DE102022202452A1

DE102022202452A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Massenstroms

Info

Publication number: DE102022202452A1
Application number: DE102022202452.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schlingmeier; Bilge Manga; Benjamin Henke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Massenstroms (dm/dt) in einem Anodensystem (20) eines Brennstoffzellensystems (100) an einer Drosselstelle für den Massenstrom (dm/dt),aufweisend:- Erfassen eines Druckes (p1) des Massenstroms (dm/dt) vor der Drosselstelle,- Erfassen eines Druckes (p2) des Massenstroms (dm/dt) nach der Drosselstelle,- Bestimmen des Massenstroms (dm/dt) durch die Drosselstelle in Abhängigkeit von den erfassten Drücken (p1, p2) vor und nach der Drosselstelle, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druckabfall (p2/pl) an der Drosselstelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Massenstroms in einem Anodensystem eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine korrespondierende Steuereinheit zum Durchführen eines entsprechenden Verfahrens. Zudem betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Steuereinheit.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellensystem muss, um Strom erzeugen zu können, im Wesentlichen mit drei Medien versorgt werden:

- Brennstoff, bspw. umfassend Wasserstoff,
- Kühlmittel, und
- Luft, bspw. umfassend Sauerstoff.

Dabei ist die genaue Dosierung der Versorgungsmedien entscheidend für einen effizienten und sicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems. Um diese Dosierung zu optimieren und die Grenzwerte des sicheren Betriebs einzuhalten, müssen die Stoffströme im System bekannt sein, insbesondre bei der Luftversorgung zur Sicherung einer ausreichenden Wasserstoffverdünnung im Falle eines Wasserstoffübertritts vom Anodensubsystem zum Kathodensubsystem.
Für die Messung der Wasserstoffkonzentration gibt es zum einen Sensoren. Diese Sensoren sind zum einen kostenintensiv und zum anderen empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Diese Sensoren benötigen zumeist redundante Signale zur Plausibilisierung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zum Ermitteln eines Massenstroms in einem Anodensystem eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Fahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruches. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Erfindung stellt bereit: ein Verfahren zum Ermitteln eines Massenstroms in einem Anodensystem eines Brennstoffzellensystems, welches vorzugsweise an einer Drosselstelle für den Massenstrom durchgeführt wird,
aufweisend:

- Erfassen eines Druckes des Massenstroms vor der Drosselstelle,
- Erfassen eines Druckes des Massenstroms nach der Drosselstelle,
- Bestimmen, insbesondere Berechnen, des Massenstroms durch die Drosselstelle in Abhängigkeit von den erfassten Drücken vor und nach der Drosselstelle, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druckabfall an der bzw. verursacht durch die Drosselstelle, vorzugsweise mithilfe einer Drosselgleichung.

