WO2026017356A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der konzentration von wasserstoff in brennstoffzellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der konzentration von wasserstoff in brennstoffzellen

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Diana Maria OTALVARO GUTIERREZ
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the concentration of hydrogen in the anode of fuel cells.
  • the invention also relates to a fuel cell system with such a device and to a motor vehicle equipped with a fuel cell system according to the invention.
  • fuel cells are often operated in a so-called anode recirculation mode.
  • the hydrogen-containing gases exiting the anode of the fuel cell are returned to the anode inlet via an anode recirculation circuit, in order to utilize the hydrogen still contained in the exiting gases for energy generation.
  • the anode recirculation circuit Since nitrogen accumulates in the anode recirculation circuit during operation in anode recirculation mode and displaces hydrogen, thereby reducing the hydrogen concentration in the anode recirculation circuit, the anode recirculation circuit is regularly purged with hydrogen by opening a purge valve ("purge valve") in order to operate the fuel cell system efficiently. Purging the anode recirculation circuit can be carried out particularly efficiently if the hydrogen concentration in the anode of the fuel cell is known, since in this case the purging can be adjusted to the current hydrogen concentration in the anode.
  • purge valve purge valve
  • a method for determining the hydrogen concentration in an anode of at least one fuel cell during the operation of the at least one fuel cell comprises the following steps: repeatedly measuring the electric current delivered by the at least one fuel cell and providing several current measurements; repeatedly measuring the hydrogen concentration in a gas mixture flowing from a purge valve arranged at an outlet of an anode of the at least one fuel cell and providing several hydrogen concentration measurements; calculating relative current measurements from the measured current measurements and calculating relative hydrogen concentration measurements from the measured hydrogen concentration measurements; determining scaled current measurements by multiplying the relative current measurements by a current scaling factor and determining scaled hydrogen concentration measurements by multiplying the relative hydrogen concentration measurements by a hydrogen concentration scaling factor; forming difference values from the scaled current measurements and the scaled hydrogen concentration measurements;
  • the current and hydrogen concentration measurements are taken continuously or repeatedly, for example periodically at constant time intervals. These time intervals can be, for example, 50 ms to 150 ms, and in particular 100 ms.
  • the differences between the scaled current measurements and the scaled hydrogen concentration measurements are calculated when the underlying current and hydrogen concentration measurements are taken at the same time. Each difference value is thus uniquely assigned to the time at which the underlying measurements were taken.
  • the invention also includes a device for determining the hydrogen concentration in an anode of at least one fuel cell during operation of the at least one fuel cell.
  • a device for determining the hydrogen concentration in an anode of at least one fuel cell during operation of the at least one fuel cell.
  • Such a device according to the invention comprises: a current sensor configured and provided to measure an electric current delivered by the at least one fuel cell during operation and to provide corresponding current readings; a hydrogen concentration sensor configured and provided to measure hydrogen concentrations in a gas mixture flowing from a purge valve arranged at an outlet of an anode of the at least one fuel cell and to provide corresponding hydrogen concentration readings; and an evaluation device configured and provided to receive the readings provided by the current sensor and the hydrogen concentration sensor and to evaluate them using a method according to the invention, as previously described, in order to determine the hydrogen concentration in the anode of the at least one fuel cell.
  • the current and hydrogen concentration measurements are taken continuously or repeatedly, for example periodically at constant time intervals. These time intervals can be, for example, 50 ms to 150 ms, and in particular 100 ms.
  • the hydrogen concentration in the anode of at least one can be determined with good accuracy during operation of the fuel cell using commercially available and inexpensive sensors.
  • the hydrogen concentration in the anode can be determined with sufficient accuracy to control the purge valve in an anode recirculation circuit of a fuel cell system, enabling highly efficient operation of the fuel cell system.
  • the invention also includes a method for operating at least one fuel cell with an anode, wherein a purge valve is provided at an outlet of the anode, and wherein the method comprises determining the hydrogen concentration in the anode of the at least one fuel cell during the operation of the at least one fuel cell using a method according to the invention as previously described, and controlling the purge valve on the basis of the hydrogen concentration in the anode of the at least one fuel cell thus determined.
  • the invention also comprises a fuel cell system with at least one fuel cell having an anode; a purge valve arranged at an outlet of the anode of the at least one fuel cell; a device according to the invention for determining the hydrogen concentration in the anode of the at least one fuel cell; and a control device configured to actuate the purge valve based on the hydrogen concentration determined by the device for determining the hydrogen concentration.
  • the control device is particularly configured to open the purge valve when the hydrogen concentration determined by the device for determining the hydrogen concentration falls below a predetermined limit value.
  • At least one fuel cell in such a fuel cell system can be operated very efficiently because the purging of the anode recirculation circuit of the at least one fuel cell can be adjusted to the current hydrogen concentration in the anode of the at least one fuel cell. This prevents the purge valve from being opened too infrequently or too frequently.
  • the fuel cell system comprises multiple fuel cells.
  • the fuel cell system can include a fuel cell stack comprising multiple fuel cells. Through the Combining multiple fuel cells in a fuel cell system, especially in a fuel cell stack, can increase the electrical power provided by the fuel cell system.
  • the invention also includes a motor vehicle with at least one electric motor and with a fuel cell system according to the invention, which is designed and configured to provide electric current for operating the at least one electric motor.
  • calculating the relative current measurements involves determining a maximum current value among the measured current measurements, which is not exceeded by any of the measured current measurements, and dividing the measured current measurements by this maximum current value. This results in relative current measurements that are dimensionless quantities in the range between zero and one.
  • calculating the relative hydrogen concentration measurements involves determining a maximum hydrogen concentration value from the measured hydrogen concentration measurements, which is not exceeded by any of the measured hydrogen concentration measurements, and dividing the measured hydrogen concentration measurements by the maximum hydrogen concentration value. This results in relative hydrogen concentration measurements that are dimensionless quantities in the range between zero and one.
