously.
  • TAnodout measured, calculated and/or estimated anode exhaust temperature
  • y isentropic coefficient
  • x concentration
  • PAnodout measured anode exhaust pressure upstream of the purge valve 30,
  • TAnodout measured, calculated, or estimated anode exhaust temperature
  • ppurgeout measured, calculated, or estimated anode exhaust pressure downstream of the
  • the fuel mass flow rate can then be determined as follows:
  • Fuel mass flow can be calculated using the following equation:
  • XH2Exhaust Fuel concentration in the cathode exhaust (maximum 4 [Vol%]) . Reference symbol list
  • Purge valve first pressure sensor, second pressure sensor, temperature sensor, mass flow sensor
  • Control unit investigation unit, control unit, provisioning unit Pressure vessel

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas eines Brennstoffzellensystems (10), aufweisend: Ermitteln eines Brennstoff-Massenstroms durch einen Purgepfad (18), Ermitteln eines Verdünnungsgas-Massenstroms durch einen Verdünnungsgasabschnitt (26) und Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms basierend auf dem ermittelten Brennstoff-Massenstrom. Die Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (10), ein Fahrzeug (100) und ein Computerprogrammprodukt (70) zum Durchführen des Verfahrens sowie ein computerlesbares Speichermedium (80), auf welchem das Computerprogrammprodukt (70) gespeichert ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas, Brennstoffzellensystem, Fahrzeug, Computerprogrammprodukt und Speichermedium
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahrens und ein Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem. Die Technologie betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen des Verfahrens sowie ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein solches Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
Im Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen bekannt. Brennstoffzellensysteme sind in einem Fahrzeug zum Bereitstellen von elektrischer Energie für eine Antriebsmaschine des Fahrzeugs konfiguriert. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle auf, in welcher bei einer umgekehrten Elektrolyse Brennstoff mit Sauerstoff reagiert, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. Der Brennstoff kann dem Brennstoffzellenstapel aus einem oder mehreren Druckbehältern des Fahrzeugs bereitgestellt werden. Der Sauerstoff wird in der Regel aus der Umgebungsluft entnommen.
Während eines Betriebs des Brennstoffzellensystem kann Brennstoff über einen Purgepfad aus einem Anodenabgaspfad in einen Kathodenabgaspfad geleitet werden. Durch das Anodenabgas gelangt unverbrannter Brennstoff in den Kathodenabgaspfad. Dieser Brennstoff wird in der Regel verdünnt, um zu verhindern, dass in der Umgebung des Brennstoffzellensystems ein zündfähiges Gasgemisch entsteht. Der Brennstoff kann mit Kathodenabgas direkt aus einem Kathodenauslass der Brennstoffzelle und/oder mit Kathodengas aus einem Bypasspfad verdünnt werden. Der Bypasspfad verbindet einen Kathodeneinlasspfad direkt mit dem Kathodenabgaspfad und umgeht dadurch die Brennstoffzelle. In verschiedenen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems wird nicht nur das Kathodenabgas, sondern auch das Kathodengas zum Verdünnen des Brennstoffs im Kathodenabgaspfad genutzt. Durch das Leiten von Kathodengas in den Kathodenabgaspfad muss ein Kompressor im Kathodeneinlasspfad mit mehr Leistung betrieben werden. Ferner wird bei konventionellen Brennstoffzellensystemen nicht direkt gemessen, wie viel Brennstoff bei einem Purge in den Kathodenabgaspfad gelangt. Zum Gewährleisten der nötigen Betriebssicherheit wird deshalb häufig unnötig viel Kathodengas in den Kathodenabgaspfad geleitet und/oder es wird ein Purge-Prozess verhindert, obwohl der Purge-Prozess möglich und vorteilhaft wäre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Kontrollieren der Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas eines Brennstoffzellensystems zu schaffen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie das Brennstoffzellensystem, das Fahrzeug, das Computerprogrammprodukt und das computerlesbare Speichermedium gemäß der Nebenansprüche gelöst. Weitere Vorteile der offenbarten Technologie ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem, dem Fahrzeug, dem Computerprogrammprodukt, dem Speichermedium und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Technologie wird ein Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst:
- eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode,
- einen Anodeneinlasspfad zum Leiten eines Anodengases in einen Anodeneinlass der Anode,
- einen Anodenabgaspfad zum Leiten eines Anodenabgases aus einem Anodenauslass der Anode,
- einen Kathodeneinlasspfad zum Leiten eines Kathodengases in einen Kathodeneinlass der Kathode,
- einen Kathodenabgaspfad zum Leiten eines Kathodenabgases aus einem Kathodenauslass der Kathode,
- einen Purgepfad zum Leiten von Anodenabgas aus dem Anodenabgaspfad in den Kathodenabgaspfad,
- einen Bypasspfad zum Leiten von Kathodengas aus dem Kathodeneinlasspfad stromaufwärts des Kathodeneinlasses in den Kathodenabgaspfad stromabwärts des Kathodenauslasses und - einen Verdünnungsgasabschnitt zum Leiten eines Verdünnungsgases stromabwärts des Kathodenauslasses durch den Kathodenabgaspfad, wobei das Verdünnungsgas Kathodengas aus dem Bypasspfad und Kathodenabgas aus dem Kathodenauslass aufweist.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Ermitteln eines Brennstoff-Massenstroms durch den Purgepfad,
- Ermitteln eines Verdünnungsgas-Massenstroms durch den Verdünnungsgasabschnitt und
- Kontrollierendes Verdünnungsgas-Massenstroms basierend auf dem ermittelten Brennstoff-Massenstrom.