Ein Brennstoffzellensystem im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst mindestens ein Brennstoffzellenstack (oder kurz genannt Stack), ein Kathodensystem zum Versorgen des mindestens einen Brennstoffzellenstacks mit einem sauerstoffhaltigen Reaktanten, insbesondere in Form einer verdichteten Luft, wie z. B. einfacher Umgebungsluft, ein Anodensystem zum Versorgen des mindestens einen Brennstoffzellenstacks mit einem brennstoffhaltigen Reaktanten, insbesondere einem wasserstoffhaltigen Reaktanten, ein Kühlmittelsystem zum Temperieren des mindestens einen Brennstoffzellenstacks und ein elektrisches System zum Abführen der elektrischen Energie an einen Verbraucher, wie z. B. einen Elektromotor eines Fahrzeuges.
Ein Kathodensystem im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann sämtliche Komponenten umfassen, die zum Versorgen des mindestens einen Brennstoffzellenstacks mit dem sauerstoffhaltigen Reaktanten, insbesondere in Form einer verdichteten Luft, wie z. B. einfacher Umgebungsluft, und zum Abführen der unverbrauchten, zumeist sauerstoffverarmten, Abluft aus dem System dienen können. Die Abluft kann ebenfalls als Abgas bezeichnet werden. Die Abluft kann zumindest zum Teil gasförmig und/oder zumindest zum Teil fluidförmig sein. Die Abluft kann Wassertröpfchen und/oder Wasserdampf enthalten.
Das Kathodensystem kann eine Zuluftleitung zum Stack und eine Abluftleitung vom Stack aufweisen. In der Zuluftleitung kann eine Gasfördermaschine bzw. ein Verdichter vorgesehen sein, um die Luft aus der Umgebung anzusaugen und in Form einer Zuluft an den Stack bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks kann eine Abluft aus dem System wieder an die Umgebung abgelassen werden. In der Abluftleitung kann eine Turbine vorgesehen sein, um die kinetische Energie der Abluft zu nutzen, bspw. für den Verdichter.
Das Anodensystem kann eine Purge- und/oder Drainleitung aufweisen. Die Purge- und/oder Drainleitung kann als eine gemeinsame Leitung zum Durchführen eines Purge- und/oder Drain-Vorganges ausgeführt sein. Das Anodensystem kann ein gemeinsames Purge- und/oder Drain-Ventil aufweisen. Es ist aber auch denkbar, dass die Purge- und/oder Drainleitung eine separat ausgebildete Purgeleitung und eine separat ausgebildete Drainleitung aufweisen kann. Ebenfalls ist es denkbar, dass ein separates Purge-Ventil und ein separates Drain-Ventil vorgesehen sein können.
Purge- und/oder Drain-Vorgänge dienen zur Reinigung des brennstoffhaltigen Reaktanten in der Anode von Stickstoffanreicherungen und zum Ablassen von angesammeltem Produktwasser aus der Anode der Brennstoffzelle. Zumeist wird ein Purge- und/oder Drain-Gasgemisch in eine Abluftleitung des Kathodensystems abgelassen, durch die Abluft verdünnt und mit der Abluft aus dem System abgeführt. Dabei kann es wichtig sein, gefährliche Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentrationen rechtzeitig zu erkennen, um die ausreichende Luftversorgung zu ermöglichen, bspw. durch eine Erhöhung der Verdichterdrehzahl.
Die Erfindung nutzt eine Drosselgleichung, um einen Massenstrom durch eine Drosselstelle, vorzugsweise einen Purge-und/oder Drain-Massenstrom durch ein Purge- und/oder Drain-Ventil, zu bestimmen, insbesondere zu berechnen. Vorteilhafterweise kann die Erfindung ermöglichen, aus dem berechneten Massenstrom eines Purge- und/oder Drain-Gasgemisches, eine Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration abzuschätzen, vorzugsweise ohne eine Nutzung eines Konzentrationssensors. Dieser Konzentrationsschätzwert kann als Ergänzung/Redundanz oder sogar als Ersatz für einen Konzentrationssensor dienen. Zum Abschätzen der Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration kann der Abluftmassenstrom, bspw. durch eine Turbine in einer Abluftleitung eines Kathodensystems, berücksichtigt werden, der vorteilhafterweise ebenfalls mithilfe einer Drosselgleichung ermittelt werden kann.
Als Drosselstellen im Sinne der Erfindung können zum einen Verengungen in den Leitungen verstanden werden. Ferner können als Drosselstellen im Sinne der Erfindung Ventile, wie z. B. Absperrventile, Bypassventile und/oder Druckregler, verstanden werden. Weiterhin kann als eine Drosselstelle im Sinne der Erfindung die Turbine verstanden werden.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Massenströme, wie z. B. ein Purge- und/oder Drain-Massenstrom oder ein Abluftmassenstrom, mithilfe von kostengünstigeren, robusten und zuverlässigen Drucksensoren ermittelt werden. Diese Massenströme können zur Steuerung und/oder Regelung im Brennstoffzellensystem, insbesondere im Kathodensystem und/oder im Anodensystem, bspw. zum Einstellen der Verdichterdrehzahl, und/oder zu Diagnose- und/oder Plausibilisierungszwecken, bspw. von Massenstromsensoren und/oder Brennstoffkonzentrationssensoren, verwendet werden. Der Kern der Erfindung liegt in der Ermittlung des Massenstromes durch die Drosselstelle, wie z. B. durch das Purge- und/oder Drain-Ventil und ggf. die Turbine, basierend auf der Drosselcharakteristik/Drosselgleichung für die Drosselstelle. Hierzu können auch mehrere Sensoren (für Drücke und/oder Temperaturen) verwendet werden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können virtuelle oder mit anderen Worten indirekte Massenstromsensoren für ein Purge- und/oder Drain-Massenstrom und ggf. ein Abluftmassenstrom bereitgestellt werden. Die bestimmten Massenströme können zur Schätzung der Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration in der Abluft dienen und/oder als ein Schätzsignal für die Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentrationssensoren ausgegeben werden.