  • the current scaling factor, the hydrogen concentration scaling factor, and the bias value are determined based on experiments and measurements. These experiments and measurements can be performed with complex, large, and expensive experimental setups and measuring instruments that are not suitable for series production, for example, in motor vehicles. With such experimental setups and measuring instruments, the current scaling factor, the The hydrogen concentration scaling factor and the bias value can be determined with good accuracy.
  • methods of linear regression and/or methods of artificial intelligence can be used to determine the current gain factor, the hydrogen concentration gain factor and the bias value efficiently and with high accuracy.
  • a method according to the invention for operating at least one fuel cell comprises opening the purge valve when the hydrogen concentration in the anode of the at least one fuel cell, as determined according to the invention, falls below a predetermined limit value, in order to increase the hydrogen concentration in the anode by purging the anode recirculation circuit.
  • the procedure may include keeping the flushing valve open for a fixed period of time.
  • the procedure can involve keeping the purge valve open until the hydrogen concentration in the anode of at least one fuel cell exceeds a predetermined second limit. This allows the opening time of the purge valve to be flexibly adapted to the current operating conditions of the fuel cell.
  • Figure 1 shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention.
  • Figure 2 shows a diagram in which an experimentally determined hydrogen concentration and a hydrogen concentration determined with a device according to the invention are plotted.
  • Figure 3 shows a schematic view of a motor vehicle with a fuel cell system according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic view of a fuel cell system 2 according to an embodiment of the invention.
  • the fuel cell system 2 comprises at least one fuel cell 4 or a fuel cell stack containing several fuel cells 4, with an anode 6 and a cathode 8.
  • a membrane 10, in particular a polymer electrolyte membrane 10, is arranged between the anode 6 and the cathode 8.
  • the cathode 8 is supplied with gaseous oxygen (O2), in particular oxygen-containing air 30 from the environment, via an oxygen supply system which is not shown in detail.
  • O2 gaseous oxygen
  • Gaseous hydrogen 26 (H2) is supplied to the anode 6 via a hydrogen supply system 12, 14.
  • the hydrogen 26 and the oxygen react at or in the membrane 10 to form water (H2O).
  • An electrical voltage U is generated between electrodes 6a, 8a, which are arranged in the anode 6 and in the cathode 8, so that an electric current i can be drawn from the at least one fuel cell 4 to operate electrical loads, for example electric motors.
  • the hydrogen supply system 12, 14 comprises a hydrogen source 14 that provides gaseous hydrogen 26, and a hydrogen metering valve 15 that makes it possible to regulate the supply of hydrogen to the anode 6.
  • the hydrogen-containing gas mixture 26, 28 flowing out of the anode 6 is returned to the anode 6 by an anode recirculation circuit 12 in order to be able to use this hydrogen to generate electrical energy.
  • nitrogen from the air 30, which is supplied to the cathode 8 of the at least one fuel cell 4 also enters the anode 6 and accumulates in the anode recirculation circuit 12 over time.
  • the proportion of nitrogen 28 in the anode recirculation circuit 12 increases at the expense of the proportion of hydrogen 26.
  • the anode recirculation circuit 12 In order to enable the most efficient operation of at least one fuel cell 4, the anode recirculation circuit 12 must be regularly purged to reduce the proportion of nitrogen 28 in the gas mixture circulating in the anode recirculation circuit 12 and to increase the hydrogen content in the gas mixture again.
  • a purge valve 20 is provided downstream of the outlet 9 of the anode 6 for purging the anode recirculation circuit 12. Opening the purge valve 20 allows nitrogen 28 to be released from the anode recirculation circuit 12. Since not only nitrogen but also hydrogen 26 exits the anode recirculation circuit 12 through the open purge valve 20, the purge valve 20 must not be opened too frequently or for too long in order to ensure efficient operation of the fuel cell system 2.
  • the invention therefore provides a new method and a new device 25 which make it possible to determine the hydrogen concentration CH2 in the anode 6 of at least one fuel cell 4 with commercially available, cost-effective sensors 16, 18 with sufficiently good accuracy.
  • a device 25 comprises a current sensor 16, which is designed and provided to measure the electric current i emanating from the at least to measure the current taken from a fuel cell 4 and to provide corresponding current measurement values i(t).
  • the device 25 according to the invention further comprises a hydrogen concentration sensor 18, which is arranged downstream of the anode 6 at the outlet of the purge valve 20.
  • the hydrogen concentration sensor 18 is designed and configured to measure the hydrogen concentration in the gas mixture flowing out of the anode 6 and to provide corresponding hydrogen concentration measurements kH2(t).
  • the device 25 also includes an evaluation device 22, which is designed and provided to receive and evaluate the measured values i(t), kH2(t) provided by the current sensor 16 and the hydrogen concentration sensor 18 in order to determine the hydrogen concentration CH2 in the anode 6 of the at least one fuel cell 4.
  • an evaluation device 22 which is designed and provided to receive and evaluate the measured values i(t), kH2(t) provided by the current sensor 16 and the hydrogen concentration sensor 18 in order to determine the hydrogen concentration CH2 in the anode 6 of the at least one fuel cell 4.
  • the current measurements i(t) and the hydrogen concentration measurements kH2(t) are measured continuously or repeatedly, in particular regularly, and made available to the evaluation device 22.
  • the evaluation device 22 determines the largest of the measured current values i(t) as the maximum current value i max (imax > i(t)) and the largest of the measured hydrogen concentration values kH2(t) as the maximum hydrogen concentration value k max (k max > kH2(t)).
  • the relative current measurements i re i(t) and relative hydrogen concentration measurements k re i(t) calculated in this way are dimensionless and have values between zero (0%) and one (100%).
  • scaled current measurements i sca i(t) and scaled hydrogen concentration measurements k S cai(t) are calculated by multiplication with a current scaling factor gi or with a hydrogen concentration scaling factor gH2:
  • the difference diff(t) between the relative current value i sc ia(t) and the relative hydrogen concentration measurement c S da(t) is determined for each time t: diff(t) — kscal(t) " lscal(t).
