[go: up one dir, main page]

WO2019048217A1 - Verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2019048217A1
WO2019048217A1 PCT/EP2018/072329 EP2018072329W WO2019048217A1 WO 2019048217 A1 WO2019048217 A1 WO 2019048217A1 EP 2018072329 W EP2018072329 W EP 2018072329W WO 2019048217 A1 WO2019048217 A1 WO 2019048217A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
anode
mass flow
cell stack
stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/072329
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Hable
Christian Lucas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Volkswagen AG
Original Assignee
Audi AG
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG, Volkswagen AG filed Critical Audi AG
Priority to CN201880057417.8A priority Critical patent/CN111033844A/zh
Priority to US16/644,908 priority patent/US11289718B2/en
Publication of WO2019048217A1 publication Critical patent/WO2019048217A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04402—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell and in particular for determining a tank mass flow supplied to the anode circuit.
  • the invention further relates to a fuel cell system designed for carrying out the method.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as the core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembiy), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum.
  • gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
  • the fuel cell is formed by a large number of stacked (MEA) MEAs whose electrical powers are added together.
  • Bipolar plates also called flow field plates or separator plates
  • the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
  • the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 , is supplied via an anode-side open flow field of the bipolar plate to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + with release of electrons takes place (H 2 - 2 H + + 2 e).
  • an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + with release of electrons takes place (H 2 - 2 H + + 2 e).
  • the electrolyte or the membrane which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of the protons from the anode compartment into the cathode compartment.
  • the electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
  • the cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2 "taking up of the electrons takes place (1/2 O 2 + 2 e -> O 2 " ).
  • the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2 " + 2 H + -> H 2 O).
  • the anode supply of a fuel cell comprises a pressure accumulator in which the fuel (usually hydrogen) is stored under high pressure and from which the fuel is supplied to the fuel cell.
  • the anode exhaust gas discharged from the fuel cell is fed back into the anode supply line via a recirculation line in order to re-supply unused fuel to the fuel cell.
  • It is known to convey the recycle gas by means of a jet pump to which the hydrogen is supplied as propellant gas stream on the pressure side eg DE 10 2004 002 021 B4, DE 10 2012 007 385 A1, DE 10 2012 017 567 A1, DE 10 2013 003 740 A1, DE 10 2014 015 867 A1.
  • a challenge of fuel cell vehicles that has not yet been satisfactorily solved is the determination of the instantaneous consumption of hydrogen, ie the tank mass flow fed into the system by the pressure accumulator.
  • the instantaneous consumption is interesting in order to display it to a driver of a fuel cell vehicle or to determine an anticipated range.
  • additional sensors for example Mass flow and / or pressure sensors, which are arranged between the pressure accumulator downstream of a pressure control valve and the anode circuit.
  • the invention is based on the object to propose a method for operating a fuel cell system, which allows the determination of the tank mass flow as possible without additional arranged between the pressure accumulator and the anode circuit sensors in dynamic operating situations, as they are typical for vehicle applications.
  • the fuel cell system comprises a fuel cell stack and an anode supply for supplying the fuel cell stack with hydrogen.
  • the anode supply has a hydrogen storage, an anode supply path connecting the hydrogen storage device to the fuel cell stack, a recirculation path connecting a fuel cell output to the anode supply path (directly or indirectly) and a delivery device for delivering a recirculated anode exhaust gas.
  • the method provides for determining a tank mass flow supplied to the anode circuit from the hydrogen storage by balancing the material flows (ri, m) supplied to the anode circuit, the tank mass flow being included in the balancing as a material flow supplied to the anode circuit.
  • the tank mass flow which represents the net instantaneous consumption of the fuel cell stack, can be measured without the arrangement of pressure or mass flow sensors in the anode supply path between pressure and mass flows.
  • Memory and anode circuit can also be determined in dynamic operating situations.
  • streams of matter symbols: m, unit g / s
  • mass flow rates symbols: ⁇ , unit mol / s
  • substance streams streams of matter
  • Both variables are interconvertible via the molecular weight (formula M, unit g / mol) of the respective substance or mixtures of substances.
  • a hydrogen which is consumed by the fuel cell stack as a result of the fuel cell reactions preferably flows into the balancing as a material flow discharged from the anode circuit.
  • This stack consumption can be calculated in particular as a function of an electrical current generated by the fuel cell stack, for example via the Faraday relationship.
  • an anode exhaust gas flows, which is discharged via adjusting means, in particular valves, from the anode circuit.
  • This drained anode exhaust gas flows as discharged material flow in the balance.
  • an anode exhaust gas taken into account, which is discharged via a so-called purge valve from the anode circuit, in particular when the diffused over the polymer electrolyte membrane of the fuel cell into the anode compartments nitrogen exceeds a predetermined threshold.
  • the material flow of the anode exhaust gas discharged via valves can be determined, for example, by models or characteristic diagrams of the valves.
  • a nitrogen which has diffused into the anode circuit flows into the balancing system as a material flow fed to the anode circuit.
  • the nitrogen can diffuse via the polymer electrolyte membrane of the fuel cell from the cathode space into the anode space.
  • the diffused nitrogen is the accuracy of the determination further improved.
  • the nitrogen stream is usually comparatively low, it can also be neglected to a good approximation in an alternative embodiment, whereby the process is simplified.
  • the balancing of the tank mass flow takes place with mass flow signals and / or pressure signals which are obtained exclusively from mass flow sensors or pressure sensors arranged downstream of the jet pump (26).
  • the balancing can be carried out with good accuracy based solely on the procedure described above and, if appropriate, with use of sensors already present in the anode circuit.
  • the elimination of the additional mass flow or pressure sensors means a reduction in the cost and complexity of the system.
  • Another aspect of the invention relates to a fuel cell system having a fuel cell stack according to the invention.
  • the fuel cell system has an anode supply and a cathode supply with the corresponding peripheral components in addition to the fuel cell stack.
  • the thus determined tank mass flow can be used in the operation of the fuel cell system for different purposes.
  • the tank mass flow is used as instantaneous consumption of the fuel cell system for operating the same.
  • it is displayed to a driver of a fuel cell vehicle, so that it can adapt its driving behavior in terms of minimizing consumption.
  • the instantaneous consumption can be used to predict a range of the fuel cell vehicle, which in turn can be displayed to the driver.
  • the conveying device of the recirculated anode gas is designed as a jet pump (ejector), which is connected to the hydrogen inlet on the inlet side with the hydrogen storage, on the suction side with the recirculation path and on the outlet side with the fuel cell stack
  • the determined tank mass flow is used as the input parameter for modeling the jet pump become.