Bei der Steuerung/Regelung können solche Schätzsignale zur Verbesserung von Betriebsstrategien verwendet werden. Solche Schätzsignale können lokale Ist-Signale an Stellen im System bereitstellen, wo es keinen Sensor gibt, weil diese Stellen entweder schwer zugänglich sind und/oder dort ungünstige Bedingungen (bspw. zu feucht) zum Betreiben von Massenstromsensoren herrschen.
Bei der Diagnose/Plausibilisierung können solche Schätzsignale zuverlässige Werte liefern, die sehr nahe an tatsächlichen physikalischen Werten liegen. Solche Schätzsignale können redundant zu einem anderen Sensor verwendet werden, der aufgrund der eigenen Unzulänglichkeit eine Redundanz/Plausibilisierung benötigt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass beim Bestimmen des Massenstroms mindestens ein geometrischer Parameter, insbesondere eine geometrische Querschnittsfläche der Drosselstelle berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann die Geometrie der Drosselstelle berücksichtigt werden, um die Genauigkeit bei dem Bestimmen des Massenstroms zu erhöhen, insbesondere beim Anwenden der Drosselgleichung.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass beim Bestimmen des Massenstroms eine Temperatur des Massenstroms vor der Drosselstelle berücksichtigt wird. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei dem Bestimmen des Massenstroms erhöht werden, insbesondere beim Anwenden der Drosselgleichung.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zum Ermitteln eines Purge- und/oder Drain-Massenstroms bei einem Übergang aus dem Anodensystem in ein Kathodensystem des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei einem Durchführen eines Purge- und/oder Drain-Vorganges des Anodensystems, durchgeführt wird. Aus dem berechneten Massenstrom eines Purge- und/oder Drain-Gasgemisches kann auf eine vorteilhafte Weise eine Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration bestimmt, insbesondere berechnet werden, vorzugsweise ohne eine Nutzung eines Konzentrationssensors. In Kenntnis der Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration können mehrere Vorteile bei der Steuerung und/oder Regelung im Brennstoffzellensystem, insbesondere im Kathodensystem, vorzugsweise zum Einstellen der Verdichterdrehzahl, sowie im Anodensystem vorzugsweise zum gezielten und/oder günstigen Einleiten eines Purge- und/oder Drain-Vorganges, erreicht werden. Vorteilhafterweise kann die Verdichterdrehzahl an die Arbeitspunkte des Systems angepasst werden. Beispielsweise kann zur Verdünnung von Wasserstoff in der Abluft die Verdichterdrehzahl erhöht werden, um einen ausreichenden Abluftmassenstrom zu erreichen. Auf diese Weise kann die elektrische Leistung zum Betreiben des Verdichters an die Arbeitspunkte des Systems angepasst werden. Dadurch kann das Kathodensystem energieoptimiert betrieben werden. Das Anodensystem kann mithilfe der Erfindung effizient und sicher betrieben werden.
Zudem kann vorgesehen sein, dass ein Purge- und/oder Drain-Ventil als eine Drosselstelle für den Massenstrom betrachtet wird. Dabei wird erkannt, dass ein Purge- und/oder Drain-Ventil als eine Drosselstelle beim Spülen und/oder Reinigen des Anodensystems agiert. Auf diese Weise kann die Drosselgleichung an dem Purge- und/oder Drain-Ventil als die Drosselstelle herangezogen werden, um den Purge- und/oder Drain-Massenstrom zu bestimmen, insbesondere zu berechnen. Der Purge- und/oder Drain-Massenstrom kann in die Abluft aus dem Kathodensystem abgelassen werden, vorzugsweise nach der Turbine in der Abluftleitung aus dem Kathodensystem. Auf diese Weise kann die Abluft aus dem Kathodensystem dazu genutzt werden, um das Drain- und/oder Purge-Gasgemisch aus dem Anodensystem zu verdünnen. In Kenntnis des Massenstroms durch das Purge- und/oder Drain-Ventil kann auf eine vorteilhafte Weise die Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration in der Abluft bestimmt, insbesondere berechnet, werden. Vorteilhafterweise kann in Kenntnis der Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration bewertet werden, ob der Abluftmassenstrom ausreichend ist, um ein Drain- und/oder Purgegas aus dem Anodensystem zu verdünnen.
Außerdem kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