  • bias value GH2 is added in order to arrive at the calculated value CH2(T) for the current hydrogen concentration CH2(T) in the anode 6:
  • the current scaling factor gi, the hydrogen concentration scaling factor g c and the bias value GH2 are constants that are characteristic quantities of the respective fuel cell system 2.
  • the current scaling factor gt, the hydrogen concentration scaling factor g c and the bias-bias value GH2 can be determined on the basis of experiments and measurements with elaborate measuring setups or measuring devices, which make it possible to determine the hydrogen concentration CH2 in the anode 6 of at least one fuel cell 4 with high accuracy, but which are not suitable for series production.
  • methods of linear regression and/or methods of artificial intelligence can be used to determine the current amplification factor gt, the hydrogen concentration amplification factor g c and the bias-bias value GH2.
  • FIG. 2 shows a diagram in which, by way of example, an experimentally determined or measured hydrogen concentration CH2 in the anode 6 of a fuel cell 4 is shown as a solid line and a hydrogen concentration CH2(T) in the anode 6 determined with a device 25 or with a method according to the invention is shown as a dashed line as a function of time T.
  • the hydrogen concentration CH2(T) in the anode 6 of at least one fuel cell 4 can be determined with good accuracy during operation using commercially available and inexpensive sensors 16, 18.
  • the hydrogen concentration sensor 18 Since the hydrogen concentration sensor 18 is located at the outlet of the purge valve 20, the hydrogen concentration kH2(t) in the gas mixture 26, 28 can only be measured when the purge valve 20 is open. When the purge valve 20 is closed, the hydrogen concentration CH2 in the anode 6 decreases according to the current scaling factor gi.
  • the hydrogen concentration CH2(T) in the anode 6 can be determined, in particular with an accuracy sufficient to control the purge valve 20 on the basis of the hydrogen concentration CH2(T) thus determined, in such a way that the fuel cell system 2 can be operated very efficiently.
  • the fuel cell system 2 in particular includes a control device 24, which is designed and intended to receive the hydrogen concentration CH2(T) determined by the device according to the invention and to actuate the purge valve 20 based on the hydrogen concentration CH2 (T) determined by the device.
  • Actuating the purge valve 20 can in particular include opening the purge valve 20 when the currently determined hydrogen concentration CH2 (T) falls below a predetermined limit value Cnmit ( CH2 (T) ⁇ Climit).
  • the flushing valve 20 can be controlled in such a way that it remains open for a fixed predetermined period of time.
  • the purge valve 20 can be controlled to remain open until the hydrogen concentration CH2 in the anode 6 of at least one fuel cell 4 exceeds a predetermined second limit value Cii m it 2. This allows the opening time of the purge valve 20 to be flexibly adapted to the current operating conditions of the fuel cell 4.
  • Figure 3 shows a schematic view of a motor vehicle 1 which is driven by an electric motor 5 which is supplied with electrical energy by a fuel cell system 2 according to the invention.
  • the motor vehicle 1 has four wheels 3 and at least one electric motor 5, which is designed and intended to drive at least two of the four wheels 3 of the motor vehicle 1.
  • the electric motor 5 can also be intended to drive all four wheels 3 of the motor vehicle 1.
  • an electric motor 5 can be provided on at least one of the wheels 3, in particular on each of the wheels 3, of the motor vehicle 1 for driving the respective wheel 3.
  • the electric motor 5 is supplied with electrical energy via a motor control 7, which is provided by the fuel cell system 2.
  • a fuel cell system 2 according to the invention can also be used in motor vehicles
  • Vehicles that have more or less than four wheels 3. can be used. ...

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Abstract

Eine Verfahren zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration (CH2) in einer Anode (6) wenigstens einer Brennstoffzelle (4) umfasst: (A) mehrfaches Messen des von der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) abgegebenen elektrischen Stromes (i) und Bereitstellen von mehreren Strom-Messwerten (i(t)); (B) mehrfaches Messen der Wasserstoffkonzentration (kH2) in einem Gasgemisch (26, 28), das aus einem Spülventil (20) ausströmt, das an einem Ausgang (9) der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) angeordnet ist, und Bereitstellen von mehreren Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kH2(t)); (C) Berechnen von relativen Strom-Messwerte (irel(t)) aus den gemessenen Strom-Messwerten (i(t)) und Berechnen von relativen Wasserstoffkonzentration-Messwerten (krel(t)) aus den gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kH2(t)); (D) Bestimmen von skalierten Strom-Messwerten (iscal(t)) durch Multiplizieren der relativen Strom- Messwerte (irel(t)) mit einem Strom-Skalierungsfaktor (gi) und Bestimmen von skalierten Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kscal(t)) durch Multiplizieren der relative Wasserstoffkonzentration-Messwerte (krel(t)) mit einem Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor (gH2); (E) Bilden von Differenzwerten (diff(t)) aus den skalierten Strom-Messwerten (iscal(t)) und den skalierten Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kscal(t)); (F) Integrieren oder Summieren der Differenzwerte (diff(t)) über die Zeit (t); und (G) Addieren eines Bias-Wertes (GH2) zu dem Integral D(T) oder zu der Summe D(T) der Differenzwerte (diff(t)).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Wasserstoff in
Brennstoffzellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Wasserstoff in der Anode von Brennstoffzellen. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug, das mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgestattet ist.
Stand der Technik
Um die umweltschädlichen Emissionen von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, kommen in Kraftfahrzeugen anstelle von Verbrennungsmotoren zunehmend Elektromotoren zum Einsatz. Um die Elektromotoren in den Kraftfahrzeugen mit elektrischer Energie zu versorgen, können anstelle von Batterien auch Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, die mit Wasserstoff betrieben werden.