  • the tank mass flow corresponds in this case to the motive flow of the jet pump which is present on the pressure input side and which can otherwise only be detected by means of additional sensors.
  • the determination of the recirculated substance flow and / or the material flow can be determined at the entrance to the fuel cell stack using the jet pump model.
  • a further aspect of the invention relates to a corresponding fuel cell system which is set up to carry out the method according to the invention.
  • the system has, for example, a control device in which the necessary algorithms, in particular for the execution of the balancing, are stored in computer-readable form.
  • the controller may also include necessary maps and the like necessary to carry out the method.
  • the vehicle is preferably an electric vehicle in which an electrical energy generated by the fuel cell system serves to supply an electric traction motor and / or a traction battery.
  • FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a schematic detail of the jet pump of
  • FIG. 1 shows a fuel cell system, generally designated 100, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 is part of a vehicle (not shown in detail), in particular an electric vehicle, which has an electric traction motor which is supplied with electrical energy by the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 having a plurality of stacked individual cells 11 formed by alternately stacked membrane electrode assemblies (MEA) 14 and bipolar plates 15 (see detail).
  • Each individual cell 1 1 thus comprises in each case an MEA 14 which has an ion-conducting polymer electrolyte membrane, not shown here, and catalytic electrodes arranged on both sides, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell reaction and are in particular formed as coatings on the membrane can.
  • the anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, which is highly specific on an electrically conductive substrate Surface, for example, a carbon-based material, supported.
  • an anode space 12 is formed between a bipolar plate 15 and the anode
  • the cathode space 13 is formed between the cathode and the next bipolar plate 15.
  • the bipolar plates 15 serve to supply the operating media to the anode and cathode spaces 12, 13 and further interpose the electrical connection the individual fuel cell 1 1 ago.
  • they have a system of inner coolant channels, which serve to pass a coolant and thus the temperature of the stack 10.
  • gas diffusion layers may be disposed between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15.
  • the fuel cell system 100 has, on the one hand, an anode supply 20 and, on the other hand, a cathode supply 30.
  • the anode supply 20 comprises an anode supply path 21, which serves to supply an anode operating medium (the fuel), here hydrogen, into the anode chambers 12 of the fuel cell stack 10.
  • the anode supply path 21 connects a fuel storage (pressure accumulator) 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10.
  • the anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 which discharges the anode exhaust gas from the anode compartments 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10.
  • the anode operating pressure on the anode side 12 of the fuel cell stack 10 is adjustable via a pressure regulating valve 24 in the anode supply path 21.
  • the anode supply 20 has a recirculation line 25 which connects the anode exhaust path 22 to the anode supply path 21.
  • the sum of anode exhaust gas path 22 and recirculation line 25 is referred to herein as the recirculation path.
  • a conveyor 26 causes the promotion of the anode exhaust gas.
  • the conveyor 26 is a gas jet pump formed, which is arranged at the point of confluence of the recirculation line 25 in the anode supply path 21.
  • the recirculation of fuel is common in order to return the fuel, which is usually used more than stoichiometrically with respect to the fuel cell reaction, to the stack.
  • a purge line 28 branches off, which allows to derive the anode exhaust gas from time to time.
  • This rinsing takes place in particular when the nitrogen concentration in the recirculated gas rises too high as a result of diffusion of nitrogen from the cathode compartments 13 into the anode compartments 12 of the fuel cells 11.
  • the rinsing processes take place via activation of a rinsing valve 27, which is designed here as a combined water-separating valve.
  • the cathode supply 30 comprises a cathode supply path 31, which supplies the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 with an oxygen-containing cathode operating medium, in particular air which is drawn in from the environment.
  • the cathode supply 30 further comprises a cathode exhaust gas path 32, which discharges the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 and optionally supplies this to an exhaust system, not shown.
  • a compressor 33 is arranged in the cathode supply path 31.
  • the compressor 33 is configured as a compressor driven mainly by an electric motor, the drive of which is effected via an electric motor 34 equipped with a corresponding power electronics 35.
  • the compressor 33 may also be driven by a turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) disposed in the cathode exhaust path 32 to assist with a common shaft.
  • the cathode supply 30 may, according to the illustrated embodiment, further comprise a wastegate line 37 which connects the cathode supply path 31 to the cathode exhaust path 32, ie one Bypass of the fuel cell stack 10 represents.
  • the wastegate conduit 37 allows excess air mass flow to bypass the fuel cell stack 10 without shutting down the compressor 33.
  • An adjusting means 38 arranged in the wastegate line 37 serves to control the quantity of the cathode operating medium bypassing the fuel cell stack 10.
  • All adjusting means 24, 38 of the fuel cell system 100 may be designed as controllable or non-controllable valves or flaps.
  • Corresponding further adjusting means can be arranged in the lines 21, 22, 31 and 32 in order to be able to isolate the fuel cell stack 10 from the environment.
  • the fuel cell system 100 may further include a humidifier 39.
  • the humidifier 39 is arranged in the cathode supply path 31 in such a way that it can be flowed through by the cathode operating gas.
  • it is arranged in the cathode exhaust path 32 so as to be permeable by the cathode exhaust gas.
  • the humidifier 39 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane in the cathode operating gas, which is moistened in this way.
  • a water separator can also be installed in the cathode exhaust gas path 32 in order to condense and remove the product water resulting from the fuel cell reaction.
  • the purge line 28 can open into the cathode exhaust path 32, so that the Anode exhaust and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.
  • the jet pump 26 shown has a main body 261 with a driving nozzle 262 formed therein.
  • the jet pump 26 also has three ports, namely a pressure input 263, which is acted upon by the hydrogen from the tank 23 as the propellant mass flow rh d , a suction or negative pressure port 264, in which the recirculation line 25 opens, and an output 265.
  • the jet pump 26th may be designed differently from the example shown in Figure 2 also adjustable. Furthermore, FIG.
  • ri Tan k corresponds to the molar mass flow of hydrogen, which is supplied from the hydrogen storage 23 to the anode circuit and the pressure side of the jet pump 26 (as the driving mass flow rh d ) is applied, h N 2 in the Anoden Vietnamese diffused nitrogen stream, n H2 , stack the consumed by the fuel cell stack held in the fuel cell stack 1 0 hydrogen fuel and riventn the, in particular via the purge valve 27, discharged from the system anode exhaust gas.
  • the general gas equation (4) can be used assuming an ideal gas.