Durch das Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms kann die Menge der Verdünnungsluft im Kathodenabgaspfad kontrolliert werden. Durch ein geeignetes Kontrollieren der Verdünnungsluft kann sichergestellt werden, dass das Kathodenabgas, das in die Umgebung des Brennstoffzellensystems geleitet wird, nicht zündfähig ist. Ferner kann erreicht werden, dass ein Purgen von Anodenabgas zum Einstellen des Anodenabgases möglichst immer dann durchgeführt werden kann, wenn es nötig ist. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren und Systemen wird hierbei nicht das Purgen des Anodenabgases, sondern der Verdünnungsgas-Massenstrom kontrolliert. Die vorgeschlagene Vorgehensweise kam bislang insbesondere deshalb nicht in Betracht, da das Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms, der die Basis für das Kontrollieren bildet, mit den in konventionellen Brennstoffzellensystemen verfügbaren Sensoren nicht möglich war oder zumindest nicht trivial ist. Bislang war es lediglich üblich, die verfügbare Verdünnungsluft grob abzuschätzen. Dadurch, dass nicht das Anodenabgas, sondern die Verdünnungsluft bzw. der Verdünnungsgas-Massenstrom kontrolliert werden, kann der Betriebszustand an der Anode besonders einfach optimiert werden. Dies resultiert wiederum in einem entsprechend optimierten Betrieb des Brennstoffzellensystems.
Unter dem Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms kann ein Ermitteln des Brennstoffs und/oder der Brennstoffmenge des Anodenabgases, also nicht das Ermitteln der Gesamt- Anodenabgasmenge, im Purgepfad verstanden werden. Unter dem Ermitteln kann ein Messen, Berechnen und/oder Schätzen verstanden werden. Der Brennstoff-Massenstrom kann beispielsweise mittels geeigneter Sensorik im Purgepfad, am Purgepfad und/oder Stromaufwärts des Purgepfades ermittelt werden. Beispielsweise können mittels der Sensorik Messungen durchgeführt werden, die Messwerte ergeben, basierend auf welchen der Brennstoff-Massenstrom berechnet werden kann. Die Berechnungen können mittels mathematischer Formeln, Algorithmen und/oder mittels virtueller Modelle durchgeführt werden.
Unter dem Ermitteln des Verdünnungsgas-Massenstroms kann ein Ermitteln der Kathodengasmenge und/oder der Kathodenabgasmenge, die in den Kathodenabgaspfad geleitet wird, verstanden werden. Der Verdünnungsgas-Massenstrom kann mittels geeigneter Sensorik im Kathodeneinlasspfad, im Bypasspfad und/oder im Kathodenabgaspfad ermittelt werden. Beispielsweise können mittels der Sensorik Messungen durchgeführt werden, die Messwerte ergeben, basierend auf welchen der Verdünnungsgas-Massenstrom berechnet werden kann. Die Berechnungen können mittels mathematischer Formeln, Algorithmen und/oder mittels eines virtuellen Modells durchgeführt werden. Der Verdünnungsgas-Massenstrom kann beispielsweise basierend auf einem massenstromabhängigen Druckverlust über eine Abgasanlage des Brennstoffzellensystems berechnet werden. Der Druckverlust kann über geeignete Drucksensoren oder wenigstens einen Drucksensor gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Verdünnungsgas-Massenstrom mittels wenigstens eines Massenstromsensors gemessen wird. Der wenigstens eine Massenstromsensor kann im Kathodenabgaspfad stromaufwärts eines Verdünners des Brennstoffzellensystems positioniert sein. Unter dem Verdünnungsgas-Massenstrom kann, vereinfacht ausgedrückt, die Verdünnungsluft verstanden werden, die zum Verdünnen des Brennstoffs im Kathodenabgaspfad verwendet werden kann.
Unter dem Kontrollieren kann ein Einstellen, ein Steuern und/oder ein Regeln verstanden werden. Ferner kann darunter verstanden werden, dass verfahrenstechnische Maßnahmen vorgenommen werden, um die Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas zu verändern, oder möglichst auf einem gewünschten Wert zu halten. Zum Ermitteln des Brennstoff- Massenstroms und des Verdünnungsgas-Massenstroms kann das Brennstoffzellensystem eine Ermittlungseinheit aufweisen. Die Ermittlungseinheit kann die vorstehend beschriebene Sensorik und/oder wenigstens eine Recheneinheit aufweisen, die zum Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms und zum Ermitteln des Verdünnungsgas-Massenstroms konfiguriert sind.
Zum Durchführen des Verfahren können ein Purge-Prozess und/oder ein Drain-Prozess ermittelt werden. Das heißt, es kann ermittelt werden, ob ein Purge-Prozess und/oder ein Drain-Prozess durchgeführt werden. Ferner ist es möglich, dass das Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms, das Ermitteln des Verdünnungsgas-Massenstroms und das Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms basierend auf dem ermittelten Purge- Prozess und/oder basierend auf dem ermittelten Drain-Prozess durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Verfahren dahingehend durchgeführt werden, dass das Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms, das Ermitteln des Verdünnungsgas-Massenstroms und das Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms nur dann durchgeführt werden, wenn ermittelt wurde, dass während eines ermittelten Purge- Prozesses kein Drain-Prozess durchgeführt wurde. Dadurch kann verhindert werden, dass Wasser, dass während des Drain-Prozesses über ein Purgeventil des Purgepfades aus dem Anodenabgaspfad ausgelassen wurde, das Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms stört und dadurch einen negativen Einfluss auf das Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms hätte. Mit anderen Worten, durch das Berücksichtigen des ermittelten Purge- Prozesses und des ermittelten Drain-Prozesses können Kontrollungenauigkeiten verhindert oder zumindest reduziert werden.
