DE102021130252A1

DE102021130252A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Anodenzustands eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102021130252A1
Application number: DE102021130252.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rauh
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (103) zur Ermittlung eines Anodenzustands (621) bezüglich einer Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (211) in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) eines Brennstoffzellensystems (100). Die Vorrichtung (103) ist eingerichtet, einen Druckdifferenzwert (620) der Druckdifferenz (610) über dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) zu ermitteln. Die Vorrichtung (103) ist ferner eingerichtet, den Anodenzustand (621) bezüglich der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (211) in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) auf Basis des Druckdifferenzwertes (620) zu ermitteln.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Anodenzustands eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere bei einem Start-Up des Brennstoffzellenstapels.
Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann eine Brennstoffzelle, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen, aufweisen, die eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Brennstoff für die Brennstoffzelle wird typischerweise aus einem Druckbehälter zu der Brennstoffzelle geleitet werden. Dabei kann die Menge an Brennstoff, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, durch ein Ventil verändert werden.
Durch die Menge an Brennstoff, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann die von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte elektrische Leitung beeinflusst werden. Die Erhöhung der zugeführten Brennstoffmenge führt typischerweise zu einer Erhöhung der elektrischen Leistung, was wiederum eine erhöhte Antriebsleistung des Fahrzeugs ermöglicht.
Andererseits kann das Zuführen einer überhöhten Menge an Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstapel dazu führen, dass die Konzentration von Brennstoff in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wodurch die Sicherheit und/oder die Energieeffizienz des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt werden können. Aus diesem Grund ist es typischerweise vorteilhaft, die Menge an Brennstoff, die den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, in Abhängigkeit von dem jeweils aktuellen Anodenzustand der Anode des Brennstoffzellenstapels, insbesondere in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Brennstoff-Konzentration an der Anode des Brennstoffzellenstapels, einzustellen.
Zur Ermittlung des Anodenzustands, insbesondere zur Ermittlung der Brennstoff-Konzentration an der Anode, kann ein dedizierter Konzentrationssensor verwendet werden, der jedoch mit zusätzlichen Kosten und zusätzlichem Bauraum verbunden ist. Alternativ oder ergänzend kann ein mathematisches Betriebsmodell für den Brennstoffzellenstapel verwendet werden, um den Anodenzustand, insbesondere die Brennstoff-Konzentration, abzuschätzen. Ein solches Betriebsmodell liefert jedoch meist nur nach einer gewissen Betriebszeit des Brennstoffzellenstapels (z.B. von mehreren Minuten) zuverlässige Information in Bezug auf den Anodenzustand.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, den Anodenzustand eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere bei Start-Up des Brennstoffzellenstapels, in effizienter, präziser und schneller Weise zu bestimmen.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Ermittlung des Anodenzustands bezüglich der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Der Brennstoffzellenstapel kann ein oder mehrere Brennstoffzellen umfassen. Das Brennstoffzellensystem kann ein oder mehrere Komponenten des in Zusammenhang mit den 1 bis 5 beschriebenen Brennstoffzellensystems umfassen. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem ein Anodensubsystem umfassen, das den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels umfasst. Als Anodenzustand kann der Wert der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels, insbesondere in dem Gasgemisch in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels, ermittelt werden. Der Brennstoff kann (reinen) Wasserstoff (H₂) umfassen, insbesondere kann der Brennstoff (reiner) Wasserstoff sein. Das Gasgemisch kann Brennstoff und Luft (insbesondere Stickstoff) aufweisen, insbesondere kann das Gasgemisch aus Brennstoff und Luft bestehen.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, einen Druckdifferenzwert der Druckdifferenz über dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels zu ermitteln. Dabei kann insbesondere der Wert der Druckdifferenz ermittelt werden, den die Druckdifferenz des Gasgemisches zwischen Eingang und Ausgang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels aufweist. Dabei kann der Druckdifferenzwert der Druckdifferenz für einen bestimmten Messzeitpunkt ermittelt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, (an dem bestimmten Messzeitpunkt) einen ersten Druck-Messwert eines ersten Drucksensors (des Brennstoffzellensystems) zu erfassen, der in der Brennstoffzuleitung des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Des Weiteren kann (an dem bestimmten Messzeitpunkt) ein zweiter Druck-Messwert eines zweiten Drucksensors erfasst werden, der in der Anodenabgasleitung oder flussabwärts (in Bezug auf die Flussrichtung des Gasgemisches) von der Anodenabgasleitung des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. In einem bevorzugten Beispiel ist der zweite Drucksensor zwischen dem Wasserabscheider (zur Abscheidung von Wasser aus dem Gasgemisch) und dem Brennstoff-Rezirkulationsförderer (des Anodensubsystems) des Brennstoffzellensystems angeordnet. So kann ein besonders präziser Druckdifferenzwert ermittelt werden.