Um die Effizienz zu erhöhen, werden die Brennstoffzellen häufig in einem sogenannten Anodenrezirkulationsmodus betrieben. Dabei werden die aus der Anode der Brennstoffzellen austretenden wasserstoffhaltigen Gase durch einen sogenannten Anodenrezirkulationskreis zum Eingang der Anode zurückgeführt, um auch den in den austretenden Gasen noch enthaltenen Wasserstoff für die Energieerzeugung zu nutzen.
Da sich bei einem Betrieb im Anodenrezirkulationsmodus im Anodenrezirkulationskreis Stickstoff ansammelt und Wasserstoff verdrängt, wodurch die Wasserstoffkonzentration im Anodenrezirkulationskreis reduziert wird, wird der Anodenrezirkulationskreis regelmäßig durch Öffnen eines Spülventils ("Purge- Ventil") mit Wasserstoff gespült ("Purging"), um das Brennstoffzellensystem effizient betreiben zu können. Das Spülen des Anodenrezirkulationskreises kann besonders effizient durchgeführt werden, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Anode der Brennstoffzelle bekannt ist, da in diesem Fall das Spülen auf die aktuelle Wasserstoffkonzentration in der Anode abgestimmt werden kann.
Die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen, die es ermöglichen, die Wasserstoffkonzentration in der Anode einer Brennstoffzelle zu messen, sind aufwendig und teuer. Sie sind daher für einen Serieneinsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, nicht geeignet.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, die Wasserstoffkonzentration in der Anode einer Brennstoffzelle einfacher und kostengünstiger zu bestimmen.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration in einer Anode wenigstens einer Brennstoffzelle im laufenden Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle umfasst die folgenden Schritte: wiederholtes Messen des von der wenigstens einen Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Stromes und Bereitstellen von mehreren Strom-Messwerten; wiederholtes Messen der Wasserstoffkonzentration in einem Gasgemisch, das aus einem Spülventil ausströmt, das an einem Ausgang einer Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnet ist, und Bereitstellen von mehreren Wasserstoffkonzentration-Messwerten; Berechnen von relativen Strom- Messwerten aus den gemessenen Strom-Messwerten und Berechnen von relativen Wasserstoffkonzentration-Messwerten aus den gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerten; Bestimmen von skalierten Strom- Messwerten durch Multiplizieren der relativen Strom-Messwerte mit einem Strom-Skalierungsfaktor und Bestimmen von skalierten Wasserstoffkonzentration-Messwerten durch Multiplizieren der relative Wasserstoffkonzentration-Messwerte mit einem Wasserstoffkonzentration- Skalierungsfaktor; Bilden von Differenzwerten aus den skalierten Strom- Messwerten und den skalierten Wasserstoffkonzentration-Messwerten;
Integrieren bzw. Summieren der Differenzwerte über die Zeit; und Addieren eines Bias-Wertes zu dem Integral bzw. zu der Differenzwerte. Die Strom-Messwerte und die Wasserstoffkonzentration-Messwerte werden dabei kontinuierlich oder wiederholt, beispielsweise periodisch in konstanten zeitlichen Abständen, gemessen. Die zeitlichen Abständen können beispielsweise 50 ms bis 150 ms, insbesondere 100 ms betragen.
Beim Bilden der Differenzwerte werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Differenzen zwischen den skalierten Strom-Messwerten und den skalierten Wasserstoffkonzentration-Messwerten berechnet, deren zugrundeliegenden Strom-Messwerte und Wasserstoffkonzentration-Messwerte zum gleichen Zeitpunkt gemessen worden sind. Jeder Differenzwert ist damit eindeutig dem Zeitpunkt zugeordnet, zu dem die dem Differenzwert zu Grunde liegenden Messwerte gemessen worden sind.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration in einer Anode wenigstens einer Brennstoffzelle im laufenden Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle. Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst: einen Stromsensor, der dazu ausgebildet und vorgesehen ist, einen von der wenigstens einen Brennstoffzelle im Betrieb abgegebenen elektrischen Strom zu messen und entsprechende Strom-Messwerte zu Verfügung zu stellen; einen Wasserstoffkonzentrationssensor, der dazu ausgebildet und vorgesehen ist, Wasserstoffkonzentrationen in einem Gasgemisch zu messen, das aus einem Spülventil ausströmt, das an einem Ausgang einer Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnet ist, und entsprechende Wasserstoffkonzentration-Messwerte zu Verfügung zu stellen; und eine Auswertevorrichtung, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, die von dem Stromsensor und dem Wasserstoffkonzentrationssensor zur Verfügung gestellten Messwerte entgegenzunehmen und mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es zuvor beschrieben worden ist, auszuwerten, um die Wasserstoffkonzentration in der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle zu bestimmen.
Die Strom-Messwerte und die Wasserstoffkonzentration-Messwerte werden dabei kontinuierlich oder wiederholt, beispielsweise periodisch in konstanten zeitlichen Abständen, gemessen. Die zeitlichen Abständen können beispielsweise 50 ms bis 150 ms, insbesondere 100 ms betragen.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Wasserstoffkonzentration in der Anode wenigstens einer Brennstoffzelle im laufenden Betrieb der Brennstoffzelle unter Verwendung handelsüblicher und kostengünstiger Sensoren mit guter Genauigkeit bestimmt werden. Die Wasserstoffkonzentration in der Anode kann insbesondere mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die ausreicht, um das Spülventil in einem Anoden- rezirkulationskreis eines Brennstoffzellensystem so anzusteuern, dass das Brennstoffzellensystem sehr effizient betrieben werden kann.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Brennstoffzelle mit einer Anode, wobei an einem Ausgang der Anode eine Spülventil vorgesehen ist, und wobei das Verfahren umfasst, die Wasserstoffkonzentration in der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle im laufenden Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle mit einem erfindungsgemäßem Verfahren, wie es zuvor beschrieben worden ist, zu bestimmen und das Spülventil auf Grundlage der so bestimmten Wasserstoffkonzentration in der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle anzusteuern.