  • the influence of pressure and temperature can be taken into account.
  • pV nRT (4)
  • R is the ideal gas constant, pi the pressure at time ti, p 2 the pressure at time t, ni the amount of substance (in moles) in the control volume V at time ti, n 2 the amount of substance in the control volume V at time t 2 and Ti or T the temperature assumed to be constant.
  • the control volume V is equal to the volume of the entire anode circuit and thus comprises the sum of the volumes of the lines 21 (between the jet pump 26 and the stack inlet), 22 and 25, the volumes of the anode spaces 12 of the stack 10 and the conveyor 26 and the valve 27th
  • ⁇ can be determined solely from the pressure measured in the control volume of the anode circuit at time t 2 and the temperature.
  • the hydrogen consumption h H 2, stack taking place in the fuel cell stack 10 can be determined according to equation (8), where I is the current intensity of the fuel cell stack 10, F is the Faraday constant and N is the number of cells 1 1 of the stack 10.
  • anode exhaust gas discharged flows as a dissipated from the anode circuit stream ri Ve NTII in the accounting according to equation (1) or (2).
  • Various methods can be used for the calculation, for example the use of kv values.
  • a preferred method uses the model of Saint-Venant and Wantzel according to equations (9) and (10).
  • the nitrogen stream n N2 which has penetrated into the anode circuit can be calculated, for example, as a change in the substance amount of nitrogen ⁇ ⁇ 2 in the control volume by means of the N 2 substance fraction ⁇ ⁇ 2 according to equation (1 1), where ⁇ ⁇ 2, ⁇ is the proportion of nitrogen to nitrogen Time, y m 2 of the molar proportions of nitrogen at time t 2) ni the total amount of substance (H, N 2 and possibly H 2 O) at time ti and n 2 is the total amount of substance at time t 2 . (The determination of the gas composition in the anode circuit and thus the N 2 -stoffmengenanteile over a wide model (or in combination of two or more models) and can be assumed to be known.)
  • the thus determined tank mass flow m Ta nk corresponds to the instantaneous consumption of hydrogen and can be used as such to display it to a driver and / or to determine a predicted range of the vehicle. Further, the tank mass flow m Ta nk may be used in a model of the jet pump 26 in order to determine other parameters for the control of the fuel cell system.
  • the mass flow of the recirculated via the recirculation line 25 anode exhaust rh s corresponds to the sucked through the suction nozzle 264 of the jet pump 26 mass flow m s and can be described as a multi-dimensional Kennfeid.
  • the motive mass flow m d corresponds to the above-defined tank mass flow rh Ta nk- A possible map, in which the necessary data can be reduced, thereby represent the Körting maps.
  • the motive mass flow m d can also be used to determine the motive nozzle pressure Pd, in order to be able to dispense with a direct measurement by means of a pressure sensor.
  • Various approaches for determining the motive nozzle pressure p d are possible. For example, it is possible to determine the motive nozzle pressure p d on the basis of empirical equations or characteristic maps which are obtained from measured data and represent the pressure p d as a function of the propellant mass flow m d .
  • the motive nozzle pressure p d can be calculated analytically as a function of the motive mass flow m d using the following equations. However, the pressure must be calculated iteratively. In the calculation of the driving nozzle pressure p d , a case distinction is made between the presence of a critical flow and a subcritical flow by means of equation (13). If the suction pressure p s is less than or equal to the critical pressure p k t (p crit > p suction ), there is a critical flow for which equation (14) holds. Otherwise, there is a subcritical flow and equation (15) holds.
  • T e calculated at the jet pump outlet and thus a temperature sensor can be saved.
  • Q inside takes into account the heat stored in the component (jet pump) or emitted by the component.
  • thermodynamics also apply the following equations, which take into account the heat capacity CJP and the mass m JP of the jet pump 26.
  • the heat exchange with the environment "u" is considered.
  • nijpCjp Qi nn + Qauss 09)
  • the differential equation (19) can be solved either numerically or analytically. As a starting point for the solution of the differential equation, the ambient temperature can be assumed if the service life of the vehicle was sufficiently long.
  • the factors kA inn en and kAa U s are parameters which can be determined by means of component measurements.
  • MEA Membrane electrode assembly
  • Waste gate line Wastegate valve Humidifier Main body Heated nozzle Pressure inlet Suction inlet outlet

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) und ein entsprechend eingerichtetes Brennstoffzellensystem (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Anodenversorgung (20) mit einem Wasserstoffspeicher (23), einem den Wasserstoffspeicher (23) mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbindenden Anodenversorgungspfad (21), einem einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (21) verbindenden Rezirkulationspfad (22, 25) sowie einer Fördereinrichtung (26) zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases. Das Verfahren sieht vor, einen aus dem Wasserstoffspeicher (23) dem Anodenkreis zugeführten Tankmassenstrom (ṁTank) durch Bilanzierung der dem Anodenkreis zu- und abgeführten Stoffströme (ṅ, ṁ) zu bestimmen, wobei der Tankmassenstrom (ṁTank) in die Bilanzierung als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom (ṅ, ṁ) einfließt.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle und insbesondere zur Bestimmung eines dem Anodenkreis zugeführten Tankmassenstroms. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden- Anordnung (MEA für membrane electrode assembiy), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden- Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 - 2 H+ + 2 e ). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (1/2 O2 + 2 e -> O2"). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2" + 2 H+ -> H2O).
Die Anodenversorgung einer Brennstoffzelle umfasst einen Druckspeicher, in dem der Brennstoff (in der Regel Wasserstoff) unter hohem Druck bevorratet wird und von dem aus der Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird. Zumeist wird das aus der Brennstoffzelle abgeführte Anodenabgas über eine Rezirkulationsleitung wieder in die Anodenversorgungsleitung eingespeist, um nicht verbrauchten Brennstoff erneut der Brennstoffzelle zuzuführen. Es ist bekannt, das Rezikulationsgas mittels einer Strahlpumpe zu fördern, welcher druckseitig der Wasserstoff als Treibgasstrom zugeführt wird (z.B. DE 10 2004 002 021 B4, DE 10 2012 007 385 A1 , DE 10 2012 017 567 A1 , DE 10 2013 003 740 A1 , DE 10 2014 015 867 A1 .
