AT524477A1 - Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte an einem Kathodeneingang eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte an einem Kathodeneingang eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte (RH) an einem Kathodeneingang (113) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend die folgenden Schritte:  Erfassen von wenigstens einem physikalischen Zuluft-Parameter (ZP) einer Zuluft (ZU) zu dem Kathodeneingang (113),  Erfassen eines Zuluft-Massenstroms (ZM) der Zuluft (ZU),  Bestimmen eines Zuluftwasser-Massenstroms (ZWM) auf Basis des er- fassten wenigstens einen Zuluft-Parameters (ZP) und des erfassten Zu- luft-Massenstroms (ZM),  Erfassen wenigstens eines physikalischen Kathodeneingang- Parameters (KP) am Kathodeneingang (113),  Bestimmen eines Befeuchterwasser-Massenstroms (BWM) auf Basis des erfassen wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters (KP) unter Verwendung eines Befeuchterkennfeldes (BK),  Ermitteln der relativen Feuchte (RH) am Kathodeneingang (113) auf Basis des bestimmten Zuluftwasser-Massenstroms (ZWM), des bestimmten Befeuchterwasser-Massenstroms (BWM) und des erfassten wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters (KP).

Description

Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte an einem Kathodeneingang ei-
nes Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte an einem Kathodeneingang eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, eine Ermittlungsvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Erzeugungsverfahren für ein Erzeugen eines Befeuchterkennfeldes für einen
Einsatz in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Es ist bekannt, dass beim Betreiben von Brennstoffzellensystemen die Kenntnis der relativen Feuchte innerhalb des Brennstoffzellenstapels einen entscheidenden Kontrollbarameter darstellt. Dies beruht insbesondere auf der Tatsache, dass in Brennstoffzellen Membrane verwendet werden, welche eine Mindestfeuchtigkeit nicht unterstreiten sollen. Eine zu trockene Membran oder eine Membran mit einer sich zu sehr ändernden Feuchte würde eine Schädigung davontragen. Zusätzlich ist es häufig notwendig, eine zu große Feuchtigkeit zu vermeiden, um ein Auskondensieren in
Form von flüssigem Wasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden.
Bekannte Brennstoffzellensysteme weisen daher üblicherweise Feuchtigkeitssensoren auf, welche in der Lage sind, die relative Feuchte in einer Zuluft zu dem Brennstoffzellenstapel zu bestimmen. Auch ist es bekannt, die Zuluft zu einem Brennstoffzellenstapel aktiv durch eine Wasserzufuhr und Verdampfen des Wassers zu befeuchten, wenn die angesaugte Zuluft aus der Umgebung nicht die für den aktuellen Zeitpunkt notwendige Feuchtigkeit aufweist. Hierfür sind bei Brennstoffzellensystemen Befeuchter vorgesehen, welche in der Lage sind, die Zuluft mit zusätzlicher Feuchtigkeit zu beladen. Es ist auch bekannt, den Befeuchter passiv durch Rückführung einer befeuchteten Kathodenluft zu betreiben. Hierbei findet durch unterschied-
liche Partialdrücke und deren Ausgleich ein Feuchtigkeitstransport statt.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass für eine effektive Kontrolle der relativen Feuchtigkeit Feuchtigkeitssensoren an den jeweiligen Positionen angebracht sein müssen. Dabei kann es zum Beispiel notwendig sein, einen Feuchtigkeitssensor direkt innerhalb der Brennstoffzelle im Bereich der Membran anzubringen. Zumindest ist es jedoch notwendig in die Brennstoffzelle so weit einzugreifen, dass in der Zufuhrleitung zu einem Kathodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels
ein entsprechender Feuchtigkeitssensor angeordnet wird, um dort den gewünschten
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehenden Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Kontrolle der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem zu verbessern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Ermittlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie ein Erzeugungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ermittlungsvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Erzeugungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug
genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß dient ein Verfahren der Ermittlung der relativen Feuchte an einem Kathodeneingang eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Hier-
für weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
- Erfassen von wenigstens einem physikalischen Zuluft-Parameter einer Zuluft zu dem Kathodeneingang,
- Erfassen eines Zuluft-Massenstroms der Zuluft,
- Bestimmen eines Zuluftwasser-Massenstroms auf Basis des erfassten wenigstens einen Zuluft-Parameters und des erfassten ZuluftMassenstroms,
Parameters am Kathodeneingang,
- Bestimmen eines Befeuchterwasser-Massenstroms auf Basis des erfassten wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters unter Verwen-
dung eines Befeuchterkennfeldes,
- Ermitteln der relativen Feuchte am Kathodeneingang auf Basis des bestimmten Zuluftwasser-Massenstroms des bestimmten Befeuchterwasser-Massenstroms und des erfassten wenigstens einen Kathodenein-
gang-Parameters.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zielt grundsätzlich darauf ab, einen physisch vorhandenen relativen Feuchtesensor vollständig zu vermeiden und trotzdem einen Wert für die relative Feuchte zu ermitteln. Um dies zu gewährleisten, greift ein erfindungsgemäßes Verfahren auf Sensorparameter zurück, welche für den Betrieb des Brennstoffzellensystems von grundlegender Bedeutung sind und daher durch essentiell vorhandene Sensoren zur Verfügung stehen. Um dies zu gewährleisten, basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf zwei separaten, vorgelagerten Schritten, welche anschließend in einem nachgelagerten Ermittlungsschritt kombiniert werden. Die
einzelnen Schritte werden nachfolgend im Detail näher erläutert.
In dem ersten vorgelagerten Schritt erfolgt die Bestimmung eines ZuluftwasserMassenstroms. Darunter ist der Massenstrom zu verstehen, welcher der Menge an Wasser in der Zuluft pro Zeiteinheit entspricht. Mit anderen Worten wird also die Menge an Wasser über die Zeit ermittelt, welche durch die Zuluft von außerhalb des Brennstoffzellensystems in das System eingebracht wird. Die entsprechend notwendige Sensorik für die Zuluft-Parameter kann dabei in einem entsprechenden Ansaugkanal, aber auch in die Umgebung des Brennstoffzellensystems gerichtet sein. Um diesen Zuluftwasser-Massenstrom zu bestimmen, sind im Wesentlichen zwei unterschiedliche Informationen notwendig. Zum einen wird mindestens ein physikalischer Zuluft-Parameter ermittelt. Ein Beispiel für einen solchen physikalischen ZuluftParameter kann zum Beispiel die Zuluft-Temperatur, der Zuluft-Druck oder die relative Zuluft-Feuchte sein. Dadurch, dass die Messung der Zuluft am Eingang des Brennstoffzellensystems oder sogar außerhalb des Brennstoffzellensystems in der Umgebung stattfinden kann, ist die Ermittlung dieser Umgebungsparameter sehr ein-
fach und kostengünstig möglich. Insbesondere kann eine entsprechende Sensorik
wendung eines neuronalen Netzwerks.
Parallel und separat zu dieser Bestimmung des Zuluftwasser-Massenstroms erfolgt eine Bestimmung des Befeuchterwasser-Massenstroms. Dabei handelt es sich um die Wassermenge pro Zeiteinheit, welche durch den Befeuchter der Zuluft zugemischt wird. Der Befeuchter ist dabei eine physisch vorhandene Befeuchtereinheit des Brennstoffzellensystems und ist in der Lage, zusätzliche Feuchtigkeit in die Zuluft einzubringen und damit die relative Feuchtigkeit der Zuluft in kontrollierbarer Weise zu erhöhen. Um diesen Befeuchterwasser-Massenstrom zu ermitteln, wird wenigstens ein physikalischer Kathodeneingang-Parameter ermittelt, welcher anschließend für die Bestimmung Verwendung findet. Physikalische KathodeneingangParameter werden später noch näher erläutert und beziehen sich zum Beispiel auf die Kathodeneingang-Temperatur, den Kathodeneingang-Druck oder die Stromanforderung am Brennstoffzellenstapel. Aus einem oder mehreren dieser Kathodeneingang-Parameter ist es nun möglich, in erfindungsgemäßer Weise unter Einsatz eines
Befeuchterkennfeldes, einen Befeuchterwasser-Massenstrom zu ermitteln.