Die Erfindung umfasst auch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die eine Anode hat; mit einem Spülventil, das an einem Ausgang der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnet ist; mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration in der Anode der wenigstens einer Brennstoffzelle; und mit eine Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Spülventil auf Grundlage der von der Vorrichtung zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration bestimmten Wasserstoffkonzentration anzusteuern. Dabei ist die Steuervorrichtung insbesondere so ausgebildet, dass sie das Spülventil öffnet, wenn die von der Vorrichtung zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration bestimmte Wasserstoffkonzentration einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
Die wenigstens eine Brennstoffzelle eines solchen Brennstoffzellensystems kann sehr effizient betrieben werden, da das Spülen des Anodenrezirkulationskreises der wenigstens einen Brennstoffzelle auf die aktuelle Wasserstoffkonzentration in der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle abgestimmt werden kann. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das Spülventil zu selten oder zu häufig geöffnet wird.
In einer Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen auf. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere einen Brennstoffzellenstack aufweisen, der mehrere Brennstoffzellen umfasst. Durch die Kombination mehrerer Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem einen Brennstoffzellenstack, kann die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung erhöht werden.
Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Elektromotor und mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, das dazu vorgesehen und ausgebildet ist, elektrischen Strom zum Betreiben des wenigstens einen Elektromotors zur Verfügung zu stellen.
In einer Ausführungsform umfasst das Berechnen der relativen Strom- Messwerte, einen Strom -Maximalwert der gemessenen Strom-Messwerte zu bestimmen, der von keinem der gemessenen Strom-Messwerte überschritten wird, und die gemessenen Strom-Messwerte durch den Strom -Maximalwert zu dividieren. Dadurch sind die relativen Strom-Messwerte dimensionslose Größen im Bereich zwischen null und eins.
In einer Ausführungsform umfasst das Berechnen der relativen Wasserstoffkonzentration-Messwerte, einen Wasserstoffkonzentration-Maximalwert der gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerte zu bestimmen, der von keinem der gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerte überschritten wird, und die gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerte durch den Wasserstoffkonzentration-Maximalwert zu dividieren. Dadurch sind die relativen Wasserstoffkonzentration-Messwerte dimensionslose Größen im Bereich zwischen null und eins.
Die Skalierung der gemessenen Wasserstoffkonzentration und des gemessenen Stromes auf dimensionslose Größen, die in einem identischen Wertebereich zwischen null und eins liegen, ermöglicht es, die Bestimmung der Wasserstoffkonzentration im Anodenrezirkulationskreis zu vereinfachen.
In einer Ausführungsform werden der Strom-Skalierungsfaktor, der Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor und der Bias-Wert auf der Grundlage von Experimenten und Messungen bestimmt. Diese Experimente und Messungen können mit aufwendigen, großen und teuren Versuchsaufbauten und Messgeräten durchgeführt werden, die für eine Serienanwendung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, nicht geeignet sind. Mit derartigen Versuchsaufbauten und Messgeräten können der Strom-Skalierungsfaktor, der Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor und der Bias-Wert mit guter Genauigkeit bestimmt werden.
Bei der Bestimmung des Strom-Verstärkungsfaktors, des Wasserstoffkonzentration-Verstärkungsfaktors und des Bias-Wertes aus den von den Sensoren gemessenen Werten können Methoden der Linearen Regression und/oder Methoden der künstlichen Intelligenz, beispielsweise neuronale Netze, zum Einsatz kommen, um den Strom-Verstärkungsfaktor, den Wasserstoffkonzentration-Verstärkungsfaktor und den Bias-Wert effizient und mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
In einer Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Brennstoffzelle, das Spülventil zu öffnen, wenn die erfindungsgemäß bestimmte Wasserstoffkonzentration in der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, um die Wasserstoffkonzentration in der Anode durch Spülen des Anodenrezirkulationskreises zu erhöhen.
Das Verfahren kann dabei umfassen, das Spülventil für einen fest vorgegebenen Zeitraum offen zu halten.
Alternativ kann das Verfahren umfassen, das Spülventil geöffnet zu halten, bis die Wasserstoffkonzentration in der Anode der wenigstens einen Brennstoffzelle einen vorgegebenen zweiten Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise kann die Öffnungszeit des Spülventils flexibel an die aktuellen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle angepasst werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem eine experimentell bestimmte Wasserstoffkonzentration und eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmte Wasserstoffkonzentration aufgetragen sind. Figur 3 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen einem Brennstoffzellensystem.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst wenigsten eine Brennstoffzelle 4 oder einen Brennstoffzellenstack, der mehrere Brennstoffzellen 4 enthält, mit einer Anode 6 und mit einer Kathode 8. Zwischen der Anode 6 und der Kathode 8 ist eine Membran 10, insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Membran 10, angeordnet.
Der Kathode 8 wird über ein nicht im Detail gezeigtes Sauerstoff-Zufuhrsystem gasförmiger Sauerstoff (O2), insbesondere sauerstoffhaltige Luft 30 aus der Umgebung, zugeführt.
Der Anode 6 wird durch ein Wasserstoff-Zufuhrsystem 12, 14 gasförmiger Wasserstoff 26 (H2) zugeführt.
Der Wasserstoff 26 und der Sauerstoff reagieren an bzw. in der Membran 10 zu Wasser (H2O). Dabei wird zwischen Elektroden 6a, 8a, die in der Anode 6 und in der Kathode 8 angeordnet sind, eine elektrischen Spannung U erzeugt, so dass der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 ein elektrischer Strom i entnommen werden kann, um elektrische Verbraucher, beispielsweise Elektromotoren, zu betreiben.
Das Wasserstoffzufuhrsystem 12, 14 umfasst eine Wasserstoffquelle 14, die gasförmigen Wasserstoff 26 zur Verfügung stellt, und ein Wasserstoffdosierventil 15, das es ermöglicht, die Zufuhr von Wasserstoff zu der Anode 6 zu regulieren.