Der Druckdifferenzwert (für den bestimmten Messzeitpunkt) kann dann in präziser Weise auf Basis des ersten Druck-Messwertes und auf Basis des zweiten Druck-Messwertes, insbesondere auf Basis der bzw. als die Differenz zwischen dem ersten Druck-Messwert und dem zweiten Druck-Messwert, ermittelt werden.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, den Anodenzustand (an dem bestimmten Messzeitpunkt) bezüglich der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels auf Basis des Druckdifferenzwertes (für den bestimmten Messzeitpunkt) zu ermitteln. Zu diesem Zweck können Kenndaten verwendet werden, wobei die Kenndaten für eine Vielzahl von unterschiedlichen Druckdifferenzwerten der Druckdifferenz jeweils einen (dem jeweiligen Druckdifferenzwert entsprechenden) Wert der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels als Anodenzustand anzeigen. Die Kenndaten können im Vorfeld experimentell und/oder analytisch ermittelt worden sein.
Es wird somit eine Vorrichtung beschrieben, die die Druckdifferenz über dem Brennstoffzellenstapel, insbesondere über dem Anodenraum des Brennstoffstapels, nutzt, um bereits an einem frühen Zeitpunkt während des Start-Ups des Brennstoffzellensystems den Anodenzustand in präziser und effizienter Weise bestimmen zu können. So kann ein besonders schneller Start-Up des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden. Insbesondere kann so erreicht werden, dass das Brennstoffzellensystem innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums relativ hohe elektrische Leistungen bereitstellen kann.
Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung eingerichtet sein, Leistungsinformation in Bezug auf die (an dem bestimmten Messzeitpunkt) zu erbringende elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems zu ermitteln. Die Zufuhr von Brennstoff zu dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (an dem bestimmten Messzeitpunkt) kann dann in besonders zuverlässiger und präziser Weise in Abhängigkeit von dem ermittelten Anodenzustand und in Abhängigkeit von der ermittelten Leistungsinformation gesteuert werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes die Zufuhr von Brennstoff zu dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels aus irgendeiner beliebigen Quelle außerhalb des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems und/oder außerhalb des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels unterbunden wird. Insbesondere kann für die Ermittlung des Druckdifferenzwertes bewirkt werden, dass aus keinem der ein oder mehreren Druckbehälter des Brennstoffzellensystems Brennstoff in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels bereitgestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann bewirkt werden, dass zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels kein Brennstoff von außerhalb des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems und/oder von außerhalb des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.
Es kann somit bewirkt werden, dass die Ermittlung des Druckdifferenzwertes anhand des Gasgemisches bewirkt wird, das sich bereits in dem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems und/oder in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels befindet. Dabei können zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes die Tankventile aller Druckbehälter des Brennstoffzellensystems geschlossen werden.
Zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes können somit gleichbleibende Bedingungen für das Gasgemisch bewirkt werden. So kann der Anodenzustand in besonders präziser Weise ermittelt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes den Brennstoff-Rezirkulationsförderer des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems aktiv zu betreiben. Der Brennstoff-Rezirkulationsförderer kann dabei ausgebildet sein, Brennstoff aus der Anodenabgasleitung des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels zurück zu der Brennstoffzuleitung des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels zu fördern (insbesondere zu pumpen). Dabei kann der Brennstoff-Rezirkulationsförderer mit einer bestimmte Ziel-Drehzahl betrieben werden. Alternativ oder ergänzend kann der Brennstoff-Rezirkulationsförderer betrieben werden, um einen bestimmten Ziel-Volumenstrom von Gasgemisch durch den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels zu bewirken. Der Druckdifferenzwert kann ermittelt werden, wenn (insbesondere sobald) die Ziel-Drehzahl und/oder der Ziel-Volumenstrom erreicht ist. So kann der Anodenzustand in besonders präziser Weise ermittelt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine Startanforderung zum Starten des Brennstoffzellensystems zu detektieren. In Reaktion darauf kann dann der Brennstoff-Rezirkulationsförderer des Brennstoffzellensystems aktiviert werden. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den Druckdifferenzwert (erst dann) zu ermitteln, nachdem der Brennstoff-Rezirkulationsförderer einen Ziel-Betriebszustand, insbesondere eine Ziel-Drehzahl und/oder ein Ziel-Volumenstrom, erreicht hat. Durch das Betreiben des Brennstoff-Rezirkulationsförderers in einem bestimmten Ziel-Betriebszustand kann der Anodenzustand in besonders präziser Weise ermittelt werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, Zustandsinformation in Bezug auf den (aktuellen) Betriebszustand des Brennstoff-Rezirkulationsförderers (an dem bestimmten Messzeitpunkt) zu ermitteln. Die Zustandsinformation kann z.B. die Drehzahl und/oder das Drehmoment und/oder den bewirkten Volumenstrom des Brennstoff-Rezirkulationsförderers anzeigen. Der Anodenzustand kann dann auch in Abhängigkeit von der Zustandsinformation in Bezug auf den (aktuellen) Betriebszustand des Brennstoff-Rezirkulationsförderers ermittelt werden. Insbesondere können die zur Ermittlung des Anodenzustands verwendeten Kenndaten in Abhängigkeit von der Zustandsinformation angepasst und/oder ausgewählt werden. Beispielsweise können für unterschiedliche Betriebszustände des Brennstoff-Rezirkulationsförderers unterschiedliche Kenndaten ermittelt und/oder bereitgestellt und/oder verwendet werden. Durch die Berücksichtigung des Betriebszustands des Brennstoff-Rezirkulationsförderers kann die Genauigkeit des ermittelten Anodenzustands weiter erhöht werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die Startanforderung zum Starten des Brennstoffzellensystems an einem Detektionszeitpunkt zu detektieren. Es kann dann die abgelaufene Zeit seit dem Detektionszeitpunkt überwacht werden. Insbesondere kann von der Vorrichtung bestimmt werden, dass ein vordefinierter Beruhigungszeitraum nach dem Detektionszeitpunkt abgelaufen ist. Der Druckdifferenzwert kann dann ggf. erst in Reaktion darauf ermittelt bzw. erfasst werden. Insbesondere kann der Messzeitpunkt auf einen Zeitpunkt nach Ablauf des vordefinierten Beruhigungszeitraums nach dem Detektionszeitpunkt gelegt werden. So kann der basierend auf den Druckdifferenzwert ermittelte Anodenzustand in besonders präziser Weise ermittelt werden.
Der Beruhigungszeitraum kann dazu genutzt werden, ein oder mehrere (nach Möglichkeit alle) äußere Einflüsse auf das Brennstoffzellensystem, insbesondere auf den Brennstoffzellenstapel, zu reduzieren, insbesondere zu minimieren. Zu diesem Zweck kann die Zufuhr von Brennstoff deaktiviert werden bzw. inaktiv gehalten werden. Alternativ oder ergänzend kann bewirkt werden, dass der Brennstoff-Rezirkulationsförderer in einem Ziel-Betriebszustand (insbesondere mit einer Ziel-Drehzahl) betrieben werden. Alternativ oder ergänzend kann bewirkt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel in einem (einheitlichen und/oder homogenen) Ziel-Zustand befindet, insbesondere in Bezug auf die Temperatur. Alternativ oder ergänzend kann bewirkt werden, dass dem Brennstoffzellenstapel kein Oxidationsmittel zugeführt wird (z.B. durch Schließen eines Ventils zur Zufuhr von Oxidationsmittel und/oder durch Deaktivieren eines Oxidationsmittelförderers). Alternativ oder ergänzend kann bewirkt werden, dass ein Anodenspülventil des Brennstoffzellensystems (zum Spülen der Anode) geschlossen ist. So kann der Anodenzustand in besonders präziser Weise ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung des Anodenzustands in Bezug auf die Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (insbesondere von Wasserstoff) in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Der Anodenzustand kann insbesondere den Wert der Brennstoff-Konzentration (an einem bestimmten Messzeitpunkt) anzeigen.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Druckdifferenzwertes der Druckdifferenz (des Drucks eines Gasgemisches) über dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels. Der Druckdifferenzwert kann für einen bestimmten Messzeitpunkt ermittelt werden (insbesondere auf Basis von Messwerten von Drucksensoren erfasst).
Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln des Anodenzustands (an dem bestimmten Messzeitpunkt) in Bezug auf die Brennstoff-Konzentration von Brennstoff in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels auf Basis des Druckdifferenzwertes.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle;
3 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht;
4 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Frontansicht;
5 ein beispielhaftes Anodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels;
6a einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Druckdifferenz über dem Brennstoffzellenstapel bei Start-Up des Brennstoffzellenstapels;
6b beispielhafte Kenndaten zur Ermittlung des Anodenzustands auf Basis der Druckdifferenz über dem Brennstoffzellenstapel; und
7 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung des Anodenzustands eines Brennstoffzellenstapels.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten, präzisen und beschleunigten Ermittlung des Anodenzustands eines Brennstoffzellenstapels.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 101 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff (H₂), niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter, insbesondere Drucktank, 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über ein oder mehrere Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden.
Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung eines Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen in der Regel jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.
Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und wobei die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
3 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 102 in einer Seitenansicht. Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst Endplatten 301 zwischen denen mehrere Brennstoffzellen 101 angeordnet sind. Die Endplatten 301 können dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zusammenzuhalten bzw. zusammenzudrücken. Wie oben dargelegt, kann eine Brennstoffzelle 101 durch jeweils eine Seite von zwei benachbarten Bipolarplatten 303 gebildet werden. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 303 kann eine Elektrode-Membran-Einheit (Engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 304 angeordnet sein, die ggf. die o.g. Gasdiffusionsschicht umfasset. Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 Leitungen 302 durch die Brennstoff 211 und/oder Oxidationsmittel 212 über die Bipolarplatten 303 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann, und über die ein oder mehreren Reaktionsprodukte (wiederum über die Bipolarplatten 303) aus den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden können.
Die Zugänge zu den einzelnen Leitungen 302 befinden sich zur Reduzierung des Bauraums typischerweise nur an einer Seite eines Brennstoffzellenstapels 102. 4 zeigt einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 102 in einer Frontansicht. Insbesondere zeigt 4 die Endplatte 301 eines Brennstoffzellenstapels 102, an der sich die Zugänge für die unterschiedlichen Leitungen 302 des Brennstoffzellenstapels 102 befinden. Der Brennstoffzellenstapel 102 kann eine Brennstoffzuleitung 401 aufweisen, über die Brennstoff 211 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Oxidationsmittelzuleitung 402 aufweisen, über die Oxidationsmittel 212 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Außerdem kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Reaktionsproduktableitung 403 aufweisen, über die Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen 101 abgeführt werden können (z.B. zusammen mit überschüssigem Oxidationsmittel 212 bzw. Luft). Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Brennstoffableitung 404 aufweisen, über die nicht verbrauchter Brennstoff 211 aus den Brennstoffzellen 101 abgeführt werden kann (z.B. im Rahmen einer Anodenspülung oder im Rahmen einer Brennstoff-Rezirkulation).
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst, wie beispielhaft in 5 dargestellt, ein Anodensubsystem 500 (mit ein oder mehreren anodenseitigen Komponenten), das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem 500 kann mindestens eine (von mindestens einem Druckbehälter 110, mindestens einem Tankabsperrventil (=TAV), und ggf. mindestens einem Druckminderer) zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung 401, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung 404, mindestens einen Wasserabscheider 503 (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer 504 (= ARE bzw. ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung 502 sowie ggf. weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems 500 ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff 211 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein Kathodensubsystem (mit ein oder mehreren kathodenseitigen Komponenten). Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung 402, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung 403, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212 und/oder von Reaktionsprodukten.
Wie eingangs dargelegt, kann die Menge an Brennstoff 211, die dem Anodenraum des Brennstoffstapels 102 zugeführt wird, angepasst werden, um die von dem Brennstoffzellensystem 100 bereitgestellte elektrische Leistung anzupassen. Dabei kann der aktuelle Anodenzustand, d.h. insbesondere die aktuelle Brennstoff-Konzentration des Gasgemisches in dem Anodenraum des Brennstoffstapels 102, berücksichtigt werden, um die (aus den ein oder mehreren Druckbehältern 110) zuzuführende Menge an Brennstoff 211 in besonders präziser Weise einstellen zu können.
Das Anodensubsystem 500 kann, wie in 5 dargestellt, einen ersten Drucksensor 511 umfassen, der eingerichtet ist, einen ersten Messwert in Bezug auf den (ersten) Gas-Druck am Eingang des Brennstoffzellenstapels 102, insbesondere am Eingang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102, zu erfassen. Ferner kann das Anodensubsystem 500 einen zweiten Drucksensor 512 umfassen, der eingerichtet ist, einen zweiten Messwert in Bezug auf den (zweiten) Gas-Druck am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 102, insbesondere am Ausgang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102, zu erfassen. Der zweite Drucksensor 512 kann z.B., wie in 5 dargestellt, zwischen dem Wasserabscheider 503 und dem Brennstoff-Rezirkulationsförderer 504 angeordnet sein. So kann der Gas-Druck am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 102 in besonders präziser Weise ermittelt werden.