- Ermitteln eines Abluftmassenstroms in einer Abluftleitung eines Kathodensystems des Brennstoffzellensystems.

Ferner ist es denkbar, dass der Abluftmassenstrom in der Abluftleitung des Kathodensystems des Brennstoffzellensystems durch das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, ermittelt wird, vorzugsweise mithilfe einer Drosselgleichung, insbesondere durch Bestimmen bzw. Berechnen des Abluftmassenstroms durch eine passende Drosselstelle für den Abluftmassenstrom in Abhängigkeit von den erfassten Drücken vor und nach der Drosselstelle für den Abluftmassenstrom, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druckabfall an der Drosselstelle für den Abluftmassenstrom. Auf diese Weise können relativ genaue Ergebnisse bei dem Bestimmen des Abluftmassenstroms erzielt werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass eine Turbine in der Abluftleitung des Kathodensystems des Brennstoffzellensystems als eine Drosselstelle für den Abluftmassenstrom betrachtet wird. Dabei wird erkannt, dass die Turbine als eine Drosselstelle bei der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem agiert. Auf diese Weise kann die Drosselgleichung an der Turbine als die Drosselstelle herangezogen werden, um den Massenstrom durch die Turbine zu bestimmen. Nach der Turbine kann die Abluft dazu genutzt werden, um ein Drain- und/oder Purgegas aus dem Anodensystem zu verdünnen. In Kenntnis des Massenstroms durch die Turbine kann auf eine vorteilhafte Weise bewertet werden, ob der Abluftmassenstrom ausreichend ist, um ein Drain- und/oder Purge-Massenstrom aus dem Anodensystem zu verdünnen.
Des Weiteren kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

- Bestimmen einer Konzentration eines brennstoffhaltigen Reaktanten in einer Abluft aus dem Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit von dem bestimmten Massenstrom durch die Drosselstelle in dem Anodensystem und von einem ermittelten Abluftmassenstrom in der Abluftleitung des Kathodensystems des Brennstoffzellensystems.

Vorteilhafterweise kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zum Steuern und/oder Regeln eines Betriebs des Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Betriebs des Kathodensystems und/oder eines Anodensystems des Brennstoffzellensystems, verwendet werden.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zur Diagnose und/oder Plausibilisierung eines Brennstoffkonzentrationssensors, insbesondere in der Form eines Wasserstoffkonzentrationssensors, in einer Abluftleitung eines Kathodensystems des Brennstoffzellensystems verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: eine Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Steuereinheit, welche wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem, und
2 einen beispielhaften Verlauf eines geschätzten Massenstroms im Vergleich zu einem gemessenen Massenstrom.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
Die 1 und 2 dienen zum Erklären eines Verfahrens zum Ermitteln eines Massenstroms dm/dt in einem Anodensystem 20 eines Brennstoffzellensystems, welches vorzugsweise an einer Drosselstelle, bspw. an einem Purge-und/oder Drain-Ventil PV, DV für den Massenstrom dm/dt durchgeführt wird. Das Verfahren kann dabei folgende Schritte/Aktionen aufweisen:

- Erfassen eines Druckes p1 des Massenstroms dm/dt vor der Drosselstelle,
- Erfassen eines Druckes p2 des Massenstroms dm/dt nach der Drosselstelle,
- Bestimmen, insbesondere Berechnen, des Massenstroms dm/dt durch die Drosselstelle in Abhängigkeit von den erfassten Drücken p1, p2 vor und nach der Drosselstelle, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druckabfall p2/pl an der bzw. verursacht durch die Drosselstelle, vorzugsweise mithilfe einer Drosselgleichung.