Unter dem Purge-Prozess kann ein Entleeren eines Prozessgases, insbesondere des Anodenabgases, aus dem Anodenabgaspfad verstanden werden. Unter dem Drain-Prozess kann ein Spülen eines Prozessfluids wie Wasser und/oder eines wasserhaltigen Fluids, das sich beispielsweise in einem Wasserabscheider am Anodenabgaspfad bilden kann, aus dem Wasserabscheider heraus verstanden werden.
Zum Durchführen des Verfahrens kann eine Brennstoffkonzentration im Anodenabgaspfad ermittelt, also gemessen, geschätzt und/oder berechnet werden. Das Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms kann basierend auf der ermittelten Brennstoffkonzentration durchgeführt werden. Das heißt, der Brennstoff-Massenstrom kann unter anderem basierend auf der Brennstoffkonzentration im Anodenabgaspfad ermittelt werden. Unter Brennstoff kann vorliegend insbesondere Wasserstoff verstanden werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante des hier beschriebenen Verfahrens können folgende Schritte durchgeführt werden:
- Ermitteln eines Anodenabgasdrucks im Anodenabgaspfad und
- Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms basierend auf dem im Anodenabgaspfad ermittelten Anodenabgasdruck.
Es hat sich gezeigt, dass der Brennstoff-Massenstrom basierend auf dem Anodenabgasdruck im Anodenabgaspfad besonders einfach und trotzdem zuverlässig und genau ermittelt werden kann. Zum Ermitteln des Anodenabgasdrucks kann wenigstens ein Drucksensor verwendet werden. Der Drucksensor kann zum Ermitteln des Anodenabgasdrucks am Anodenauslass und/oder stromabwärts des Anodenauslasses konfiguriert sein. Der Drucksensor kann insbesondere konfiguriert sein, den Anodenabgasdruck stromabwärts eines Wasserabscheiders des Brennstoffzellensystems und stromaufwärts eines Purgeventils des Brennstoffzellensystems zu messen. Demnach kann der Anodenabgasdruck für das hier vorgeschlagene Verfahren stromabwärts des Anodenauslasses, stromabwärts des Wasserabscheiders und/oder stromaufwärts des Purgeventils ermittelt werden. Unter dem Ermitteln des Anodenabgasdrucks kann ein Berechnen eines Anodenabgasdruckwertes basierend auf einem Messwert, der mittels des wenigstens einen Drucksensors erlangt wurde, verstanden werden.
Ferner ist es möglich, dass ein wie vorstehend beschriebenes Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Ermitteln eines Anodenabgasdrucks im Purgepfad und
- Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms basierend auf dem im Purgepfad ermittelten Anodenabgasdruck.
Es hat sich gezeigt, dass der Brennstoff-Massenstrom basierend auf dem Anodenabgasdruck im Purgepfad besonders einfach und trotzdem zuverlässig und genau ermittelt werden kann. Zum Ermitteln des Anodenabgasdrucks im Purgepfad kann wenigstens ein Drucksensor verwendet werden. Der Drucksensor kann zum Ermitteln des Anodenabgasdrucks stromabwärts eines Purgeventils des Brennstoffzellensystems konfiguriert sein. Demnach kann der Anodenabgasdruck für das hier vorgeschlagene Verfahren stromabwärts des Purgeventils ermittelt werden. Für ein besonders genaues Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms können der Anodenabgasdruck stromaufwärts des Purgeventils und stromabwärts des Purgeventils ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Anodenabgasdruck im Purgepfad geschätzt und/oder simuliert wird.
Das vorliegend beschriebene Verfahren kann weiterhin folgende Schritte aufweisen:
- Ermitteln einer Anodenabgastemperatur und
- Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms basierend auf der ermittelten Anodenabgastemperatur.
Basierend auf der Anodenabgastemperatur kann der Brennstoff-Massenstrom besonders einfach und trotzdem zuverlässig und genau ermittelt werden. Die Anodenabgastemperatur kann im Anodenabgaspfad und/oder im Purgepfad ermittelt werden. Das heißt, es kann die Temperatur des Anodenabgases, das durch den Anodenabgaspfad und/oder durch den Purgepfad strömt, ermittelt werden. Zum Ermitteln der Anodenabgastemperatur kann wenigstens ein Temperatursensor verwendet werden. Darüber hinaus kann das hier beschriebe Verfahren folgende Schritte aufweisen:
- Bereitstellen einer Ziel-Brennstoffkonzentration,
- Bereitstellen eines Sicherheitsfaktors und
- Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms basierend auf der Ziel- Brennstoffkonzentration und basierend auf dem Sicherheitsfaktor.