Durch die Brennstoff-Konzentration in dem Gasgemisch in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102 wird typischerweise die Gasdichte des Gasgemisches verändert. Luft (d.h. insbesondere Stickstoff) weist eine höhere molare Masse (ca. 14g/mol für reinen Stickstoff bzw. bis ca. 29g/mol für Luft) auf als der Brennstoff (ca. 2 g/mol für Wasserstoff). Somit kann aus der Gasdichte des Gasgemisches auf die Brennstoff-Konzentration in dem Gasgemisch geschlossen werden.
Die Druckdifferenz, die sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102 ergibt, hängt typischerweise von der Gasdichte des Gasgemisches in dem Anodenraum ab. Dabei steigt typischerweise die Druckdifferenz mit steigender Gasdichte an. Folglich kann aus der Druckdifferenz auf die Gasdichte des Gasgemisches und daraus wiederum auf die Brennstoff-Konzentration in dem Gasgemisch geschlossen werden. Zu diesem Zweck können experimentell und/oder analytisch ermittelte Kenndaten 622 (siehe 6b), insbesondere eine Kennlinie, bereitgestellt werden, die den Zusammenhang zwischen dem Druckdifferenzwert 620 der Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102 und dem Anodenzustand 621, insbesondere dem Wert der Brennstoff-Konzentration in dem Gasgemisch in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102, anzeigt.
6a zeigt beispielhafte Messsignale beim Start-Up eines Brennstoffzellensystems 100. Insbesondere zeigt 6a den zeitlichen Verlauf des ersten Gasgemisch-Drucks 611 (in Flussrichtung vor dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102), der anhand des ersten Drucksensors 511 erfasst werden kann. Ferner zeigt 6a den zeitlichen Verlauf des zweiten Gasgemisch-Drucks 612 (in Flussrichtung nach dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102), der anhand des zweiten Drucksensors 512 erfasst werden kann.
Außerdem zeigt 6a den zeitlichen Verlauf der Druckdifferenz 610, der sich aus der Differenz des ersten Gasgemisch-Drucks 611 und des zweiten Gasgemisch-Drucks 612 ergibt. Dabei zeigt 6a einen (Tiefpass-) gefilterten, zeitlichen Verlauf der Druckdifferenz 610, aus dem das Rauschen der Messsignale 611, 612 der Drucksensoren 511, 512 herausgefiltert wurde. Wie aus 6a zu entnehmen ist, schwingt sich die Druckdifferenz 610 nach einem bestimmten Zeitraum (bis zu dem Zeitpunkt 616) auf einen relativ stabilen Wert ein, wobei aus dem eingeschwungenen Wert 620 der Druckdifferenz 610 auf den Anodenzustand 621 geschlossen werden kann (wie oben dargelegt). Der Einschwingzeitraum hängt dabei typischerweise von dem Anlaufen des Brennstoff-Rezirkulationsförderers 504 ab, wie aus dem zeitlichen Verlauf der Drehzahl 614 des Brennstoff-Rezirkulationsförderers 504 zu sehen ist.
Die (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 kann eingerichtet sein, einen Startzeitpunkt 616 zu ermitteln, ab dem der Wert 620 der Druckdifferenz 610 derart stabil ist, dass der Wert 620 der Druckdifferenz 610 dazu verwendet werden kann, den Anodenzustand 621 zu ermitteln (anhand der vordefinierten Kenndaten 622). Der Startzeitpunkt 616 kann auf Basis der Drehzahl 614 des Brennstoff-Rezirkulationsförderers 504 ermittelt werden. Ferner kann ggf. ein (vordefinierter) Beruhigungszeitraum 615 berücksichtigt werden, in dem eine Stabilisierung des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen kann. Der Startzeitpunkt 616 kann z.B. 500ms bis 1s auf die Startanforderung zum Starten des Brennstoffzellensystems 100 folgen.