An dieser Stelle wird durch den Einsatz des Befeuchterkennfeldes ein Verzicht auf einen in das Brennstoffzellensystem integrierten Feuchtigkeitssensor möglich. Während bei den bekannten Lösungen physisch vorhandene Feuchtigkeitssensoren in das Brennstoffzellensystem integriert werden mussten, kann in der erfindungsgemäRen Weise durch vorhandene Kontrollbarameter des Brennstoffzellensystems in Form des wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters, eine auf dem Befeuchterkennfeld basierende Bestimmung des Befeuchterwasser-Massenstroms erfolgen.
Hier wird ein Kernvorteil der vorliegenden Erfindung deutlich.
Zusammenhang zwischen den beschriebenen Eingangsparametern.
Neben dem großen Vorteil der Möglichkeit auf einen physisch vorhandenen Feuchtigkeitssensor zu verzichten, wird der Zeitpunkt der Bestimmung der relativen Feuchte verbessert. Dies beruht insbesondere darauf, dass bereits beim Durchströmen des Befeuchters eine Vorhersage getroffen werden kann, welche relative Feuchte am Kathodeneingang sich durch die aktuelle Betriebssituation einstellen wird. Diese Vorhersage erlaubt es, früher als bei den bekannten Lösungen in kontrollierender Weise, zum Beispiel durch einen Stelleingriff, zu reagieren und damit unerwünschte Regeloder Steuerschwankungen zu vermeiden. So kann bei einer Vorhersage einer zu niedrigen relativen Feuchte am Kathodeneingang im Vergleich zu den bekannten Lösungen mit physisch vorhandenen Feuchtigkeitssensoren, früher gegengesteuert werden, sodass im realen Betrieb an der Membran in der jeweiligen Brennstoffzelle die relative Feuchtigkeit weniger stark abnimmt als dies bei den bekannten Lösungen der Fall wäre. Ein erfindungsgemäßes Verfahren erlaubt also auch den anschließen-
den Kontrollerfolg zu verbessern.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als
Zuluft-Parameter wenigstens einer der folgenden verwendet wird: - Zuluft-Temperatur, - Zuluft-Druck, - relative Zuluft-Feuchte.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Insbesondere werden zumindest zwei oder genau die oben genannten drei ver-
schiedenen Zuluft-Parameter für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt. Bei
ordnet werden kann.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als Kathodeneingang-Parameter wenigstens einer der folgenden verwendet wird:
- Stromanforderung, - Kathodeneingang-Temperatur, - Kathodeneingang-Druck.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Auch hier werden vorzugsweise bereits vorhandene Sensormittel des Brennstoffzellensystems verwendet, welche für die grundsätzliche Kontrolle des Betriebs des Brennstoffzellensystems notwendig sind. Es ist besonders hervorzuheben, dass die Kathodeneingang-Parameter frei von einer Bestimmung einer relativen Kathodeneingang-Feuchte ausgebildet sind. Mehrere zusätzliche Parameter können jedoch zum Beispiel beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Prüfstand für Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden. Dies kann dazu dienen, wie dies später noch erläutert wird, das Befeuchterkennfeld zu erzeugen, zu verbessern und/oder zu validieren. Ein möglichst breit erfasstes und erzeugtes Befeuchterkennfeld erlaubt es, ein erfindungsgemäßes Verfahren später auch bei unterschiedlichen Brennstoffzellensystemen entweder in allgemeiner Weise oder aber in auf das jeweilige Brenn-
stoffzellensystem spezifizierter Weise einzusetzen.
Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für die Bestimmung des Zuluftwasser-Massenstroms und/oder für die Ermittlung der relativen Feuchte am Kathodeneingang ein Zusatz-Kennfeld verwendet wird. Neben dem Befeuchterkennfeld als einem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung, kann also alternativ zu algorithmischen Zusammenhängen auch ein Zusatz-Kennfeld für die genannte Bestimmung und die genannte Ermittlung eingesetzt werden. Solche Zusatz-Kennfelder können entsprechend der Datenzusammenhänge, beispielsweise
in tabellarischer Art vorsehen. Auch die Verwendung eines neuronalen Netzwerks für
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solche Zusatz-Kennfelder ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Glei-
ches gilt für das Befeuchterkennfeld, welches tabellarische Zusammenhänge
und/oder neuronale Netzwerke in trainierter Weise als Basis aufweisen kann.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein für den Brennstoffzellenstapel und/oder das Brennstoffzellensystem spezifisches Befeuchterkennfeld verwendet wird. So ist es möglich, spezifisch für einen Typ eines Brennstoffzellensystems auf einem Prüfstand ein spezifisches Befeuchterkennfeld zu ermitteln. Diese spezifische Ausgestaltung des Befeuchterkennfeldes kann auch auf eine spezifische Ausgestaltungsform des jeweiligen Befeuchters ausgerichtet sein. Beispielsweise können für die spezifische Ausgestaltung eines BasisBefeuchterkennfelds zugehörige spezifische Gewichtungsfaktoren anpassbar sein. Auch ist es möglich, eine voll spezifische Ermittlung am jeweiligen Prüfstand durch-
zuführen, um ein zugehöriges spezifisches Befeuchterkennfeld zu erzeugen.
Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Befeuchterkennfeld wenigstens teilweise als gewichtetes neuronales Netzwerk ausgebildet ist. Mit anderen Worten wird das Befeuchterkennfeld bei dieser Ausführungsform zumindest teilweise als künstliche Intelligenz ausgebildet, wobei das Training dieses neuronalen Netzwerks in Form eines Deep Learning Algorithmuses zum Beispiel durch entsprechende Daten von einem Prüfstand für das Brennstoffzellensystem erhalten werden können. Insbesondere gilt dies für den Einsatz eines spezifischen Befeuchterkennfeldes, wie es im voranstehenden Absatz erläutert worden ist.
Darüber hinaus kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die ermittelte relative Feuchte mit wenigstens einem Grenzwert verglichen wird, wobei im Fall eines Überschreitens des wenigstens einen Grenzwerts ein Kontrollsignal erzeugt wird. Während ein erfindungsgemäßes Verfahren grundsätzlich darauf ausgerichtet ist für nachfolgende Kontrollverfahren einen Parameter in Form der relativen Feuchte zur Verfügung zu stellen, kann der Schritt der Bewertung dieser bestimmten beziehungsweise ermittelten relativen Feuchte auch in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden. Wird beispielsweise eine relative Mindestfeuchte bei der Ermittlung der aktuellen relativen Feuchte unterschritten, so kann ein Kontrollsignal an ein Kontrollverfahren ausgegeben werden, um entsprechende
Stellmittel so anzusteuern, dass eine stärkere Befeuchtung zu einer höheren relati-
ven Feuchte führen wird. Wird eine zu hohe relative Feuchte erkannt, so kann durch
diesen Vergleich beispielsweise durch das Aktivieren eines Bypasses an einer Be-
feuchtervorrichtung vorbei eine Reduktion der relativen Feuchte erreicht werden.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ermittlungsvorrichtung für eine Ermittlung der relativen Feuchte an einem Kathodeneingang eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Eine solche Ermittlungsvorrichtung weist ein Zuluftmodul für ein Erfassen von wenigstens einem physikalischen ZuluftParameter einer Zuluft zu dem Kathodeneingang auf. Weiter dient dieses Zuluftmodul einem Erfassen eines Zuluft-Massenstroms der Zuluft. Die Ermittlungsvorrichtung weist darüber hinaus ein Zuluft-Bestimmungsmodul für ein Bestimmen eines Zuluftwasser-Massenstroms auf Basis des erfassten wenigstens einen Zuluft-Parameters und des erfassten Zuluft-Massenstroms auf. Mithilfe eines Kathodeneingangmoduls ist ein Erfassen wenigstens eines physikalischen Kathodeneingang-Parameters am Kathodeneingang möglich. Darüber hinaus ist ein KathodeneingangBestimmungsmodul für ein Bestimmen eines Befeuchterwasser-Massenstroms auf Basis des