Der Verdünnungsgas-Massenstrom soll möglichst klein eingestellt werden, um einen möglichen unerwünschten zusätzlichen Leistungsverbrauch eines Kompressors im Kathodeneinlasspfad zu verhindern. Mittels des Sicherheitsfaktors können unerwünschte und/oder zu hohe Druckverluste im Kathodeneinlasspfad einfach und zuverlässig verhindert werden. Für den Sicherheitsfaktor kann ein Wert in einem Bereich zwischen 1 und 3 oder zwischen 1 und 2, beispielsweise 1 ,5, gewählt werden. Die Ziel-Brennstoffkonzentration und der Sicherheitsfaktor können auf einem computerlesbaren und nichtflüchtigen Speicher des Brennstoffzellensystems gespeichert und dort für die Verwendung bereitgestellt werden. Die Ziel-Brennstoffkonzentration und/oder der Sicherheitsfaktor können aber auch aus einem dezentralen Speicher gespeichert und beispielsweise über das Internet bereitgestellt werden.
Der Verdünnungsgas-Massenstroms kann bei dem hier beschriebenen Verfahren durch ein Kontrollieren eines Kathodengasstroms durch den Bypasspfad kontrolliert werden. Dadurch kann der Verdünnungsgas-Massenstrom besonders schnell, zuverlässig und einfach auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Unter dem Kontrollieren des Kathodengasstroms durch den Bypasspfad kann verstanden werden, dass der Fluidstrom durch den Bypasspfad gesteuert und/oder geregelt werden kann, um den Verdünnungsgas-Massenstrom auf den gewünschten Wert einzustellen. Mit anderen Worten, es kann die Verdünnungsluft des Kathodengases, die zusätzlich zur Verdünnungsluft des Kathodenabgases in den Kathodenabgaspfad geleitet wird, eingestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas. Das Brennstoffzellensystem weist auf:
- eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode,
- einen Anodeneinlasspfad zum Leiten eines Anodengases in einen Anodeneinlass der Anode,
- einen Anodenabgaspfad zum Leiten eines Anodenabgases aus einem Anodenauslass der Anode, - einen Kathodeneinlasspfad zum Leiten eines Kathodengases in einen Kathodeneinlass der Kathode,
- einen Kathodenabgaspfad zum Leiten eines Kathodenabgases aus einem Kathodenauslass der Kathode,
- einen Purgepfad zum Leiten von Anodenabgas aus dem Anodenabgaspfad in den Kathodenabgaspfad,
- einen Bypasspfad zum Leiten von Kathodengas aus dem Kathodeneinlasspfad stromaufwärts des Kathodeneinlasses in den Kathodenabgaspfad stromabwärts des Kathodenauslasses,
- einen Verdünnungsgasabschnitt zum Leiten eines Verdünnungsgases stromabwärts des Kathodenauslasses durch den Kathodenabgaspfad, wobei das Verdünnungsgas Kathodengas aus dem Bypasspfad und Kathodenabgas aus dem Kathodenauslass aufweist,
- eine Ermittlungseinheit, die konfiguriert ist, einen Brennstoff-Massenstrom durch den Purgepfad und einen Verdünnungsgas-Massenstrom durch den Verdünnungsgasabschnitt zu ermitteln und
- eine Kontrolleinheit, die konfiguriert ist, den Verdünnungsgas-Massenstrom basierend auf dem ermittelten Brennstoff-Massenstrom zu kontrollieren.
Damit bringt das Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das Verfahren beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise für mobile Anwendungen wie Fahrzeuge konfiguriert. Das Brennstoffzellensystem kann zum Bereitstellen von elektrischer Energie für mindestens eine Antriebsmaschine des Fahrzeugs konfiguriert sein. Unter der Antriebsmaschine kann eine Maschine, beispielsweise ein Elektromotor, zur Fortbewegung des Fahrzeugs verstanden werden. Unter der Brennstoffzelle können eine einzelne Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen verstanden werden. In ihrer einfachsten Form ist die Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme erzeugt. Die Anode und die Kathode einer einzelnen Brennstoffzelle können durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator voneinander getrennt sein. Ist die Brennstoffzelle in Form eines Brennstoffzellenstapels konfiguriert, können unter der Anode ein Anodenbereich des Brennstoffzellenstapels und unter der Kathode ein Kathodenbereich des Brennstoffzellenstapels verstanden werden. Unter dem Brennstoffzellensystem kann ein PEM-Brennstoffzellensystem verstanden werden. Das Brennstoffzellensystem kann einen Verdünner aufweisen, in welchem das Anodenabgas mit dem Verdünnungsgas verdünnt werden kann. Das heißt, der Verdünner kann einen Mischbereich zum Vermischen von Verdünnungsgas mit Anodenabgas aufweisen. Der Verdünner kann einen Verdünnungsgaseinlass, einen Anodenabgaseinlass und einen Gasgemischauslass aufweisen. Aus dem Gasgemischauslass kann ein Gasgemisch aus dem Verdünnungsgas und dem Anodenabgas aus dem Verdünner geleitet werden. Unter dem Gasgemisch kann ein gemischtes Kathodenabgas verstanden werden. Unter dem vorgeschlagenen Verfahren kann folglich ein Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration in einem gemischten Kathodenabgas eines Brennstoffzellensystems verstanden werden. Wenigsten ein Teil des Verdünners kann als Teil des Kathodenabgaspfades betrachtet werden. Der vorstehend beschriebene Massenstromsensor kann im Kathodenabgaspfad stromaufwärts oder direkt stromaufwärts des Verdünners positioniert sein. Das heißt, der Verdünnungsgas-Massenstrom kann stromaufwärts oder direkt stromaufwärts des Verdünners gemessen werden.