Der Anodenzustand 621 kann somit über die quasi stationäre Druckdifferenz 610 über dem Brennstoffzellenstapel 102 beim Start-Up des Brennstoffzellensystems 100 bestimmt werden. Zu diesem Zweck können im Start-Up kurzzeitig ein oder mehrere definierte Bedingungen eingestellt werden, die es ermöglichen, dass sich eine Druckdifferenz 610 einstellt, welche primär von der Brennstoff-Konzentration des Gasgemisches an der Anode 201 (die stationär der Gasdichte entspricht) abhängig ist. So kann aus der Druckdifferenz 610 die Gasdichte und hierüber die Brennstoff-Konzentration abgeleitet werden, auch ohne Verwendung eines Konzentrationssensors.
Im Brennstoffzellen-Start-Up kann bewirkt werden, dass der Rezirkulationsförderer 504 möglichst schnell auf eine definierte Ziel-Drehzahl und/oder Ziel-Betriebscharakteristik gebracht wird. Diese Rezirkulation bewirkt dann einen definierten Massen.- bzw. Volumenstrom durch den Brennstoffzellenstapel 102, insbesondere durch den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102. Ferner können durch die Betriebsstrategie der Rezirkulation äußere Einflüsse auf die Druckdifferenz 610 reduziert, insbesondere minimiert, werden.
Anhand der sich ergebenen Druckdifferenz 610 (relativ niedrige Druckdifferenz → relativ dünnes Medium → relativ viel Wasserstoff, M ≥ 2g/mol; relativ hohe Druckdifferenz → relativ dichtes Medium → relativ viel Luft/Stickstoff, M ≤ 14g/mol) kann der Konditionierungsbedarf für das Anodensubsystem 500 abgeleitet werden. Außerdem können die Startzeit, die maximale Leistungsfreigabe, die Verdünnungsluft und/oder die Purgerate für das gesamte Brennstoffzellensystem 100 beeinflusst werden (was ggf. einen Zeitraum von bis zu 30Sekunden in Anspruch nehmen kann). Die Bestimmung des Anodenzustandes 621 kann dabei unmittelbar nach der Startanforderung (z.B. <2s nach der Staranforderung) zum Start des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen.
Ohne die in diesem Dokument beschriebene Bestimmung des Anodenzustands 621 müsste der Start des Brennstoffzellensystems 100 verzögert werden (z.B. von ≤4s bis auf >10s) oder es müsste die Brennstoffzellenleistung bis zur passiven und/oder modellbasierten Bestimmung des Anodenzustandes (was z.B. >30s in Anspruch nehmen kann) eingeschränkt werden.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 700 zur Ermittlung des Anodenzustands 621 in Bezug auf die Brennstoff-Konzentration von Brennstoff 211 in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102 eines Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 kann wie in Zusammenhang mit den 1 bis 5 dargelegt ausgebildet sein. Das Verfahren 700 kann durch eine (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 ausgeführt werden.
Das Verfahren 700 kann durch eine Startanforderung zum Starten des Brennstoffzellensystems 100 initiiert werden. In Reaktion darauf kann ggf. der Brennstoff-Rezirkulationsförderer 504 des Brennstoffzellensystems 100 gestartet werden. Ferner kann ggf. Brennstoff 211 aus den ein oder mehreren Druckbehältern 110 des Brennstoffzellensystems 100 bereitgestellt werden (durch Öffnen der Tankventile der ein oder mehreren Druckbehälter 110), um einen bestimmten (initialen) Druck an der Anode 201 des Brennstoffzellenstapels 102 aufzubauen, und um Brennstoff 211 für die Rezirkulation bereitzustellen.
Es kann dann eine Beruhigungsphase 615 gestartet werden. Die Beruhigungsphase 615 kann z.B. gestartet werden, wenn (insbesondere sobald) der Brennstoff-Rezirkulationsförderer 504 einen bestimmten Drehzahl-Schwellenwert erreicht oder überschritten hat. In der Beruhigungsphase 615 kann die Zufuhr von neuem Brennstoff 211 aus den ein oder mehreren Druckbehältern 110 unterbunden werden (durch Schließen der Tankventile). Ferner kann ggf. das Anodenspülventil geschlossen werden. Die Beruhigungsphase 615 kann dazu genutzt werden, das Brennstoffzellensystem 100 in einen definierten, eingeschwungenen, Betriebszustand zu überführen (z.B. mit einer bestimmten Ziel-Drehzahl des Brennstoff-Rezirkulationsförderers 504).