Eine bislang nicht zufriedenstellend gelöste Herausforderung von Brennstoffzellenfahrzeugen ist die Ermittlung des Momentanverbrauchs an Wasserstoff, d.h. des von dem Druckspeicher in das System eingespeisten Tankmassenstroms. Der Momentanverbrauch ist einerseits interessant, um ihn einem Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs anzuzeigen oder um eine voraussichtliche Reichweite zu ermitteln. Derzeit ist die Ermittlung des Momentanverbrauchs nur mit zusätzlichen Sensoren möglich, beispielsweise Massenstrom- und/oder Drucksenoren, die zwischen dem Druckspeicher stromab eines Druckregelventils und dem Anodenkreis angeordnet sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, welches die Ermittlung des Tankmassenstroms möglichst ohne zusätzliche zwischen dem Druckspeicher und dem Anodenkreis angeordnete Sensoren auch in dynamischen Betriebssituationen, wie sie für Fahrzeuganwendungen typisch sind, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Anodenversorgung zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff. Die Anodenversorgung weist einen Wasserstoffspeicher auf, einen den Wasserstoffspeicher mit dem Brennstoffzellenstapel verbindenden Anodenversorgungspfad, einen einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (mittelbar oder unmittelbar) verbindenden Rezirku- lationspfad sowie eine Fördereinrichtung zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases. Das Verfahren sieht vor, einen aus dem Wasserstoffspeicher dem Anodenkreis zugeführten Tankmassenstrom durch Bilanzierung der dem Anodenkreis zu- und abgeführten Stoffströme (ri, m) zu bestimmen, wobei der Tankmassenstrom in die Bilanzierung als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom einfließt.
Durch die erfindungsgemäße Bilanzierung der zu- und abgeführten Stoffströme kann der, den Netto-Momentanverbrauch des Brennstoffzellenstapels repräsentierende Tankmassenstrom ohne die Anordnung von Druck- oder Massenstromsensoren in dem Anodenversorgungspfad zwischen Druck- Speicher und Anodenkreis auch in dynamischen Betriebssituationen bestimmt werden.
Dabei werden im Rahmen der Erfindung mit Stoffströmen sowohl Massenströme (Formelzeichen: m, Einheit g/s) oder Stoffmengenströme (Formelzeichen: ή, Einheit mol/s) bezeichnet. Beide Größen sind über die Molmasse (Formelzeichen M, Einheit g/mol) der jeweiligen Substanz oder Substanzgemische ineinander umrechenbar.
Vorzugsweise fließt in die Bilanzierung ein durch den Brennstoffzellenstapel im Wege der Brennstoffzellenreaktionen verbrauchter Wasserstoff als aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom ein. Dieser Stapelverbrauch kann insbesondere in Abhängigkeit eines von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Stroms berechnet werden, beispielsweise über die Faraday-Beziehung.
Weiterhin ist bevorzugt, dass in die Bilanzierung ein Anodenabgas einfließt, das über Stellmittel, insbesondere Ventile, aus dem Anodenkreis abgelassen wird. Dieses abgelassene Anodenabgas fließt als abgeführter Stoffstrom in die Bilanzierung ein. Insbesondere wird hier ein Anodenabgas, berücksichtigt, das über ein so genanntes Spülventil aus dem Anodenkreis abgeführt wird, insbesondere wenn der über die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle in die Anodenräume eindiffundierte Stickstoffanteil eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Der Stoffstrom des über Ventile abgeführten Anodenabgases kann etwa durch Modelle oder Kennfelder der Ventile bestimmt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung fließt in die Bilanzierung ein in den Anodenkreis eindiffundierter Stickstoff als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom ein. Beispielsweise kann der Stickstoff über die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle aus dem Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren. Durch die Berücksichtigung des eindiffundierten Stickstoffs wird die Genauigkeit der Bestimmung weiter verbessert. Da der Stickstoffstoffstrom in der Regel jedoch vergleichsweise gering ist, kann er in guter Näherung in einer alternativen Ausgestaltung auch vernachlässigt werden, wodurch das Verfahren vereinfacht wird.
In bevorzugter Ausgestaltung erfolgt die Bilanzierung des Tankmassenstroms mit Massenstromsignale und/oder Drucksignale, die ausschließlich von stromab der Strahlpumpe (26) angeordneten Massenstromsensoren oder Drucksensoren erhalten werden. Insbesondere kann die Bilanzierung mit guter Genauigkeit allein basierend auf der vorstehend erläuterten Vorgehensweise und gegebenenfalls mit Verwendung ohnehin im Anodenkreis vorhandener Sensoren erfolgen. Der Verzicht der zusätzlichen Massenstrom- oder Drucksensoren bedeutet eine Reduzierung der Kosten und Komplexität des Systems.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.
Der so ermittelte Tankmassenstrom kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. In einer Ausgestaltung wird der Tankmassenstrom als Momentanverbrauch des Brennstoffzellensystems zum Betreiben desselben verwendet. Insbesondere wird er einem Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs angezeigt, so dass dieser sein Fahrverhalten im Sinne einer Verbrauchsminimierung anpassen kann. Zudem kann der Momentanverbrauch zur Prognose einer Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs verwendet werden, welche wiederum dem Fahrer angezeigt werden kann. Ferner kann - in einem Brennstoffzellensystem, bei dem die Fördereinrichtung des rezirkulierten Anodengases als Strahlpumpe (Ejektor) ausgebildet ist, die druckeingangsseitig mit dem Wasserstoffspeicher, saugseitig mit dem Rezirkulationspfad und ausgangsseitig mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist - der ermittelte Tankmassenstrom als Eingangsparameter zur Modellierung der Strahlpumpe verwendet werden. Der Tankmassenstrom entspricht hier nämlich dem druckeingangsseitig anliegende Treibstrom der Strahlpumpe, der andernfalls nur mittels zusätzlicher Sensoren erfasst werden kann. Insbesondere kann in dieser Ausgestaltung die Bestimmung des rezirkulierten Stoff Stroms und/oder des Stoffstroms am Eintritt in den Brennstoffzellenstapel unter Verwendung des Strahlpumpenmodells ermittelt werden. Diese Parameter sind wichtig, um im Betrieb des Brennstoffzellensystems etwa die Wasserstoffdosierung oder die Spülzyklen des Anodengases zu regeln.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein entsprechendes Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck weist das System etwa eine Steuerungseinrichtung auf, in welche die notwendigen Algorithmen, insbesondere zur Ausführung der Bilanzierung, in computerlesbarer Form gespeichert sind. Die Steuereinrichtung kann zudem notwenige Kennfelder und dergleichen enthalten, die zur Ausführung des Verfahrens erforderlich sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie bedient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung und
Figur 2 eine schematisierte Detaildarstellung der Strahlpumpe des
Brennstoffzellensystems aus Figur 2.