Wie es die 1 andeutet, kann ein Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein Brennstoffzellenstack 101 (oder kurz genannt Stack 101) aufweisen.
Weiterhin zeigt die 1, dass das Brennstoffzellensystem 100 ein Kathodensystem 10 zum Versorgen des Brennstoffzellenstacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Reaktanten, insbesondere in Form einer verdichteten Luft, wie z. B. einfacher Umgebungsluft, aufweisen kann.
Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem 100 ein Anodensystem 20 zum Versorgen des Brennstoffzellenstacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Reaktanten, insbesondere einem wasserstoffhaltigen Reaktanten, bspw. Wasserstoff, aufweisen. Das Anodensystem 20 im Ganzen ist lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt.
Zudem kann das Brennstoffzellensystem 100 ein Kühlmittelsystem zum Temperieren des Brennstoffzellenstacks 101 und ein elektrisches System zum Abführen der erzeugten elektrischen Energie aufweisen. Das Kühlmittelsystem und das elektrische System sind lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt.
Wie es die 1 andeutet, kann das Kathodensystem 10 mehrere Komponenten umfassen, die zum Versorgen des Brennstoffzellenstacks 101 mit einer Zuluft L1 und zum Abführen der unverbrauchten, zumeist sauerstoffverarmten, Abluft L2 aus einer Kathode K des Brennstoffzellenstacks 101 dienen können. Die Abluft L2 kann dabei gasförmig sein und/oder Wassertröpfchen und/oder Wasserdampf enthalten.
Wie es die 1 zeigt, kann das Kathodensystem 10 eine Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und eine Abluftleitung 12 vom Stack 101 aufweisen.
In der Zuluftleitung 11 kann ein Verdichter V vorgesehen sein, um die Luft aus der Umgebung anzusaugen und in Form einer Zuluft L1 an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 kann eine Abluft L2 aus dem System 100 wieder an die Umgebung abgelassen werden. In der Abluftleitung 12 kann eine Turbine T vorgesehen sein, um die kinetische Energie der Abluft L2 zu nutzen, bspw. zum Antreiben des Verdichters V.
Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil 14 vorgesehen sein.
Das Anodensystem 20 kann eine Purge- und/oder Drainleitung PL, DL aufweisen. Die Purge- und/oder Drainleitung PL, DL kann als eine gemeinsame Leitung zum Durchführen eines Purge- und/oder Drain-Vorganges ausgeführt sein. Es ist aber auch denkbar, dass die Purge- und/oder Drainleitung PL, DL eine separat ausgebildete Purge-Leitung PL und eine separat ausgebildete Drain-Leitung DL aufweisen kann. Die Purge- und/oder Drainleitung PL, DL kann jeweils ein korrespondierendes Purge-Ventil PV und ein Drain-Ventil DV aufweisen. Die Purge- und/oder Drainleitung PL, DL kann aber auch ein gemeinsames Purge- und/oder Drain-Ventil PV, DV aufweisen.
Purge- und/oder Drain-Vorgänge dienen zur Reinigung des brennstoffhaltigen Reaktanten in einer Anode A des Brennstoffzellenstacks 101, bspw. von Stickstoffanreicherungen, und zum Ablassen von angesammeltem Produktwasser in der Anode A des Brennstoffzellenstacks 101. Wie es die 1 andeutet, wird ein Purge- und/oder Drain-Gasgemisch in die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 abgelassen, durch die Abluft L2 verdünnt und mit der Abluft L2 aus dem System 100 abgeführt. Dabei kann es wichtig sein, gefährliche Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentrationen rechtzeitig zu erkennen, um die ausreichende Luftversorgung zu ermöglichen, bspw. durch eine Erhöhung der Verdichterdrehzahl.
Im Rahmen des Verfahrens wird eine Drosselgleichung genutzt, um einen Massenstrom dm/dt durch eine Drosselstelle, vorzugsweise einen Purge- und/oder Drain-Massenstrom dmPD/dt durch ein Purge- und/oder Drain-Ventil PV, DV, zu bestimmen, insbesondere zu berechnen. Aus dem berechneten Purge-und/oder Drain-Massenstrom dmPD/dt kann auf eine vorteilhafte Weise eine Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration xH2 berechnet werden, vorzugsweise ohne eine Nutzung eines extra hierfür ausgebildeten Konzentrationssensors. Ein Brennstoffkonzentrationssensor S ist schematisch in der 1 angedeutet.