erfassten wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters unter Verwendung eines Befeuchterkennfeldes vorgesehen. Abschließend weist die Ermittlungsvorrichtung ein Ermittlungsmodul für ein Ermitteln der relativen Feuchte am Kathodeneingang auf, auf Basis des bestimmten Zuluftwasser-Massenstroms, des bestimmten Befeuchterwasser-Massenstroms und des erfassten wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters. Das Zuluftmodul, das Zuluft-Bestimmungsmodul, das Kathodeneingangmodul, das Kathodeneingang-Bestimmungsmodul und/oder das Ermittlungsmodul sind dabei vorteilhafterweise für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Damit bringt eine erfindungsgemäße Ermittlungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfin-
dungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.
Vorteilhaft kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Ermittlungsvorrichtung eine Zuluft-Sensorvorrichtung zum Erfassen des wenigstens einen physikalischen Zuluft-Parameters und/oder des Zuluft-Massenstroms vorgesehen. Eine solche Zuluft-Sensorvorrichtung kann Sensormittel aufweisen, welche insbesondere unabhängig von dem Brennstoffzellensystem ausgebildet sind. Sie dienen zum Beispiel dazu, die entsprechenden Zuluft-Parameter an dem Eingang für die Zuluft oder sogar direkt
in der Umgebung wahrzunehmen.
ausgebildet ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Erzeugungsverfahren für ein Erzeugen eines Befeuchterkennfeldes für einen Einsatz in einem erfindungsge-
mäßen Verfahren, aufweisend die folgenden Schritte: - Betreiben eines Brennstoffzellenstapels auf einem Prüfstand, - Erfassen des wenigstens einen physikalischen Zuluft-Parameters, - Erfassen des Zuluft-Massenstroms,
- Erfassen des wenigstens einen physikalischen Kathodeneingang-
Parameters, - Erfassen der relativen Feuchte am Kathodeneingang,
- Abspeichern der Zusammenhänge zwischen der erfassten relativen Feuchte und dem erfassten wenigstens einen physikalischen ZuluftParameters, dem erfassten Zuluft-Massenstroms und dem erfassten wenigstens einen physikalischen Kathodeneingang-Parameters in ei-
nem Befeuchterkennfeld.
Dieses Erzeugungsverfahren dient dazu, ein Befeuchterkennfeld zu bestimmen beziehungsweise mit Daten zu füllen, um es anschließend in einem erfindungsgemäRen Verfahren einsetzen zu können. Dies kann für die Ermittlung spezifischer Befeuchterkennfelder, aber auch für die Ermittlung generell anwendbarer Befeuchterkennfelder verwendet werden. Ein solches Verfahren wird möglicherweise sogar zusätzlich validiert an einem gleichen oder an einem ähnlichen Prüfstand. Dafür wird ein ermitteltes Befeuchterkennfeld betrieben und parallel die Ergebnisse eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Messwerten eines am Prüfstand vorhandenen
physischen Feuchtigkeitssensors verglichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-
führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in
den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schema-
tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ermittlungsvorrichtung,
Fig. 2 ein Detail bei einem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 3 ein Detailabschnitt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 ein weiterer Detailabschnitt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5 ein weiterer Detailabschnitt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 6 ein weiterer Detailabschnitt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 7 ein weiterer Detailabschnitt eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt schematisch wie ein Teil eines Brennstoffzellensystems 100 ausgestaltet sein kann. Hier ist ein Brennstoffzellenstapel 110 mit einer Vielzahl von nicht näher dargestellten einzelnen Brennstoffzellen ausgestattet, wobei der Brennstoffzellenstapel 110 in einen Kathodenabschnitt 112 und einen Anodenabschnitt 114 unterteilt ist. Für die Durchführung der gewünschten stromerzeugenden chemischen Reaktion in einem Brennstoffzellenstapel 110 ist eine Zufuhr und eine Abfuhr der jeweiligen Gase vorgesehen. Für die vorliegende Erfindung entscheidend ist der Kathodeneingang 113 und der Anodeneingang 115. Wesentlich ist hier die Betrachtung der Kathodenseite, also des Kathodeneingangs 113. Hier wird Zuluft ZU aus der Umgebung angesaugt und über einen Befeuchter 120 mit zusätzlicher Feuchtigkeit bela-
den.