Figur 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 1 1 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran- Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 1 1 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 1 1 her. Zudem verfügen sie über ein System innerer Kühlmittelkanäle, die der Durchleitung eines Kühlmittels und somit der Temperierung des Stapels 10 dienen. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21 , welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), hier Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brenn- stoffspeicher (Druckspeicher) 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden- abgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Druckregelventil 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber weist die Anodenversorgung 20 eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Summe aus Anodenabgaspfad 22 und Rezirkulationsleitung 25 wird vorliegend auch als Rezirkulationspfad bezeichnet. Eine Fördereinrichtung 26 bewirkt die Förderung des Anodenabgases. In dem dargestellten System ist die Fördereinrichtung 26 als eine Gasstrahlpumpe ausgebildet, welche an der Einmündungsstelle der Rezirkulationsleitung 25 in den Anodenversorgungspfad 21 angeordnet ist. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch bezüglich der Brennstoffzellenreaktion eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen. Von dem Anodenabgaspfad 22 zweigt eine Spülleitung 28 ab, die es erlaubt, von Zeit zu Zeit das Anodenabgas abzuleiten. Dieses Spülen erfolgt insbesondere dann, wenn die Stickstoffkonzentration im rezirkulierten Gas infolge von Diffusion von Stickstoff aus den Kathodenräumen 13 in die Anodenräume 12 der Brennstoffzellen 1 1 zu stark ansteigt. Die Spülprozesse erfolgen über Ansteuerung eines Spülventils 27, welches hier als ein kombiniertes Wasserabscheideventil ausgebildet ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31 , welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche den Kathodenversorgungspfad 31 mit dem Kathodenabgaspfad 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21 , 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner einen Befeuchter 39 aufweisen. Der Befeuchter 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann auch in dem Kathodenabgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Zudem kann die Spülleitung 28 in den Kathodenabgaspfad 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Der Grundaufbau und Funktionsweise der Strahlpumpe (Ejektor) 26 ist in Figur 2 erläutert. Die gezeigte Strahlpumpe 26 weist einen Grundkörper 261 mit einer darin ausgebildeten Treibdüse 262 auf. Die Strahlpumpe 26 weist ferner drei Anschlüsse auf, nämlich einen Druckeingang 263, der mit dem Wasserstoff aus dem Tank 23 als Treibmassenstrom rhd beaufschlagt wird, einen Saugeingang oder Unterdruckanschluss 264, in welchen die Rezirkulationsleitung 25 mündet, sowie einen Ausgang 265. Die Strahlpumpe 26 kann abweichend zu dem in Figur 2 dargestellten Beispiel auch regelbar ausgeführt sein. Ferner sind in Figur 2 einige Parameter (Druck p, Temperatur T sowie Massenstrom rh) des an der Strahlpumpe 26 druckeingangsseitig anliegenden Treibstroms (Index d), des saugseitig anliegenden rezirkulierten Anodenabgasstrom (Index s) sowie des ausgangsseitigen Anodengases (Index e) dargestellt.
Nachfolgend wird anhand bevorzugter Ausführungen erläutert, wie gemäß dem Verfahren der Erfindung der Tankmassenstrom ermittelt wird und dieser in einem ein Strahlpumpenmodell verwendet wird.
Berechnung des Tankmassenstroms (Treibmassenstrom Strahlpumpe)
Für die zwischen zwei Zeitpunkten ti und t2 in dem Anodenkreis stattfindende Stoffmengenänderung Δη wird eine Bilanzierung gemäß Gleichung (1 ) herangezogen mit At = t2 - ti .
Δη/At = nTank + nN2 - {nH2>stack + nVentii ) (1 )
Hierin entspricht riTank dem Stoffmengenstrom von Wasserstoff, der aus dem Wasserstoffspeicher 23 dem Anodenkreis zugeführt wird und der druckseitig an der Strahlpumpe 26 (als Treibmassenstrom rhd) anliegt, hN2 dem in den Anodenkreis eindiffundierten Stickstoffstrom, nH2,stack dem durch die im Brennstoffzellenstapel 1 0 stattfindende Brennstoffzellenreaktion verbrauchten Wasserstoff und riventn dem, insbesondere über das Spülventil 27, aus dem System abgeführten Anodenabgas. Der gesuchte Tankmassenstrom rhiank ergibt sich durch Umstellung der Gleichung (1 ) zu Gleichung (2) und Umrechnung des Stoffmengenstoms hTank in einen Massenstrom unter Verwendung der Molmasse M nach Gleichung (3). Sofern reiner Wasserstoff aus dem Tank ins System eingespeist wird, kann die molare Masse von Wasserstoff (MH2 = 2,0 58 g/mol) verwendet werden.
An/At - [ hN2 - {flH2,Stack + ^Ventil )] mTank = ^ (3)
Zur Berechnung der Stoffmengenänderung An zwischen den Zeitpunkten ti und t2 in einem Volumen V kann unter Annahme eines idealen Gases die allgemeine Gasgleichung (4) herangezogen werden. Prinzipiell kann der Einfluss des Druckes und der Temperatur berücksichtig werden. Da der Einfluss der Temperatur jedoch gering ist, ist die Annahme einer konstanten Temperatur zwischen den Zeitpunkten ti und t2 zulässig, so dass sich für die Stoffmengenänderung An = n2 - ni zwischen den Zeitpunkten ti und t2 über die Gleichung (5) die Gleichungen (6) und (7) ergeben. pV = nRT (4)
Figure imgf000014_0001
A„ = n1 (2i - l) (6)
PiV
=— (7)
Dabei ist R die ideale Gaskonstante, pi der Druck zum Zeitpunkt ti , p2 der Druck zum Zeitpunkt t , ni die Stoffmenge (in mol) im Kontrollvolumen V zum Zeitpunkt ti , n2 die Stoffmenge im Kontrollvolumen V zum Zeitpunkt t2 und Ti bzw. T die als konstant angenommene Temperatur. Das Kontrollvolumen V ist gleich dem Volumen des gesamten Anodenkreislaufs und umfasst somit die Summe der Volumina der Leitungen 21 (zwischen der Strahlpumpe 26 und dem Stapeleingang), 22 und 25, der Volumina der Anodenräume 12 des Stapels 10 und der Fördereinrichtung 26 und des Ventils 27. Somit kann, nach Einsetzen der Gleichung (7) in (6) Δη allein aus dem im Kontrollvolumen des Anodenkreises gemessenen Druck zum Zeitpunkt und t2 und der Temperatur ermittelt werden. Das Kontrollvolumen V kann auch in mehrere Teilvolumina unterteilt werden, wobei die Summe aller Teilvolumina gleich dem Volumen des Anoden kreislaufes ist. Beispielsweise kann das Kontrollvolumen V in einen Bereich von der Fördereinrichtung 26 bis zur Mitte des Stapels 10 (Hochdruckteil des Anodenkreislaufs) und den Bereich von Mitte des Stapels bis zur Fördereinrichtung (Niederdruckteil des Anodenkreislaufs) unterteilt werden und Δη jeweils für diese Teilvolumina bestimmt werden. Die Druck- und Temperaturparameter beziehen sich dann jeweils auf das Teilvolumen, wo sie anhand von Sensoren erfasst werden, die installiert sind (In Figur 1 nicht dargestellt).