Die berechnete Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration xH2 kann als Ergänzung/Redundanz oder sogar als Ersatz für einen Konzentrationssensor dienen. Zum Abschätzen der Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration xH2 kann zudem der Abluftmassenstrom dmL2/dt, bspw. durch die Turbine T in der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10, berücksichtigt werden, der vorteilhafterweise ebenfalls mithilfe einer Drosselgleichung ermittelt werden kann.
Als Drosselstellen im Sinne der Erfindung können sämtliche Verengungen in den Leitungen, Ventile oder Turbinen verstanden werden.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Massenströme im Anodensystem 20, wie z. B. der Purge-und/oder Drain-Massenstrom dmPD/dt und, wenn erforderlich im Kathodensystem 10, wie z. B. der Abluftmassenstrom dmL2/dt, mithilfe von kostengünstigeren, robusten und zuverlässigen Drucksensoren p1, p2 ermittelt werden.
Die so bestimmten Massenströme können zur Steuerung und/oder Regelung im Brennstoffzellensystem 100, insbesondere im Kathodensystem 10, bspw. zum Einstellen einer geeigneten Verdichterdrehzahl, und im Anodensystem 20, bspw. zum geplanten Einleiten eines Purge- und/oder Drain-Vorganges, genutzt werden. Die so bestimmten Massenströme können ferner zu Diagnose- und/oder Plausibilisierungszwecken, bspw. von Massenstromsensoren und/oder von Brennstoffkonzentrationssensoren, verwendet werden.
Der Kern der Erfindung liegt in der Ermittlung des Massenstromes dm/dt durch die Drosselstelle, wie z. B. durch das Purge- und/oder Drain-Ventil PV, DV und/oder die Turbine T, basierend auf der Drosselcharakteristik/Drosselgleichung: $d m / d t = \frac{C_{d} A p_{1}}{\sqrt{R T_{1}}} {(\frac{p_{2}}{p_{1}})}^{\frac{1}{γ}} {\frac{2 γ}{γ - 1} [1 - {(\frac{p_{2}}{p_{1}})}^{\frac{γ - 1}{γ}}]}^{\frac{1}{2}}, \frac{p_{2}}{p_{1}} > {(\frac{2}{γ + 1})}^{\frac{γ}{γ - 1}};$
$d m / d t = \frac{C_{d} A p_{1}}{\sqrt{R t_{1}}} γ^{\frac{1}{2}} {(\frac{2}{γ + 1})}^{\frac{γ + 1}{2 (γ - 1)}}, \frac{p_{2}}{p_{1}} \leq {(\frac{2}{γ + 1})}^{\frac{γ}{γ - 1}} .$
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit virtuelle oder mit anderen Worten indirekte Massenstromsensoren für ein Purge- und/oder Drain-Massenstrom dmPD/dt und ggf. ein Abluftmassenstrom dmL2/dt bereitgestellt werden, die geschätzte bzw. berechnete Massenstromwerte ausgeben.
Die in der Drosselgleichung verwendeten Größen sind der Massenstrom dm/dt durch die Drosselstelle, die geometrische Querschnittsfläche A, der effektive Flächenfaktor Cd, der Druck p1 und die Temperatur T1 vor der Drosselstelle, der Druck p2 nach der Drosselstelle, die spezifische Gaskonstante R und der Isentropenexponent γ.
Bei einem separaten Purge-Ventil PV und einem separaten Drain-Ventil DV gilt: $dmPD/dt = dmP/dt + dmD/dt .$
Die bestimmten Massenströme können auf eine einfache Weise zur Schätzung der Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration xH2 in der Abluft L2 genutzt werden. Auch können die bestimmten Massenströme als ein Schätzsignal für Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentrationssensoren ausgegeben werden.
Die molare Konzentration xH2 entspricht bei idealen Gasen der volumetrischen Konzentration. Deshalb kann die volumetrische Konzentration im Abgas über nachfolgende Formel berechnet werden. Sie ergibt sich aus dem Massenstrom vor der Mischstelle dmL2/dt, dem aufsummierten Massenstrom durch alle Purge/Drain-Ventile dmPD/dt sowie der molaren Masse von Wasserstoff M_H2 und der molaren Masse von feuchter Luft M_L2: $x H 2 = \frac{_{n_{H 2}}^{•}}{_{n_{L 2}}^{•}} = \frac{\frac{d m P D / d t}{M_{H 2}}}{\frac{d m P D / d t}{M_{H 2}} + \frac{d m L 2 / d t}{M_{L 2}}} .$
Vorteilhafterweise kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, zum Ermitteln eines Abluftmassenstroms in einer Abluftleitung eines Kathodensystems des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Dabei kann die Turbine als eine Drosselstelle betrachtet wird.