Da der Wasserstoff 26 beim einmaligen Durchströmen der Anode 6 nicht vollständig zu Wasser reagiert, wird das aus der Anode 6 ausströmende wasserstoffhaltige Gasgemisch 26, 28 durch einen Anodenrezirkulationskreis 12 in die Anode 6 zurückgeführt, um auch diesen Wasserstoff zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen zu können. Beim Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 gelangt auch Stickstoff aus der Luft 30, die der Kathode 8 der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 zugeführt wird, in die Anode 6 und reichert sich im Laufe der Zeit im Anodenrezirkulationskreis 12 an. Dadurch steigt im Verlauf des Betriebs der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 der Anteil an Stickstoff 28 im Anodenrezirkulationskreis 12 zu Lasten des Anteils an Wasserstoff 26.
Um einen möglichst effizienten Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 zu ermöglichen, muss der Anodenrezirkulationskreis 12 regelmäßig gespült werden, um den Anteil an Stickstoff 28 im Gasgemisch, das im Anodenrezirkulationskreis 12 zirkuliert, zu reduzieren und den Wasserstoffanteil im Gasgemisch wieder zu erhöhen.
Zum Spülen des Anodenrezirkulationskreises 12 ist stromabwärts des Ausgangs 9 der Anode 6 ein Spülventil 20 vorgesehen. Durch Öffnen des Spülventils 20 kann Stickstoff 28 aus dem Anodenrezirkulationskreis 12 entlassen werden. Da beim Spülen des Anodenrezirkulationskreises 12 nicht nur Stickstoff, sondern auch Wasserstoff 26 durch das geöffnete Spülventil 20 aus dem Anodenrezirkulationskreis 12 austritt, darf das Spülventil 20 nicht zu häufig und nicht zu lange geöffnet werden, um einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 zu ermöglichen.
Um das Brennstoffzellensystem 2 möglichst effizient zu betreiben, ist es vorteilhaft, die Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 der wenigstens Brennstoffzelle 4 zu kennen und das Öffnen des Spülventils 20 auf die aktuelle Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 abzustimmen.
Mit herkömmlichen Methoden und Sensoren ist das Messen der Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 aufwendig und teuer.
Die Erfindung stellt daher ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung 25 zur Verfügung, die es ermöglichen, die Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 wenigstens einer Brennstoffzelle 4 mit handelsüblichen, kostengünstigen Sensoren 16, 18 mit hinreichend guter Genauigkeit zu bestimmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 25 umfasst einen Stromsensor 16, der dazu ausgebildet und vorgesehen ist, den elektrischen Strom i, der aus der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 entnommen wird, zu messen und entsprechende Strom- Messwerte i(t) zur Verfügung zu stellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 25 umfasst darüber hinaus einen Wasserstoffkonzentrationssensor 18, der stromabwärts der Anode 6 am Ausgang des Spülventils 20 angeordnet ist. Der Wasserstoffkonzentrationssensor 18 ist dazu vorgesehen und ausgebildet, die Wasserstoffkonzentration in dem aus der Anode 6 ausströmenden Gasgemisch zu messen und entsprechende Wasserstoffkonzentration-Messwerte kH2(t) zur Verfügung zu stellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 25 umfasst auch eine Auswertevorrichtung 22, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, die von dem Stromsensor 16 und dem Wasserstoffkonzentrationssensor 18 zur Verfügung gestellten Messwerte i(t), kH2(t) entgegenzunehmen und auszuwerten, um die Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 zu bestimmen.
Die Strom-Messwerte i(t) und die Wasserstoffkonzentration-Messwerte kH2(t) werden kontinuierlich oder wiederholt, insbesondere regelmäßig, gemessen und der Auswertevorrichtung 22 zur Verfügung gestellt.
Die Auswertevorrichtung 22 bestimmt den größten der gemessenen Strom- Messwerte i(t) als Strom-Maximalwert imax (imax > i(t)) und den größten der gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerte kH2(t) als Wasserstoffkonzentration-Maximalwert kmax (kmax> kH2(t)).
Die Auswertevorrichtung 22 bestimmt dann relative Strom-Messwerte lrel(t) = i(t) / imax und relative Wasserstoffkonzentration-Messwerte krel(t) = kH2(t) /k maxf indem die gemessenen Strom-Messwerte i(t) und die gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerte kH2(t) durch den Strom-Maximalwert imax bzw. durch den Wasserstoffkonzentration-Maximalwert kmax dividiert werden. Die auf diese Weise berechneten relativen Strom-Messwerte irei(t) und relativen Wasserstoffkonzentration-Messwerte krei(t) sind dimensionslos und haben Werte zwischen null (0%) und eins (100%).
In einem folgenden Schritt werden durch Multiplikation mit einem Strom- Skalierungsfaktor gi bzw. mit einem Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor gH2 skalierte Strom -Messwerte iscai(t) und skalierte Wasserstoffkonzentration- Messwerte kScai(t) berechnet:
In einem folgenden Schritt wird für jedem Zeitpunkt t die Differenz diff(t) zwischen dem relativen Stromwert iscia(t) und dem relativen Wasserstoffkonzentration- Messwert cSda(t) bestimmt: diff(t) — kscal(t) " lscal(t).
Die so bestimmten Differenzen diff(t) werden über die Zeit t bis zum aktuellen Zeitpunkt T integriert oder, bei einer diskreten Messung und Berechnung, summiert:
Zu dem Integral bzw. zu der Summe D(T), die so bestimmt worden sind, wird ein sogenannter Bias-Wert GH2 addiert, um zu dem berechneten Wert CH2(T) für die aktuelle Wasserstoffkonzentration CH2(T) in der Anode 6 zu gelangen:
CH2(T) = GH2 + D(T).
Der Strom-Skalierungsfaktor gi, der Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor gc und der Bias-Wert GH2 sind Konstanten, die charakteristische Größen des jeweiligen Brennstoffzellensystems 2 sind. Der Strom-Skalierungsfaktor gt, der Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor gc und der Bias-Bias-Wert GH2 können auf der Grundlage von Experimenten und Messungen mit aufwendigen Messaufbauten bzw. Messvorrichtungen bestimmt werden, die es ermöglichen, die Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 der wenigstens eine Brennstoffzelle 4 mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, die aber nicht für den Serieneinsatz geeignet sind.