Der im Brennstoffzellenstapel 10 stattfindende Wasserstoffverbrauch hH2,stack kann gemäß Gleichung (8) bestimmt werden, wobei I die Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 10, F die Faraday-Konstante und N die Anzahle der Zellen 1 1 des Stapels 10 ist.
nH2,Stack = ~^ N (8)
Das über Ventile und dergleichen, insbesondere dem Spülventil 27, abgelassene Anodenabgas fließt als ein aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom riVentii in die Bilanzierung nach Gleichung (1 ) bzw. (2) ein. Für die Berechnung können verschiedene Methoden eingesetzt werden, beispielsweise die Verwendung von kv-Werten. Eine bevorzugte Methode verwendet das Model gemäß Saint-Venant und Wantzel gemäß den Gleichungen (9) und (10). aA^2peinpein _
nVentü — (9)
MK0 ntrollvolumen
Figure imgf000016_0001
Dabei ist A der Ventilquerschnitt, α der Einschnürfaktor (der experimentell bestimmt werden kann), p die Gasdichte, pein und paus der Eingangs- bzw. Ausgangsdruck, M die Molare Masse des Gasvolumens im Kontrollvolumen, K der Isentropenexponent und S eine Funktion bezüglich des Zustandes des Ventils (S = 1 bedeutet Ventil offen und S = 0 bedeutet Ventil zu).
Der in den Anodenkreis eingedrungene Stickstoffstoffstrom nN2 kann beispielsweise als Änderung der Stoffmenge an Stickstoff ΔηΝ2 im Kontrollvolumen mittels der N2-Stoffmengenanteile χΝ2 gemäß Gleichung (1 1 ) berechnet werden, wobei χΝ2,ι der Stoffmengenanteil von Stickstoff zum Zeitpunkt , ym 2 der Stoffmengenanteile von Stickstoff zum Zeitpunkt t2) ni die gesamte Stoffmenge (H , N2 und evtl. H2O) zum Zeitpunkt ti und n2 die gesamte Stoffmenge zum Zeitpunkt t2 ist. (Die Bestimmung der Gaszusammensetzung im Anodenkreis und damit der N2-Stoffmengenanteile erfolgt über ein weites Modell (bzw. in Kombination aus zwei oder mehreren Modellen) und kann als bekannt vorausgesetzt werden.)
Δί1Ν2 — XN2,2N2 ~~ XN2,lnl ~~ XN2,2 (nl + Δη) — ΧΝ2,1Π1 — (XN2,2 — XN2,l)nl +
Χ 2,2Δη = AxN2nL + χΝ 2 2Δη (1 1 )
Alternativ können zur Bestimmung von hN2 bzw. ΔηΝ2 auch anderen Modelle verwendet werden, die diesen Wert direkt berechnen z.B. Stickstoff- Diffusionsmodelle.
Da Einfluss der Änderung des Stickstoffanteils im Anodenkreis durch Diffusion durch den Stapel in den meisten Fällen gering ist, kann hN2 in der Bilanzierung in Gleichung (1 ) bzw. (3) in guter Näherung auch vernachlässigt werden.
Der so ermittelte Tankmassenstrom mTank entspricht dem Momentanverbrauch an Wasserstoff und kann als solcher genutzt werden, um ihn einem Fahrer anzuzeigen und/oder um eine prognostizierte Reichweite des Fahrzeugs zu ermitteln. Ferner kann der Tankmassenstrom mTank in einem Modell der Strahlpumpe 26 verwendet werden, um weitere Parameter für die Steuerung des Brennstoffzellensystems zu bestimmen.
Modellierung der Strahlpumpe
Der Massenstrom des über die Rezirkulationsleitung 25 rezirkulierten Anodenabgases rhs (also H2, N2 und H2O) entspricht dem durch die Saugdüse 264 der Strahlpumpe 26 angesaugten Massenstrom ms und kann als ein multidimensionales Kennfeid beschrieben werden. Insbesondere kann gemäß Gleichung (12) der rezirkulierte Massenstrom rhs als Funktion von Druck pd, Temperatur Td und Massenstrom md des druckseitig in die Strahlpumpe 26 strömenden Wasserstoffstroms (Treibstrom); Druck ps, Temperatur Ts und H2- Stoffmengenanteil xs des saugseitig über die Rezirkulationsleitung 25 in die Strahlpumpe 26 rezirkulierten Anodenabgases, und sowie des Drucks pe des aus der Strahlpumpe 26 austretenden Anodengases dargestellt werden (s.a. Figur 2).
" = fiPch Τ «Irf, Ps, Ts, xs, pe) (12)
Dabei entspricht der Treibmassenstrom md dem oben bestimmten Tankmassenstrom rhTank- Ein mögliches Kennfeld, bei dem die notwendigen Daten reduziert werden können, stellen dabei die Körting-Kennfelder dar.
Bestimmung des Treibdüseneintrittsdrucks p Der Treibmassenstrom md kann ferner zur Bestimmung des Treibdüsendrucks Pd verwendet werden, um somit auf eine direkte Messung mittels Drucksensor verzichten zu können. Es sind verschiedene Ansätze zur Bestimmung des Treibdüsendrucks pd möglich. Beispielweise ist die Bestimmung des Treibdüsendrucks pd anhand empirischer Gleichungen oder Kennfelder möglich, die aus Messdaten gewonnen werden und den Druck pd als Funktion des Treibmassenstroms md darstellen.