Figur 2 zeigt schematisch die Orte, an denen grundsätzlich die benötigten Parameter aufgenommen werden können. So wird im Bereich des Eingangs für die Zuluft ZU, also in Strömungsrichtung gesehen vor dem Befeuchter 120, eine Erfassung der Zuluft-Parameter ZP und des Zuluft-Massenstroms ZM erfolgen. Dem Befeuchter 120 der Strömungsrichtung nachgelagert, im Bereich des Kathodeneingangs 113 erfolgt die Erfassung zumindest eines Kathodeneingang-Parameters KP. Hier ist bereits gut zu erkennen, dass kein physischer Sensor zwischen dem Befeuchter 120 und dem Kathodeneingang 113 eine Erfassung von relativer Feuchte angeordnet werden
MUSS.
Erfindungsgemäß erfolgt nun in einem ersten Schritt im Zuluft-Bestimmungsmodul 30 eine Bestimmung des Zuluftwasser-Massenstroms ZWM wie dies in der Figur 3 dargestellt ist. Hier werden wenigstens ein physischer Zuluft-Parameter ZP und ein Zuluft-Massenstrom ZM berücksichtigt, um zum Beispiel in algorithmischem Zusammenhang den Zuluftwasser-Massenstrom ZWM zu bestimmen. Hier sind bei dieser Ausführungsform als Zuluft-Parameter ZP die Zuluft-Temperatur ZPT, der ZuluftDruck ZPP und die relative Zuluft-Feuchte ZPH verwendet.
Alternativ zu der Ausführungsform der Figur 3 ist in Figur 4 eine Variante dargestellt, bei welcher zusätzlich oder alternativ zu einem algorithmischen Zusammenhang ein Zusatz-Kennfeld ZK auf Basis der Eingangsparameter zu der Bestimmung des Zu-
luftwasser-Massenstroms ZWM führt.
In der Figur 5 ist der zweite vorbereitende Verfahrensschritt dargestellt, wobei hier im Kathodeneingang-Bestimmungsmodul 50 die Kathodeneingang-Parameter KP zur
Bestimmung des Befeuchterwasser-Massenstroms BWM führen. Hier ist erfindungsgemäß kein algorithmischer Zusammenhang vorgesehen, sondern vielmehr die Ver-
wendung des Befeuchterkennfeldes BK. Als Kathodeneingang-Parameter KP werden
die Stromanforderung KPI verwendet.
Die Figur 6 zeigt die Kombination der bestimmten Werte im Ermittlungsmodul 60. Die in den ersten beiden Schritten des Verfahrens bestimmten Parameter ZuluftwasserMassenstrom ZWM und Befeuchterwasser-Massenstrom BWM werden hier zusätzlich zu den bereits vorhandenen und bereits einmal verwendeten KathodeneingangParametern KP verwendet, um wieder durch einen algorithmischen Zusammenhang oder die Verwendung eines nicht näher dargestellten Zusatz-Kennfeldes ZK die relative Feuchte RH zu bestimmen. Bei dieser Ausführungsform der Figur 6 werden beispielhaft als Kathodeneingang-Parameter KP die Kathodeneingang-Temperatur KPT
und der Kathodeneingang-Druck KPP verwendet.