Der Abluftmassenstrom hat eine besondere Bedeutung im Brennstoffzellensystem 100, denn er dient zur Verdünnung des unverbrauchten Wasserstoffs im System 100, der über das Abgasrohr ausgelassen wird. Steigt die Konzentration im Abgasgemisch über 4%vol entsteht ein zündfähiges Gemisch und es besteht Explosionsgefahr. Daher ist die genaue Kenntnis des Abluftmassenstroms dmL2/dt speziell für Diagnosefunktionen wichtig, damit eine kritische Grenze der Konzentration nicht überschritten wird.
Da direkte Wasserstoff- bzw. Brennstoffkonzentrationssensoren durch das Produktwasser des Brennstoffzellenstacks an Messgenauigkeit verlieren können oder sogar beschädigt werden können, können sie nicht optimal zum Vermessen der Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration xH2 in der Abluft L2 genutzt werden.
Mithilfe der Erfindung kann Brennstoff- bzw. Wasserstoffkonzentration xH2relativ genau geschätzt, insbesondere berechnet, werden, wie es die 2 mithilfe von Schätzungen (xH2) und Messungen (Referenz) andeutet.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Massenstroms (dm/dt) in einem Anodensystem (20) eines Brennstoffzellensystems (100) an mindestens einer Drosselstelle für den Massenstrom (dm/dt), aufweisend: - Erfassen eines Druckes (p1) des Massenstroms (dm/dt) vor der Drosselstelle, - Erfassen eines Druckes (p2) des Massenstroms (dm/dt) nach der Drosselstelle, - Bestimmen des Massenstroms (dm/dt) durch die Drosselstelle in Abhängigkeit von den erfassten Drücken (p1, p2) vor und nach der Drosselstelle, insbesondere in Abhängigkeit von einem Druckabfall (p2/p1) an der Drosselstelle.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bestimmen des Massenstroms (dm/dt) mindestens ein geometrischer Parameter, insbesondere eine geometrische Querschnittsfläche (A), der Drosselstelle berücksichtigt wird, und/oder dass beim Bestimmen des Massenstroms (dm/dt) eine Temperatur (T1) des Massenstroms (dm/dt) vor der Drosselstelle berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Ermitteln eines Purge- und/oder Drain-Massenstroms (dmPD/dt) bei einem Übergang aus dem Anodensystem (20) in ein Kathodensystem (10) des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere bei einem Durchführen eines Purge- und/oder Drain-Vorganges des Anodensystems (20), durchgeführt wird, und/oder dass ein Purge- und/oder Drain-Ventil (PV, DV) als eine Drosselstelle für den Massenstrom (dm/dt) betrachtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: - Ermitteln eines Abluftmassenstroms (dmL2/dt) in einer Abluftleitung (12) eines Kathodensystems (10) des Brennstoffzellensystems (100).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftmassenstrom (dmL2/dt) in der Abluftleitung (12) des Kathodensystems (10) des Brennstoffzellensystems (100) durch das Verfahren nach Anspruch 1 an einer Drosselstelle für den Abluftmassenstrom (dmL2/dt) ermittelt wird, und/oder dass eine Turbine (T) in der Abluftleitung (12) des Kathodensystems (10) des Brennstoffzellensystems (100) als eine Drosselstelle für den Abluftmassenstrom (dmL2/dt) betrachtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: - Bestimmen einer Konzentration (xH2) eines brennstoffhaltigen Reaktanten in einer Abluft (L2) aus dem Brennstoffzellensystem (100) in Abhängigkeit von dem bestimmten Massenstrom (dm/dt) durch die Drosselstelle in dem Anodensystem (20) und von einem ermittelten Abluftmassenstrom (dmL2/dt) in der Abluftleitung (12) des Kathodensystems (10) des Brennstoffzellensystems (100).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Steuern und/oder Regeln eines Betriebs des Brennstoffzellensystems (100), insbesondere eines Betriebs des Kathodensystems (10) und/oder eines Anodensystems (20) des Brennstoffzellensystems (100), durchgeführt wird, und/oder dass das Verfahren zur Diagnose und/oder Plausibilisierung eines Brennstoffkonzentrationssensors (S) in einer Abluftleitung (12) eines Kathodensystems (10) des Brennstoffzellensystems (100) durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt.
Brennstoffzellensystem (100), aufweisend eine Steuereinheit nach dem vorhergehenden Anspruch.