Alternativ kann der Treibdüsendruck pd analytisch in Abhängigkeit des Treibmassenstroms md mit den folgenden Gleichungen berechnet werden. Hierbei muss der Druck jedoch iterativ berechnet werden. Bei der Berechnung des Treibdüsendrucks pd wird eine Fallunterscheidung zwischen dem Vorliegen einer kritischen Strömung und einer unterkritischen Strömung anhand von Gleichung (13) gemacht. Sofern der Saugdruck ps kleiner oder gleich dem kritischen Druck pk t ist (pkrit > pSaug), liegt eine kritische Strömung vor, für die Gleichung (14) gilt. Andernfalls liegt eine unterkritische Strömung vor und es gilt Gleichung (15).
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0002
Figure imgf000018_0003
Energiegleichung zum Strahlpumpenmodell
Der Tankmassenstrom mTank (= Treibmassenstrom rhd) kann ferner verwendet werden, um über die Energiegleichung der Strahlpumpe (16) bzw. (17) weitere Größen zu berechnen. Beispielsweise kann die Temperatur Te am Strahlpumpenaustritt berechnet und damit ein Temperatursensor eingespart werden. Der Term Qinnen berücksichtigt die Wärme, die im Bauteil (Strahlpumpe) gespeichert oder vom Bauteil abgegeben wird. mshs + mdhd = mehe + Qinnen (16)
""•sC .s l's + 'i1ricp,H2 =™ecp,e 'e + Qinnen O?)
Qinnen = kAjnnen (Te— Tjp) (18)
Gemäß 1 . Hauptsatz der Thermodynamik gelten ferner folgende Gleichungen, die die Wärmekapazität CJP und die Masse mJP der Strahlpumpe 26 berücksichtigen. Hier wird auch der Wärmeaustausch mit der Umgebung„u" berücksichtigt.
nijpCjp = Qinnen + Qaussen 09)
Qaussen = kAaussen(Tu— Tjp) (20)
Die Differentialgleichung (19) kann dabei entweder numerisch oder analytisch gelöst werden. Als Startwert für die Lösung der Differentialgleichung kann die Umgebungstemperatur angenommen werden, wenn die Standzeit des Fahrzeugs ausreichend lang war. Die Faktoren kAinnen und kAaUßen sind dabei Parameter, die mittels Bauteilmessungen bestimmt werden können.
Bezuaszeichen Brennstoffzellensystem Brennstoffzellenstapel
Einzelzelle
Anodenraum
Kathodenraum
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) Anodenversorgung
Anodenversorgungspfad
Anodenabgaspfad
Brennstofftank / Wasserstofftank
Stellmittel
Rezirkulationsleitung
Fördereinrichtung / Strahlpumpe
Spülventil
Spülleitung / Ablassleitung Kathodenversorgung
Kathodenversorgungspfad
Kathodenabgaspfad
Verdichter
Elektromotor
Leistungselektronik
Turbine
Wastegate-Leitung Wastegate-Ventil Befeuchter Grundkörper Treibdüse Druckeingang Saugeingang Ausgang

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Anodenversorgung (20) mit einem Wasserstoffspeicher (23), einem den Wasserstoffspeicher (23) mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbindenden Anodenversorgungspfad (21 ), einem einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (21 ) verbindenden Rezirkulationspfad (22, 25) sowie einer Fördereinrichtung (26) zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases, wobei ein aus dem Wasserstoffspeicher (23) dem Anodenkreis zugeführter Tankmassenstrom (rhxank) durch Bilanzierung der dem Anodenkreis zu- und abgeführten Stoffströme (ri, rh) bestimmt wird, wobei der Tankmassenstrom (mTank) in die Bilanzierung als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom (ri, rh) einfließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in die Bilanzierung ein durch den Brennstoffzellenstapel (10) verbrauchter Wasserstoff (rhH2,stack, hH2,stack) als ein aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom einfließt, welcher insbesondere in Abhängigkeit eines von dem Brennstoffzellenstapel (10) erzeugten elektrischen Stroms berechnet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die Bilanzierung ein über Stell mittel, insbesondere Ventile, abgelassenes Anodenabgas (rhvenw, riventn) als ein aus dem Anodenkreis abgeführter Stoffstrom einfließt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in die Bilanzierung ein in den Anodenkreis eindiffundierter Stickstoff (mN2, hN2) als ein dem Anodenkreis zugeführter Stoffstrom einfließt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Bilanzierung des Tankmassenstroms (mTank) Massenstromsignale und/oder Drucksignale verwendet werden, die ausschließlich von stromab der Strahlpumpe (26) angeordneten Massenstromsensoren oder Drucksensoren erhalten werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ermittelte Tankmassenstrom (mTank) als Momentanverbrauch des Brennstoffzellensystems (100) zum Betreiben desselben verwendet wird, insbesondere einem Fahrer eines Brennstoffzellenfahrzeugs angezeigt und/oder zur Prognose einer Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung (26) als Strahlpumpe ausgebildet ist, die druckeingangs- seitig mit dem Wasserstoffspeicher (23), saugseitig mit dem Rezirkulationspfad (22, 25) und ausgangsseitig mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbunden ist, und der ermittelte Tankmassenstrom (mTank) als Eingangsparameter zur Modellierung der Strahlpumpe (26), insbesondere für die Bestimmung des rezirkulierten Stoffstroms und/oder des Stoffstroms am Eintritt in den Brennstoffzellenstapel (10), verwendet wird.
8. Brennstoffzellensystem (100), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) sowie eine Anodenversorgung (20) mit einem Wasserstoffspeicher (23), einem den Wasserstoffspeicher (23) mit dem Brennstoffzellenstapel (10) verbindenden Anodenversorgungspfad (21 ), einem einen Brennstoffzellenausgang mit dem Anodenversorgungspfad (21 ) verbindenden Rezirkulationspfad (22, 25) sowie einer Fördereinrichtung (26) zur Förderung eines rezirkulierten Anodenabgases, wobei das Brennstoffzellensystem (100) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
9. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8.