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Befeuchter aufweisen, durch welchen stromaufwärts der Kathode ein Teil des Kathodeneinlasspfades führt und durch welchen stromabwärts der Kathode ein Teil des Kathodenabgaspfades führt. Der Bypasspfad kann konfiguriert sein, Kathodengas aus dem Kathodeneinlasspfad stromaufwärts des Befeuchters in den Kathodenabgaspfad stromabwärts des Befeuchters zu leiten. Das Brennstoffzellensystem kann ein Bypassventil zum Kontrollieren einer Kathodengasströmung durch den Bypasspfad aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist es möglich, dass die Ermittlungseinheit konfiguriert ist, einen Anodenabgasdrucks im Anodenabgaspfad zu ermitteln und den Brennstoff-Massenstroms basierend auf dem im Anodenabgaspfad ermittelten Anodenabgasdruck zu ermitteln. Die Ermittlungseinheit kann ferner konfiguriert sein, einen Anodenabgasdrucks im Purgepfad zu ermitteln und den Brennstoff- Massenstroms basierend auf dem im Purgepfad ermittelten Anodenabgasdruck zu ermitteln. Darüber hinaus kann die Ermittlungseinheit konfiguriert sein, eine Anodenabgastemperatur zu ermitteln und den Brennstoff-Massenstrom basierend auf der ermittelten Anodenabgastemperatur zu ermitteln. Zudem kann das Brennstoffzellensystem eine Bereitstellungseinheit zum Bereitstellen einer Ziel-Brennstoffkonzentration und zum Bereitstellen eines Sicherheitsfaktors aufweisen, wobei die Kontrolleinheit konfiguriert sein kann, den Verdünnungsgas-Massenstrom basierend auf der bereitgestellten Ziel- Brennstoffkonzentration und basierend auf dem bereitgestellten Sicherheitsfaktor zu kontrollieren. Die Kontrolleinheit kann konfiguriert sein, den Verdünnungsgas-Massenstrom durch ein Kontrollieren eines Kathodengasstroms durch den Bypasspfad zu kontrollieren.
Ein weiterer Aspekt der vorgeschlagenen Technologie betrifft ein Fahrzeug mit einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem konfiguriert ist, im Fahrzeug elektrischen Strom zu erzeugen. Das Fahrzeug kann wenigstens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs aufweisen, wobei das Brennstoffzellensystem zur Stromversorgung des wenigstens einen Elektromotors konfiguriert sein kann. Damit bringt das Fahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben worden sind. Unter dem Fahrzeug können ein Kraftfahrzeug wie ein motorbetriebenes Zweirad, ein PKW und ein LKW verstanden werden. Unter dem Fahrzeug können ferner ein Straßenfahrzeug, ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Schienenfahrzeug sowie ein Roboter verstanden werden. Unter dem Fahrzeug können außerdem ein reines Elektrofahrzeug und ein Hybrid-Elektrofahrzeug, das zusätzlich zu dem wenigstens einen Elektromotor einen Verbrennungsmotor für den Antrieb des Fahrzeugs aufweist, verstanden werden. Unter dem Fahrzeug kann ein sogenanntes FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) verstanden werden.
Darüber hinaus umfasst die hier offenbarte Technologie ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares, insbesondere nichtflüchtiges Speichermedium, auf welchem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist. Damit bringen das Computerprogrammprodukt und das computerlesbare Speichermedium ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Das Computerprogrammprodukt kann Befehle umfassen, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, in einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem und/oder in einem wie vorstehend beschriebenen Fahrzeug das vorgeschlagene Verfahren auszuführen.
Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache und/oder Maschinensprache wie beispielsweise in JAVA, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher und/oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer und andere programmierbare Geräte wie ein Steuergerät derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden und/oder sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, das heißt in Hardware oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden und/oder sein.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen der vorgeschlagenen Technologie ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in Kombination miteinander wesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie,
Fig. 2 ein computerlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie,
Fig. 3 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie und
Fig. 4 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas gemäß einer möglichen Ausführungsform. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 11 mit einer Anode 12 und einer Kathode 13 auf. Das Brennstoffzellensystem 10 weist ferner einen Anodeneinlasspfad 14 zum Leiten eines Anodengases in einen Anodeneinlass 41 der Anode 12, einen Anodenabgaspfad 15 zum Leiten eines Anodenabgases aus einem Anodenauslass 42 der Anode 12, einen Kathodeneinlasspfad 16 zum Leiten eines Kathodengases in einen Kathodeneinlass 43 der Kathode 13 und einen Kathodenabgaspfad 17 zum Leiten eines Kathodenabgases aus einem Kathodenauslass 44 der Kathode 13 auf. Zudem weist das Brennstoffzellensystem einen Purgepfad 18 und einen Bypasspfad 19 auf. Der Purgepfad 18 ist zum Leiten von Anodenabgas aus dem Anodenabgaspfad 15 in den Kathodenabgaspfad 17 konfiguriert. Der Bypasspfad 19 ist zum Leiten von Kathodengas aus dem Kathodeneinlasspfad 16 stromaufwärts des Kathodeneinlasses 43 in den Kathodenabgaspfad 17 stromabwärts des Kathodenauslasses 44 konfiguriert. Im Bypasspfad 19 ist ein Bypassventil 25 zum Kontrollieren einer Kathodengasströmung durch den Bypasspfad 19 positioniert. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist einen Verdünnungsgasabschnitt 26 zum Leiten eines Verdünnungsgases stromabwärts des Kathodenauslasses 44 durch den Kathodenabgaspfad 17 auf. Das Verdünnungsgas weist Kathodengas aus dem Bypasspfad 19 und Kathodenabgas aus dem Kathodenauslass 44 auf. Unter dem Verdünnungsgasabschnitt 26 kann demnach ein Teilabschnitt des Kathodenabgaspfades 17 verstanden werden.
Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10 weist einen Verdünner 20, einen Kompressor 21 und einen Befeuchter 22 auf. Der Kompressor 21 ist im Kathodeneinlasspfad 16 ausgestaltet. Der Verdünner 20 ist im Kathodenauslasspfad 17 ausgestaltet. Der Befeuchter 22 ist im Kathodeneinlasspfad 16 sowie im Kathodenauslasspfad 17 ausgestaltet. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem 10 einen Injektor/Ejektor 23 im Anodeneinlasspfad auf. Im und/oder am Anodenabgaspfad 15 kann ein Wasserabscheider positioniert sein, über welchen Anodenabgas zum Injektor/Ejektor 23 rezirkuliert werden kann und aus welchem Anodenabgas weiter in den Purgepfad 18 geleitet werden kann. Im Anodenabgaspfad 15 sind ein erster Drucksensor 31 und ein Temperatursensor 34 positioniert. Im Purgepfad 18 ist ein zweiter Drucksensor 32 positioniert. Zwischen dem Anodenabgaspfad 15 und dem Purgepfad 19 ist ein Purgeventil 30 positioniert. Das Anodenabgas kann aus dem Anodenabgaspfad 15 über das Purgeventil 30 in den Purgepfad 18 geleitet werden. Der erste Drucksensor 31 und der zweite Drucksensor 32 sind konfiguriert, den Anodenabgasdruck stromaufwärts des Purgeventils 30 und stromabwärts des Purgeventils 30 zu messen.
Das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem weist ein Steuergerät 50 mit einer Ermittlungseinheit 51 , einer Kontrolleinheit 52 und einer Bereitstellungseinheit 53 auf. Die Bereitstellungseinheit 53 weist einen nichtflüchtigen und computerlesbaren Speicher auf. Unter dem Steuergerät 50 kann ein Teil eines Fahrzeugsteuergerätes verstanden werden. Die Ermittlungseinheit 51 ist konfiguriert, einen Brennstoff-Massenstrom durch den Purgepfad 18 und einen Verdünnungsgas-Massenstrom durch den Verdünnungsgasabschnitt 26 zu ermitteln. Zum Ermitteln des Verdünnungsgas- Massenstroms ist stromabwärts des Bypasspfads 19, stromabwärts des Befeuchters 22 und stromaufwärts des Verdünners 20 ein Massenstromsensor 35 am Kathodenabgaspfad 17 positioniert. Das Steuergerät 50, die Ermittlungseinheit 51, die Kontrolleinheit 52 und die Bereitstellungseinheit 53 können weitere Funktionsbauteile aufweisen, die sich über die in Fig. 1 gezeigten Rechtecke hinaus erstrecken und/oder die außerhalb der gezeigten Rechtecke positioniert sind. Unter dem Steuergerät kann ein Gerät zum Kontrollieren, Einstellen, Messen, Berechnen, Steuern und/oder Regeln verstanden werden.
Die Ermittlungseinheit 51 ist konfiguriert, einen Anodenabgasdrucks im Anodenabgaspfad 15 mittels des ersten Drucksensors 31 , einen Anodenabgasdruck im Purgepfad 18 mittels des zweiten Drucksensors 32 und eine Anodenabgastemperatur im Anodenabgaspfad 15 mittels des Temperatursensors 34 zu ermitteln. Außerdem ist die Ermittlungseinheit konfiguriert, den Brennstoff-Massenstrom basierend auf dem im Anodenabgaspfad 15 ermittelten Anodenabgasdruck, basierend auf dem im Purgepfad 18 ermittelten Anodenabgasdruck und basierend auf der im Anodenabgaspfad 15 ermittelten Anodenabgastemperatur zu ermitteln. Die Bereitstellungseinheit 53 ist zum Bereitstellen einer Ziel-Brennstoffkonzentration und zum Bereitstellen eines Sicherheitsfaktors konfiguriert. Die Kontrolleinheit 52 ist konfiguriert, den Verdünnungsgas-Massenstrom basierend auf dem ermittelten Brennstoff-Massenstrom, basierend auf der bereitgestellten Ziel-Brennstoffkonzentration und basierend auf dem bereitgestellten Sicherheitsfaktor zu kontrollieren. Der Verdünnungsgas-Massenstrom kann bei dem in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 10 insbesondere durch ein Ansteuern des Bypassventils 25 kontrolliert werden.
Fig. 2 zeigt ein computerlesbares und nichtflüchtiges Speichermedium 80, auf dem ein Computerprogrammprodukt 70 gespeichert ist. Das Speichermedium 80 ist in Form eines Flash-Drives ausgestaltet. Das Computerprogrammprodukt 70 umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts 70 durch einen Computer diesen veranlassen, in dem dargestellten Brennstoffzellensystem 10 ein Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas durchzuführen.