Das Verfahren 700 umfasst das Ermitteln 701 eines Druckdifferenzwertes 620 der Druckdifferenz 610 über dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102. Als Druckdifferenz 610 kann insbesondere die Differenz zwischen einem ersten Druck des Gasgemisches an dem Eingang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102 und einem zweiten Druck des Gasgemisches an dem Ausgang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102 ermittelt werden. Zu diesem Zweck können Drucksensoren 511, 512 am Eingang und am Ausgang des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102 verwendet werden. Der Druckdifferenzwert 620 kann ermittelt werden, wenn (insbesondere sobald) der Brennstoff-Rezirkulationsförderer 504 eine bestimmte Ziel-Drehzahl aufweist.
Der Druckdifferenzwert 620 kann über eine bestimmte Detektionsphase hinweg wiederholt ermittelt werden. Dabei kann sich die Detektionsphase direkt an die Beruhigungsphase 615 anschließen. Während der Detektionsphase kann wiederholt der Druckdifferenzwert 620 ermittelt werden, und es kann überprüft werden, ob sich der Druckdifferenzwert 620 auf einen gleichbleibenden Wert einpendelt. Dabei kann ggf. auch eine Tiefpass-Filterung der zeitlichen Sequenz von Druckdifferenzwerten 620 durchgeführt werden, um den konvergierten, gleichbleibenden Druckdifferenzwert zu ermitteln. Dieser gleichbleibende Druckdifferenzwert (der z.B. an dem Zeitpunkt 616 in 6a erkannt wird) kann dann als Druckdifferenzwert 620 zur Ermittlung des Anodenzustands verwendet werden.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 700 das Ermitteln 702 des Anodenzustands 621 in Bezug auf die Brennstoff-Konzentration von Brennstoff 211 in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102 auf Basis des ermittelten Druckdifferenzwertes 620. Dabei können im Vorfeld ermittelte Kenndaten 622 verwendet werden, die es ermöglichen, den ermittelten Druckdifferenzwert 620 in einen bestimmte Anodenzustand 621, insbesondere in einen bestimmten Wert der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff 211 in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102, zu überführen (z.B. umzurechnen).
Der ermittelte Anodenzustand 621, insbesondere der ermittelte Wert der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff 211 in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102, kann dann dazu verwendet werden, die Zufuhr von Brennstoff 211 (aus den ein oder mehreren Druckbehältern 110) zu dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 102 zu steuern, um die von dem Brennstoffzellensystem 100 erzeugte elektrische Leistung zu steuern. Insbesondere kann eine gezielte Konditionierung des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 102 auf Basis des ermittelten Wertes der Brennstoff-Konzentration durchgeführt werden.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann der Anodenzustand 621 der Anode 201 eines Brennstoffzellenstapels 102 in effizienter, präziser und schneller Weise ermittelt werden. So kann ein beschleunigter Start-Up eines Brennstoffzellensystems 100 ermöglicht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
101: Brennstoffzelle
102: Brennstoffzellenstapel
103: (Steuer-) Vorrichtung
110: Druckbehälter
112: Brennstoffleitung
201: Anode
202: Kathode
203: Separator
204: Kontaktteil (Elektrode)
205: Oxidationsmittelförderer
211: Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)
212: Oxidationsmittel (insbesondere Luft)
301: Endplatte
302: Leitung
303: Bipolarplatte
304: Elektrode-Membran-Einheit
401: Brennstoffzuleitung
402: Oxidationsmittelzuleitung
403: Reaktionsproduktableitung
404: Anodenabgasleitung
500: Anodensubsystem
502: Rezirkulationsleitung
503: Wasserabscheider
504: Brennstoff-Rezirkulationsförderer
511: Drucksensor (vor dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels)
512: Drucksensor (hinter dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels)
610: Druckdifferenz
611: Gasgemisch-Druck (vor dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels)
612: Gasgemisch-Druck (hinter dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels)
614: Drehzahl (Brennstoff-Rezirkulationsförderer)
615: Beruhigungsphase
616: Startzeitpunkt (zur Ermittlung des Anodenzustands)
620: Druckdifferenzwert
621: Anodenzustand (Wert der Brennstoff-Konzentration)
622: Kenndaten (Kennlinie)
700: Verfahren zur Ermittlung des Anodenzustands
701-702: Verfahrensschritte

Claims

Vorrichtung (103) zur Ermittlung eines Anodenzustands (621) bezüglich einer Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (211) in einem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels (102) eines Brennstoffzellensystems (100); wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - einen Druckdifferenzwert (620) einer Druckdifferenz (610) über dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) zu ermitteln; und - den Anodenzustand (621) bezüglich der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (211) in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) auf Basis des Druckdifferenzwertes (620) zu ermitteln.
Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 1, wobei - die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, den Anodenzustand (621) anhand von Kenndaten (622) aus dem ermittelten Druckdifferenzwert (620) zu ermitteln; - die Kenndaten (622) für eine Vielzahl von unterschiedlichen Druckdifferenzwerten (620) der Druckdifferenz (610) jeweils einen Wert der Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (211) in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) als Anodenzustand (621) anzeigen; und - die Kenndaten (622) insbesondere im Vorfeld experimentell und/oder analytisch ermittelt wurden.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - einen ersten Druck-Messwert (611) anhand eines ersten Drucksensors (511) zu erfassen, der in einer Brennstoffzuleitung (401) des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels (102) angeordnet ist; - einen zweiten Druck-Messwert (612) anhand eines zweiten Drucksensors (512) zu erfassen, der in einer Anodenabgasleitung (404) oder flussabwärts von der Anodenabgasleitung (404) des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels (102) angeordnet ist; und - den Druckdifferenzwert (620) auf Basis des ersten Druck-Messwertes (611) und auf Basis des zweiten Druck-Messwertes (612), insbesondere auf Basis einer Differenz zwischen dem ersten Druck-Messwert (611) und dem zweiten Druck-Messwert (612), zu ermitteln.
Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 3, wobei der zweiten Drucksensor (512) zwischen einem Wasserabscheider (503) und einem Brennstoff-Rezirkulationsförderer (504) des Brennstoffzellensystems (100) angeordnet ist.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, zu bewirken, dass - zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes (620) eine Zufuhr von Brennstoff (211) zu dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) aus irgendeiner beliebigen Quelle außerhalb eines Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere aus allen ein oder mehreren Druckbehältern (110) des Brennstoffzellensystems (100), unterbunden wird; und/oder - zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes (620) dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) kein Brennstoff (211) von außerhalb des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems (100) zugeführt wird.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, zur Ermittlung des Druckdifferenzwertes (620) einen Brennstoff-Rezirkulationsförderer (504) des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems (100), der ausgebildet ist, Brennstoff (211) aus einer Anodenabgasleitung (404) des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels (102) zurück zu einer Brennstoffzuleitung (401) des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels (102) zu fördern, aktiv zu betreiben.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - eine Startanforderung zum Starten des Brennstoffzellensystems (100) zu detektieren; - in Reaktion darauf einen Brennstoff-Rezirkulationsförderer (504) des Brennstoffzellensystems (100) zu aktivieren; und - den Druckdifferenzwert (620) zu ermitteln, nachdem der Brennstoff-Rezirkulationsförderer (504) einen Ziel-Betriebszustand, insbesondere eine Ziel-Drehzahl, erreicht hat.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - Zustandsinformation in Bezug auf einen Betriebszustand eines Brennstoff-Rezirkulationsförderers (504) des Brennstoffzellensystems (100) zu ermitteln; wobei die Zustandsinformation insbesondere umfasst, - eine Drehzahl (614) des Brennstoff-Rezirkulationsförderers (504); und/oder - ein von dem Brennstoff-Rezirkulationsförderer (504) bewirkter Volumenstrom eines Gasgemisches durch den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102); und - den Anodenzustand (621) auch auf Basis der Zustandsinformation zu ermitteln.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - an einem Detektionszeitpunkt eine Startanforderung zum Starten des Brennstoffzellensystems (100) zu detektieren; - zu bestimmen, dass ein vordefinierter Beruhigungszeitraum (615) nach dem Detektionszeitpunkt abgelaufen ist; und - den Druckdifferenzwert (620) in Reaktion darauf zu ermitteln.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - Leistungsinformation in Bezug auf eine zu erbringende elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems (100) zu ermitteln; und - eine Zufuhr von Brennstoff (211) zu dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) in Abhängigkeit von dem ermittelten Anodenzustand (621) und in Abhängigkeit von der ermittelten Leistungsinformation zu steuern.
Verfahren (700) zur Ermittlung eines Anodenzustands (621) in Bezug auf eine Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (211) in einem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels (102) eines Brennstoffzellensystems (100); wobei das Verfahren (700) umfasst, - Ermitteln (701) eines Druckdifferenzwertes (620) einer Druckdifferenz (610) über dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102); und - Ermitteln (702) des Anodenzustands (621) in Bezug auf die Brennstoff-Konzentration von Brennstoff (211) in dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels (102) auf Basis des Druckdifferenzwertes (620).