PCT/EP2018/072329 2017-09-05 2018-08-17 Verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle Ceased WO2019048217A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201880057417.8A CN111033844A (zh) 2017-09-05 2018-08-17 用于运行燃料电池的方法
US16/644,908 US11289718B2 (en) 2017-09-05 2018-08-17 Method for operating a fuel cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017215514.0A DE102017215514A1 (de) 2017-09-05 2017-09-05 Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle
DE102017215514.0 2017-09-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019048217A1 true WO2019048217A1 (de) 2019-03-14

Family

ID=63490402

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/072329 Ceased WO2019048217A1 (de) 2017-09-05 2018-08-17 Verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11289718B2 (de)
CN (1) CN111033844A (de)
DE (1) DE102017215514A1 (de)
WO (1) WO2019048217A1 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020130606A1 (de) 2020-11-19 2022-05-19 Audi Aktiengesellschaft Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einer in die Abgasleitung integrierten Strahlpumpe sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug
CN116691289A (zh) * 2022-03-01 2023-09-05 开利公司 用于燃料电池供电的运输制冷的模块化架构
DE102022211438A1 (de) * 2022-10-28 2024-05-08 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Steuergerät
US12479578B2 (en) 2023-12-04 2025-11-25 The Boeing Company Active display interior vehicle surfaces
DE102024110178A1 (de) * 2024-04-11 2025-10-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft System und Verfahren zum Charakterisieren eines Ejektors für ein Brennstoffzellensystem, Computerprogrammprodukt und Speichermedium

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004063533A1 (de) * 2004-12-30 2006-07-13 Ballard Power Systems Ag Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstroms und der Zusammensetzung eines mehrere Komponenten enthaltenden Fluidstroms
JP2008234970A (ja) * 2007-03-20 2008-10-02 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
DE102008054375A1 (de) * 2008-12-08 2010-06-10 Robert Bosch Gmbh Einsatz von Drucksensoren in Brennstoffzellensystemen als Ersatz für einen Wasserstoffprozeßsensor
DE102012007385A1 (de) 2012-04-12 2013-10-17 Daimler Ag Gasstrahlpumpe zum Fördern eines Gasstroms
DE102012017567A1 (de) 2012-09-06 2014-03-06 Daimler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102013003740A1 (de) 2013-03-05 2014-09-11 Daimler Ag Wasserstoffversorgungssystem
DE102004002021B4 (de) 2003-01-15 2015-10-08 Denso Corporation Verbesserter Aufbau einer Strahlpumpe
DE102014015867A1 (de) 2014-10-25 2016-04-28 Daimler Ag Verfahren zum Vermindern der Eisbildung
US20170301931A1 (en) * 2016-04-19 2017-10-19 Hyundai Motor Company Hydrogen consumption measuring method for fuel cell system

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5013171B2 (ja) * 2006-10-11 2012-08-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2009002432A (ja) * 2007-06-21 2009-01-08 Yamaha Motor Co Ltd ガス残量算出装置
AT517685B1 (de) * 2015-11-17 2017-04-15 Avl List Gmbh Messverfahren und Messvorrichtung zur Ermittlung der Rezirkulationsrate
DE102016219958A1 (de) * 2016-10-13 2018-04-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Kraftfahrzeug zur Versorgung von mindestens einer Brennstoffzelle mit Brennstoff

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004002021B4 (de) 2003-01-15 2015-10-08 Denso Corporation Verbesserter Aufbau einer Strahlpumpe
DE102004063533A1 (de) * 2004-12-30 2006-07-13 Ballard Power Systems Ag Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenstroms und der Zusammensetzung eines mehrere Komponenten enthaltenden Fluidstroms
JP2008234970A (ja) * 2007-03-20 2008-10-02 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
DE102008054375A1 (de) * 2008-12-08 2010-06-10 Robert Bosch Gmbh Einsatz von Drucksensoren in Brennstoffzellensystemen als Ersatz für einen Wasserstoffprozeßsensor
DE102012007385A1 (de) 2012-04-12 2013-10-17 Daimler Ag Gasstrahlpumpe zum Fördern eines Gasstroms
DE102012017567A1 (de) 2012-09-06 2014-03-06 Daimler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102013003740A1 (de) 2013-03-05 2014-09-11 Daimler Ag Wasserstoffversorgungssystem
DE102014015867A1 (de) 2014-10-25 2016-04-28 Daimler Ag Verfahren zum Vermindern der Eisbildung
US20170301931A1 (en) * 2016-04-19 2017-10-19 Hyundai Motor Company Hydrogen consumption measuring method for fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017215514A1 (de) 2019-03-07
US11289718B2 (en) 2022-03-29
CN111033844A (zh) 2020-04-17
US20200266463A1 (en) 2020-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019048217A1 (de) Verfahren zum betreiben einer brennstoffzelle
DE102007026331B4 (de) Brennstoffzellensystem mit verbessertem Feuchtemanagement und dessen Verwendung in einem Fahrzeug
DE102007059737B4 (de) Verfahren zur Bestimmung des Anodenabgasablasses sowie dazugehöriges Brennstoffzellensystem
DE102010051220B4 (de) Verfahren zum schätzen der relativen feuchte eines kathodeneinlasses und -auslasses eines brennstoffzellenstapels
DE102008047389B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Online-Bestimmung und Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms in einem Brennstoffzellenstapel
DE102009050938B4 (de) Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel
DE102010053632A1 (de) Brennstoffzellenbetriebsverfahren zur Sauerstoffabreicherung bei Abschaltung
DE102016116049A1 (de) Verfahren zum Schätzen eines Zustandsvektors eines Brennstoffzellensystems, Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Zustandsgröße eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
WO2017129581A1 (de) Verfahren zur bestimmung eines gehalts einer gaskomponente in einem durch eine brennstoffzelle rezirkulierend geförderten gasgemisch
DE102013211913A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE10057804B4 (de) Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle sowie Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle
DE102014224135B4 (de) Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellensystem
DE112009005381T5 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Feuchtigkeitszuständen einzelner Zellen in einer Brennstoffzelle, Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Feuchtigkeitszuständen einzelner Zellen in einer Brennstoffzelle, und Brennstoffzellensystemen
DE102014100751A1 (de) Gegenmaßnahmen bei Luftflussfehlern in einem Brennstoffzellensystem
DE102008055803B4 (de) System und Verfahren zur modellbasierten Abgasmischsteuerung in einer Brennstoffzellenanwendung
DE102016116004A1 (de) Verfahren zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts eines Betriebsmediums, Brennstoffzellensystem zum Durchführen eines solchen Verfahrens und Verwendung eines Verdichters als Feuchtigkeitssensor
DE102016110451A1 (de) Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102017102354A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase
DE102015222635A1 (de) Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem
DE112010003392B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102017214967A1 (de) Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands eines Befeuchters und Brennstoffzellensystem
DE102011109907A1 (de) Membranpermeationseinstellung in Pem-Brennstoffzellen
DE102017215501A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
DE102015208920A1 (de) Verfahren zum Einstellen eines Betriebsgasstroms in einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem
DE102007015955B4 (de) Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Legal Events

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

Ref document number: 18765022

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18765022

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1