Die Figur 7 zeigt noch die Kombination der vorangegangenen Schritte in einer Ermittlungsvorrichtung 10. Hier ist nochmals gut zu erkennen, dass von außerhalb der Ermittlungsvorrichtung 10 die Kathodeneingang-Parameter KP, die Zuluft-Parameter ZP sowie der Zuluft-Massenstrom ZM eingehen. Auf der anderen Seite wird die relative Feuchte RH ausgegeben. Durch die Zweistufigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch das Zuluft-Bestimmungsmodul 30 und das KathodeneingangBestimmungsmodul 50 innerhalb der Ermittlungsvorrichtung das ZuluftwasserMassenstrom ZWM und der Befeuchterwasser-Massenstrom BWM sozusagen als Zwischenergebnisse bestimmt, welche in der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens über das Ermittlungsmodul 60 in die relative Feuchte RH umgesetzt werden.
Die voranstehende Erläuterung beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
10 Ermittlungsvorrichtung
20 Zuluftmodul
30 Zuluft-Bestimmungsmodul
40 Kathodeneingangmodul
50 Kathodeneingang-Bestimmungsmodul 60 Ermittlungsmodul
70 Zuluft-Sensorvorrichtung
80 Kathodeneingang-Sensorvorrichtung
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Kathodenabschnitt
113 Kathodeneingang
114 Anodenabschnitt
115 Anodeneingang
120 Befeuchter
ZU Zuluft
RH relativen Feuchte
ZP Zuluft-Parameter
ZPT Zuluft-Temperatur
ZPP Zuluft-Druck
ZPH Relative Zuluft-Feuchte
ZM Zuluft-Massenstrom
ZWM Zuluftwasser-Massenstrom KP Kathodeneingang-Parameter KPI Stromanforderung
KPT Kathodeneingang-Temperatur KPP Kathodeneingang-Druck
BK — Befeuchterkennfeld
BWM Befeuchterwasser-Massenstrom ZK Zusatz-Kennfeld

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte (RH) an einem Kathodeneingang (113) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems
    (100), aufweisend die folgenden Schritte:
    — Erfassen von wenigstens einem physikalischen Zuluft-Parameter (ZP)
    einer Zuluft (ZU) zu dem Kathodeneingang (113), — Erfassen eines Zuluft-Massenstroms (ZM) der Zuluft (ZU),
    — Bestimmen eines Zuluftwasser-Massenstroms (ZWM) auf Basis des erfassten wenigstens einen Zuluft-Parameters (ZP) und des erfassten Zu-
    luft-Massenstroms (ZM),
    — Erfassen wenigstens eines physikalischen KathodeneingangParameters (KP) am Kathodeneingang (113),
    — Bestimmen eines Befeuchterwasser-Massenstroms (BWM) auf Basis des erfassten wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters (KP) un-
    ter Verwendung eines Befeuchterkennfeldes (BK),
    — Ermitteln der relativen Feuchte (RH) am Kathodeneingang (113) auf Basis des bestimmten Zuluftwasser-Massenstroms (ZWM), des bestimmten Befeuchterwasser-Massenstroms (BWM) und des erfassten
    wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters (KP).
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuluft-
    Parameter (ZP) wenigstens einer der folgenden verwendet wird: — Zuluft-Temperatur (ZPT) — Zuluft-Druck (ZPP)
    — Relative Zuluft-Feuchte (ZPH)
    — Stromanforderung (KPI) — Kathodeneingang-Temperatur (KPT) — Kathodeneingang-Druck (KPP)
    4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Zuluftwasser-Massenstroms (ZWM) und/oder für die Ermittlung der relativen Feuchte (RH) am Kathodeneingang
    (113) ein Zusatz-Kennfeld (ZK) verwendet wird.