In Fig. 3 ist ein Fahrzeug 100 in Form eines PKW dargestellt. Das Fahrzeug 100 weist ein wie vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem 10 mit einer Brennstoffzelle 11 und einem Druckbehälter 60 für Brennstoff auf. Das Fahrzeug 100 weist außerdem zwei Elektromotoren 90 zum Antreiben des Fahrzeugs 100 auf. Das Brennstoffzellensystem 10 ist konfiguriert, im Fahrzeug 100 elektrischen Strom zu erzeugen, der zur Stromversorgung der Elektromotoren 90 verwendet werden kann. Darüber hinaus weist das Fahrzeug 100 ein Steuergerät 50 auf, die konfiguriert ist, im Fahrzeug 100 ein Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas durchzuführen.
Mit Bezug auf Fig. 4 wird anschließend ein Verfahren zum Kontrollieren der Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas des gezeigten Brennstoffzellensystems 10 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird ein Brennstoff-Massenstroms durch den Purgepfad 18 ermittelt. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Verdünnungsgas-Massenstrom durch den Verdünnungsgasabschnitt 26 ermittelt. In einem dritten Schritt S3 wird der Verdünnungsgas-Massenstrom basierend auf dem ermittelten Brennstoff-Massenstrom kontrolliert. Die Schritte S1 bis S3 müssen nicht in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte S1 bis S3 können zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden.
Die hier offenbarte Technologie lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Technologie soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Zum Durchführen des Verfahrens kann beispielsweise zwischen einer überkritischen Strömung und einer unterkritischen Strömung am Purgeventil 30 unterschieden werden. Für überkritische Strömungen durch das Purgeventil 30 kann gelten: wobei
A° = kritische Fläche (unbekannte Konstante), die gefittet wird,
R = für die Reynoldszahl,
M = Molare Masse,
PAnodout = gemessener Anodenabgasdruck,
TAnodout = gemessene, berechnete und/oder geschätzte Anodenabgastemperatur, y = Isentropenkoeffizient, x = Konzentration.
Für unterkritische Strömungen durch das Purgeventil 30 kann gelten: wobei
A° = kritische Fläche (unbekannte Konstante), die gefittet wird,
R = für die Reynoldszahl (Gaskonstante),
M = Molare Masse,
PAnodout = gemessener Anodenabgasdruck stromaufwärts des Purgeventils 30,
TAnodout = gemessene, berechnete oder geschätzte Anodenabgastemperatur, ppurgeout = gemessener, berechneter oder geschätzter Anodenabgasdruck stromabwärts des
Purgeventils 30, y = Isentropenkoeffizient, x = Konzentration.
Anschließend kann der Brennstoffmassenstrom wie folgt ermittelt werden:
W(%H2) — XN2 * ^N2 + XH2 * ^H2 + XH2O * ^H2O und
^H2Purge ^71 Purge ’ -^H2
Das Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms basierend auf dem ermittelten
Brennstoff-Massenstrom kann unter Verwendung folgender Gleichung durchgeführt werden: wobei
S = Sicherheitsfaktor und
XH2Abgas = Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas (maximal 4 [Vol%]) . Bezugszeichenliste
B re n n Stoff ze 11 en syste m Brennstoffzelle Anode
Kathode Anodeneinlasspfad Anodenabgaspfad Kathodeneinlasspfad Kathodenabgaspfad Purgepfad
Bypasspfad Verdünner Kompressor Befeuchter Injektor/Ejektor Bypassventil
Verdünnungsgasabschnitt
Purgeventil erster Drucksensor zweiter Drucksensor Temperatursensor Massenstromsensor
Anodeneinlass Anodenauslass Kathodeneinlass Kathodenauslass
Steuergerät Ermittlungseinheit Kontrolleinheit Bereitstellungseinheit Druckbehälter
Computerprogrammprodukt
Speichermedium
Elektromotor
Fahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas eines Brennstoffzellensystems (10), wobei das Brennstoffzellensystem (10) aufweist:
- eine Brennstoffzelle (11) mit einer Anode (12) und einer Kathode (13),
- einen Anodeneinlasspfad (14) zum Leiten eines Anodengases in einen Anodeneinlass (41) der Anode (12),
- einen Anodenabgaspfad (15) zum Leiten eines Anodenabgases aus einem Anodenauslass (42) der Anode (12),
- einen Kathodeneinlasspfad (16) zum Leiten eines Kathodengases in einen Kathodeneinlass (43) der Kathode (13),
- einen Kathodenabgaspfad (17) zum Leiten eines Kathodenabgases aus einem Kathodenauslass (44) der Kathode (13),
- einen Purgepfad (18) zum Leiten von Anodenabgas aus dem Anodenabgaspfad (15) in den Kathodenabgaspfad (17),
- einen Bypasspfad (19) zum Leiten von Kathodengas aus dem Kathodeneinlasspfad (16) stromaufwärts des Kathodeneinlasses (43) in den Kathodenabgaspfad (17) stromabwärts des Kathodenauslasses (44) und
- einen Verdünnungsgasabschnitt (26) zum Leiten eines Verdünnungsgases stromabwärts des Kathodenauslasses (44) durch den Kathodenabgaspfad (17), wobei das Verdünnungsgas Kathodengas aus dem Bypasspfad (19) und Kathodenabgas aus dem Kathodenauslass (44) aufweist, wobei das Verfahren aufweist:
- Ermitteln eines Brennstoff-Massenstroms durch den Purgepfad (18),
- Ermitteln eines Verdünnungsgas-Massenstroms durch den Verdünnungsgasabschnitt (26) und
- Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms basierend auf dem ermittelten Brennstoff-Massenstrom.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , aufweisend:
- Ermitteln eines Anodenabgasdrucks im Anodenabgaspfad (15) und
- Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms basierend auf dem im Anodenabgaspfad (15) ermittelten Anodenabgasdruck.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend:
- Ermitteln eines Anodenabgasdrucks im Purgepfad (18) und - Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms basierend auf dem im Purgepfad (18) ermittelten Anodenabgasdruck.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend:
- Ermitteln einer Anodenabgastemperatur und
- Ermitteln des Brennstoff-Massenstroms basierend auf der ermittelten Anodenabgastemperatur.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend:
- Bereitstellen einer Ziel-Brennstoffkonzentration,
- Bereitstellen eines Sicherheitsfaktors und
- Kontrollieren des Verdünnungsgas-Massenstroms basierend auf der Ziel- Brennstoffkonzentration und basierend auf dem Sicherheitsfaktor.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Verdünnungsgas- Massenstroms durch ein Kontrollieren eines Kathodengasstroms durch den Bypasspfad (19) kontrolliert wird.