Bei der Bestimmung des Strom-Verstärkungsfaktors gt, des Wasserstoffkonzentration-Verstärkungsfaktors gc und des Bias-Bias-Wertes GH2 können zum Beispiel Methoden der Linearer Regression und/oder Methoden der künstlichen Intelligenz, insbesondere neuronale Netze, zum Einsatz kommen.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem beispielhaft eine experimentell bestimmte bzw. gemessene Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 einer Brennstoffzelle 4 als durchgezogenen Linie und eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 25 bzw. mit einem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Wasserstoffkonzentration CH2(T) in der Anode 6 als gestrichelte Linie als Funktion der Zeit T aufgetragen sind.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Wasserstoffkonzentration CH2(T) in der Anode 6 wenigstens einer Brennstoffzelle 4 im laufenden Betrieb mit handelsüblichen und kostengünstigen Sensoren 16, 18 mit einer guten Genauigkeit bestimmt werden.
Da der Wasserstoffkonzentrationssensor 18 am Ausgang des Spülventils 20 angeordnet ist, kann die Wasserstoffkonzentration kH2(t) im Gasgemisch 26, 28 nur bei geöffnetem Spülventil 20 gemessen werden. Bei geschlossenem Spülventil 20 sinkt die Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 gemäß dem Strom-Skalierungsfaktor gi.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Wasserstoffkonzentration CH2(T) in der Anode 6 insbesondere mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die ausreicht, um das Spülventil 20 auf Grundlage der so bestimmten Wasserstoffkonzentration CH2(T) so anzusteuern, dass das Brennstoffzellensystem 2 sehr effizient betrieben werden kann. Dazu weist das Brennstoffzellensystem 2 insbesondere eine Steuervorrichtung 24 auf, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmte Wasserstoffkonzentration CH2(T) entgegenzunehmen und das Spülventil 20 auf Grundlage der von der Vorrichtung bestimmten Wasserstoffkonzentration CH2(T) anzusteuern. Das Ansteuern des Spülventils 20 kann insbesondere umfassen, das Spülventil 20 zu öffnen, wenn die aktuell bestimmte Wasserstoffkonzentration CH2(T) einen vorgegeben Grenzwert Cnmit unterschreitet (CH2(T) < Climit).
Das Spülventil 20 kann dabei so angesteuert werden, dass es für einen fest vorgegebenen Zeitraum geöffnet bleibt.
Alternativ kann das Spülventil 20 so angesteuert werden, dass es geöffnet bleibt, bis die Wasserstoffkonzentration CH2 in der Anode 6 der wenigstens einen Brennstoffzelle 4 einen vorgegebenen zweiten Grenzwert Ciimit2 überschreitet. Dadurch kann die Öffnungszeit des Spülventils 20 flexibel an die aktuellen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 4 angepasst werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs 1 , das von einem Elektromotor 5 angetrieben wird, der von einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Kraftfahrzeug 1 hat vier Räder 3 und wenigstens einen Elektromotor 5, der zum Antreiben von wenigstens zwei der vier Räder 3 des Kraftfahrzeuges 1 ausgebildet und vorgesehen ist. Der Elektromotor 5 kann auch zum Antreiben aller vier Räder 3 des Kraftfahrzeuges 1 vorgesehen sein.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, das nicht explizit in den Figuren gezeigt ist, kann an wenigstens einem der Räder 3, insbesondere an jedem der Räder 3, des Kraftfahrzeuges 1 jeweils ein Elektromotor 5 zum Antreiben des jeweiligen Rades 3 vorgesehen sein.
Der Elektromotor 5 wird über einer Motorsteuerung 7 mit elektrischer Energie versorgt, die von dem Brennstoffzellensystem 2 zur Verfügung gestellt wird.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 2 kann auch in Kraftfahrzeugen
1 eingesetzt werden, die mehr oder weniger als vier Räder 3 haben.

Claims

1 . Verfahren zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration (CH2) in einer Anode (6) wenigstens einer Brennstoffzelle (4) im laufenden Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle (4), wobei das Verfahren umfasst:
A) mehrfaches Messen des von der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) abgegebenen elektrischen Stromes (i) und Bereitstellen von mehreren Strom-Messwerten (i(t));
B) mehrfaches Messen der Wasserstoffkonzentration (kH2) in einem Gasgemisch (26, 28), das aus einem Spülventil (20) ausströmt, das an einem Ausgang (9) der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) angeordnet ist, und Bereitstellen von mehreren Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kH2(t));
C) Berechnen von relativen Strom-Messwerte (irei(t)) aus den gemessenen Strom-Messwerten (i(t)) und Berechnen von relativen Wasserstoffkonzentration-Messwerten (krei(t)) aus den gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kn2(t));
D) Bestimmen von skalierten Strom-Messwerten (iscai(t)) durch Multiplizieren der relativen Strom-Messwerte (irei(t)) mit einem Strom-Skalierungsfaktor (gi) und Bestimmen von skalierten Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kScai(t)) durch Multiplizieren der relative Wasserstoffkonzentration-Messwerte (krei(t)) mit einem Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor (gH2);
E) Bilden von Differenzwerten (diff(t)) aus den skalierten Strom-Messwerten (iscai(t)) und den skalierten Wasserstoffkonzentration-Messwerten (kscai(t));
F) Integrieren oder Summieren der Differenzwerte (diff(t)) über die Zeit (t);
G) Addieren eines Bias-Wertes (GH2) ZU dem Integral (D(T)) oder zu der Summe (D(T)) der Differenzwerte (diff(t)).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Berechnen der relativen Strom-Messwerte (irei(t)) umfasst, einen Strom-Maximalwert (imax) der gemessenen Strom-Messwerte (i(t)) zu bestimmen und die gemessenen Strom-Messwerte (i(t)) durch den Strom- Maximalwert (imax) zu dividieren; und/oder wobei das Berechnen der relativen Wasserstoffkonzentration-Messwerte (krei(t)) umfasst, einen Wasserstoffkonzentration-Maximalwert (kmax) der gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerte (kH2(t)) zu bestimmen und die gemessenen Wasserstoffkonzentration-Messwerte (kH2(t)) durch den Wasserstoffkonzentration-Maximalwert (kmax) zu dividieren.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strom-Skalierungsfaktor (gi) , der Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor (gH2) und der Bias-Wert (GH2) auf der Grundlage von Experimenten und/oder Messungen bestimmt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Strom-Skalierungsfaktor (gi), der Wasserstoffkonzentration-Skalierungsfaktor (gH2) und der Bias-Wert (GH2) unter Verwendung von Linearer Regression und/oder neuronalen Netzen aus den Experimenten und/oder Messungen bestimmt werden.