    5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein für den Brennstoffzellenstapel (110) und/oder das Brenn-
    stoffzellensystem (100) spezifisches Befeuchterkennfeld (BK) verwendet wird.
    6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchterkennfeld (BK) wenigstens teilweise als gewich-
    tetes neuronales Netzwerk ausgebildet ist.
    7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte relative Feuchte (RH) mit wenigstens einem Grenzwert verglichen wird, wobei im Fall eines Überschreitens des wenigstens
    einen Grenzwertes ein Kontrollsignal erzeugt wird.
    8. Ermittlungsvorrichtung (10) für eine Ermittlung der relativen Feuchte (RH) an einem Kathodeneingang (113) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend ein Zuluftmodul (20) für ein Erfassen von wenigstens einem physikalischen Zuluft-Parameter (ZP) einer Zuluft (ZU) zu dem Kathodeneingang (113) und ein Erfassen eines ZuluftMassenstroms (ZM) der Zuluft (ZU), weiter aufweisend ein ZuluftBestimmungsmodul (30) für ein Bestimmen eines Zuluftwasser-Massenstroms (ZWM) auf Basis des erfassten wenigstens einen Zuluft-Parameters (ZP) und des erfassten Zuluft-Massenstroms (ZM), weiter aufweisend ein Kathoden-
    gangmodul (40) für ein Erfassen wenigstens eines physikalischen Kathoden-
    eingang-Parameters (KP) am Kathodeneingang (113), weiter aufweisend ein Kathodeneingang-Bestimmungsmodul (50) für ein Bestimmen eines Befeuchterwasser-Massenstroms (BWM) auf Basis des erfassten wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters (KP) unter Verwendung eines Befeuchterkennfeldes (BK), weiter aufweisend ein Ermittlungsmodul (60) für ein Ermitteln der relativen Feuchte (RH) am Kathodeneingang (113) auf Basis des bestimmten Zuluftwasser-Massenstroms (ZWM), des bestimmten BefeuchterwasserMassenstroms (BWM) und des erfassten wenigstens einen Kathodeneingang-
    Parameters (KP).
    9. Ermittlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuluftmodul (20), das Zuluft-Bestimmungsmodul (30), das Kathodeneigangmodul (40), das Kathodeneingang-Bestimmungsmodul (50) und/oder das Ermittlungsmodul (60) für die Ausführung eines Verfahrens mit
    den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet sind.
    10. Ermittlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuluft-Sensorvorrichtung (70) zum Erfassen des wenigstens einen physikalischen Zuluft-Parameters (ZP) und/oder des Zuluft-
    Massenstroms (ZM) vorgesehen ist.
    11. Ermittlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathodeneingang-Sensorvorrichtung (80) zum Erfassen des wenigstens einen Kathodeneingang-Parameters (KP) vorgesehen ist.
    12. Erzeugungsverfahren für ein Erzeugen eines Befeuchterkennfeldes (BK) für einen Einsatz in einem Verfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1
    bis 7, aufweisend die folgenden Schritte: — Betreiben eines Brennstoffzellenstapels (110) auf einem Prüfstand, — Erfassen des wenigstens einen physikalischen Zuluft-Parameters (ZP), — Erfassen des Zuluft-Massenstroms (ZM),
    — Erfassen des wenigstens einen physikalischen Kathodeneingang-
    Parameters (KP),
    — Erfassen der relativen Feuchte (RH) am Kathodeneingang (113),
    — Abspeichern der Zusammenhänge zwischen der erfassten relativen Feuchte (RH) und dem erfassten wenigstens einen physikalischen Zuluft-Parameters (ZP), dem erfassten Zuluft-Massenstroms (ZM) und dem erfassten wenigstens einen physikalischen Kathodeneingang-
    Parameters (KP) in einem Befeuchterkennfeld (BK).
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