7. Brennstoffzellensystem (10) zum Kontrollieren einer Brennstoffkonzentration im Kathodenabgas, aufweisend:
- eine Brennstoffzelle (11) mit einer Anode (12) und einer Kathode (13),
- einen Anodeneinlasspfad (14) zum Leiten eines Anodengases in einen Anodeneinlass (41) der Anode (12),
- einen Anodenabgaspfad (15) zum Leiten eines Anodenabgases aus einem Anodenauslass (42) der Anode (12),
- einen Kathodeneinlasspfad (16) zum Leiten eines Kathodengases in einen Kathodeneinlass (43) der Kathode (13),
- einen Kathodenabgaspfad (17) zum Leiten eines Kathodenabgases aus einem Kathodenauslass (44) der Kathode (13),
- einen Purgepfad (18) zum Leiten von Anodenabgas aus dem Anodenabgaspfad (15) in den Kathodenabgaspfad (17),
- einen Bypasspfad (19) zum Leiten von Kathodengas aus dem Kathodeneinlasspfad (16) stromaufwärts des Kathodeneinlasses (43) in den Kathodenabgaspfad (17) stromabwärts des Kathodenauslasses (44),
- einen Verdünnungsgasabschnitt (26) zum Leiten eines Verdünnungsgases stromabwärts des Kathodenauslasses (44) durch den Kathodenabgaspfad (17), wobei das Verdünnungsgas Kathodengas aus dem Bypasspfad (19) und Kathodenabgas aus dem Kathodenauslass (44) aufweist,
- eine Ermittlungseinheit (51), die konfiguriert ist, einen Brennstoff-Massenstrom durch den Purgepfad (18) und einen Verdünnungsgas-Massenstrom durch den Verdünnungsgasabschnitt (26) zu ermitteln und
- eine Kontrolleinheit (52), die konfiguriert ist, den Verdünnungsgas-Massenstrom basierend auf dem ermittelten Brennstoff-Massenstrom zu kontrollieren.
8. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 7, wobei die Ermittlungseinheit (51) konfiguriert ist, einen Anodenabgasdrucks im Anodenabgaspfad (15) zu ermitteln und den Brennstoff-Massenstroms basierend auf dem im Anodenabgaspfad (15) ermittelten Anodenabgasdruck zu ermitteln.
9. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Ermittlungseinheit (51) konfiguriert ist, einen Anodenabgasdrucks im Purgepfad (18) zu ermitteln und den Brennstoff-Massenstroms basierend auf dem im Purgepfad (18) ermittelten Anodenabgasdruck zu ermitteln.
10. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Ermittlungseinheit (51) konfiguriert ist, eine Anodenabgastemperatur zu ermitteln und den Brennstoff-Massenstrom basierend auf der ermittelten Anodenabgastemperatur zu ermitteln.
11. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, aufweisend eine Bereitstellungseinheit (53) zum Bereitstellen einer Ziel-Brennstoffkonzentration und zum Bereitstellen eines Sicherheitsfaktors, wobei die Kontrolleinheit (52) konfiguriert ist den Verdünnungsgas-Massenstrom basierend auf der bereitgestellten Ziel- Brennstoffkonzentration und basierend auf dem bereitgestellten Sicherheitsfaktor zu kontrollieren.
12. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Kontrolleinheit (52) konfiguriert ist, den Verdünnungsgas-Massenstrom durch ein Kontrollieren eines Kathodengasstroms durch den Bypasspfad (19) zu kontrollieren.
13. Fahrzeug (100) mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das Brennstoffzellensystem (10) konfiguriert ist, im Fahrzeug (100) elektrischen Strom zu erzeugen.
14. Computerprogrammprodukt (70), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (70) durch einen Computer diesen veranlassen, in einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 12 und/oder in einem Fahrzeug (100) nach Anspruch 13 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
15. Computerlesbares Speichermedium (80) mit einem darauf gespeicherten Computerprogrammprodukt (70) nach Anspruch 14.
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