5. Verfahren zum Betreiben wenigstens einer Brennstoffzelle (4) mit einer Anode (6), wobei das Verfahren umfasst, die Wasserstoffkonzentration (CH2) in der Anode (6) der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) im laufenden Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zu bestimmen und das Spülventil (20) auf Grundlage der so bestimmten Wasserstoffkonzentration (CH2) in der Anode (6) der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) anzusteuern.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren insbesondere umfasst, das Spülventil (20) zu öffnen, wenn die bestimmte Wasserstoffkonzentration (CH2) in der Anode (6) der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) einen vorgegebenen Grenzwert (Citmit) unterschreitet.
7. Vorrichtung (25) zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration (CH2) in einer Anode (6) wenigstens einer Brennstoffzelle (4) im laufenden Betrieb der wenigstens einen Brennstoffzelle (4), wobei die Vorrichtung (25) umfasst: einen Stromsensor (16), der dazu ausgebildet und vorgesehen ist, einen von der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) im Betrieb abgegebenen elektrischen Strom (i) zu messen und entsprechende Strom-Messwerte (i(t)) zu Verfügung zu stellen; einen Wasserstoffkonzentrationssensor (18), der dazu ausgebildet und vorgesehen ist, Wasserstoffkonzentrationen (kH2) in einem Gasgemisch (26, 28) zu messen, das aus einem Spülventil (20) ausströmt, das an einem Ausgang (9) der wenigstens einen Brennstoffzelle (20) angeordnet ist, und entsprechende Wasserstoffkonzentration-Messwerte (kh2(t)) zu Verfügung zu stellen; und eine Auswertevorrichtung (22), die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, die von dem Stromsensor (16) und dem Wasserstoffkonzentrationssensor (18) zur Verfügung gestellten Messwerte (i(t), kh2(t)) entgegenzunehmen und mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuwerten, um die Wasserstoffkonzentration (CH2) in der Anode (6) der wenigstens einen Brennstoffzelle (4) zu bestimmen.
8. Brennstoffzellensystem (2) mit: wenigstens einer Brennstoffzelle (4), die eine Anode (6) hat; einem Spülventil (20), das an einem Ausgang (9) der wenigstens eine Brennstoffzelle (4) angeordnet ist; einer Vorrichtung (25) zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration (CH2) in der Anode (6) der wenigstens einer Brennstoffzelle (4) nach Anspruch 7; und einer Steuervorrichtung (24), die dazu ausgebildet ist, das Spülventil (20) auf Grundlage der von der Vorrichtung (25) zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration (CH2) bestimmten Wasserstoffkonzentration (CH2) anzusteuern; wobei die Steuervorrichtung (24) insbesondere dazu ausgebildet ist, das Spülventil (20) zu öffnen, wenn die von der Vorrichtung (25) zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration (CH2) bestimmte Wasserstoffkonzentration (CH2) einen vorgegeben Grenzwert (Citmid unterschreitet.
9. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8, wobei das Brennstoffzellensystem (2) mehrere Brennstoffzellen (4) aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem (2) insbesondere einen Brennstoffzellenstack aufweist, der mehrere Brennstoffzellen (4) umfasst.
10. Kraftfahrzeug (1) mit wenigstens einem Elektromotor (5) und einem Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 8 oder 9, das dazu vorgesehen und ausgebildet ist, elektrischen Strom (i) zum Betreiben des wenigstens einen Elektromotors (5) zur Verfügung zu stellen.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014213867A1 (de) * 2013-12-19 2015-06-25 Hyundai Motor Company Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Wasserstoffspülens
DE102016117234A1 (de) * 2015-09-23 2017-03-23 GM Global Technology Operations LLC Validierung und korrektur der schätzung der h2-konzentration an der gen 2 anode
US20180196108A1 (en) * 2017-01-09 2018-07-12 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method and device for observing a state of a fuel-cell electrochemical system
CN110783607B (zh) * 2019-10-25 2020-11-13 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法、排气控制系统及其使用方法、存储介质

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102922359B1 (ko) * 2019-07-16 2026-02-03 현대자동차주식회사 연료전지의 퍼지량 추정시스템, 이를 이용한 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법
AT523952B1 (de) * 2020-07-05 2022-05-15 Avl List Gmbh Verfahren zur Regelung eines Spülventils eines Anodenabschnittes von zumindest einem Brennstoffzellenstapel eines PEM-Brennstoffzellensystems
US20240186547A1 (en) * 2022-12-06 2024-06-06 Woodward, Inc. Fuel cell virtual sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014213867A1 (de) * 2013-12-19 2015-06-25 Hyundai Motor Company Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Wasserstoffspülens
DE102016117234A1 (de) * 2015-09-23 2017-03-23 GM Global Technology Operations LLC Validierung und korrektur der schätzung der h2-konzentration an der gen 2 anode
US20180196108A1 (en) * 2017-01-09 2018-07-12 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method and device for observing a state of a fuel-cell electrochemical system
CN110783607B (zh) * 2019-10-25 2020-11-13 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法、排气控制系统及其使用方法、存储介质

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