EP4229697A1 - Bestimmungsverfahren und brennstoffzellensystem zur schlechtgaserkennung - Google Patents

Bestimmungsverfahren und brennstoffzellensystem zur schlechtgaserkennung

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EP4229697A1
EP4229697A1 EP21790099.2A EP21790099A EP4229697A1 EP 4229697 A1 EP4229697 A1 EP 4229697A1 EP 21790099 A EP21790099 A EP 21790099A EP 4229697 A1 EP4229697 A1 EP 4229697A1
Authority
EP
European Patent Office
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fuel cell
cell system
determination
determined
mass flow
Prior art date
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Pending
Application number
EP21790099.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias FALKENAU
Timo Bosch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4229697A1 publication Critical patent/EP4229697A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • PEM Polymer electrolyte membrane
  • a PEM fuel cell consists of an anode, which is supplied with hydrogen, a cathode, which is supplied with air, and a polymer electrolyte membrane placed in between.
  • a plurality of individual fuel cells are stacked into a fuel cell stack to maximize a voltage to be generated.
  • Nitrogen gets from the cathode side to the anode side as a result of diffusion processes.
  • Nitrogen is an inert gas for the electrochemical reaction taking place in the fuel cell.
  • nitrogen reduces the cell voltage of a fuel cell and can, if it is present in high concentration, damage a fuel cell if it is no longer sufficiently supplied with hydrogen.
  • a source of nitrogen for example, is a proportion of bad gas contained in the fuel. Since a pressure in a fuel cell system has to be kept constant by introducing fuel, new bad gas is always pumped into the fuel cell system, in particular into an anode space of the fuel cell system, during flushing.
  • the invention presented is used to determine a bad gas concentration in a fuel for operating a fuel cell system.
  • the presented invention is used to show a user of a fuel cell system a bad gas concentration in a tank of fuel.
  • a determination method for determining a proportion of bad gas in a fuel supplied to a fuel cell includes a control step for operating the fuel cell system in a determination mode at a constant operating point for a predetermined duration, a determination step for determining a purge mass flow set during the determination mode, a determination step for determining a bad gas concentration in the fuel based on the determined purge mass flow, and an output step for outputting the bad gas concentration determined on a display unit and/or a setting step for setting the fuel cell system based on the bad gas concentration determined.
  • a bad gas is to be understood as meaning a non-hydrogen content in a fuel, ie a quantity of gases supplied to a fuel cell.
  • the term bad gas includes a concentration of nitrogen and/or argon and/or carbon dioxide and/or carbon monoxide.
  • the determination method presented is based on a determination operation of a fuel cell system, in which the fuel cell system is generated at a constant operating point, at which, for example, a constant electric current is generated in a fuel cell stack of the fuel cell system and a constant amount of exhaust gas is discharged from the fuel cell system.
  • a constant operating point at which, for example, a constant electric current is generated in a fuel cell stack of the fuel cell system and a constant amount of exhaust gas is discharged from the fuel cell system.
  • parameters i.e. measured variables that change during the determination operation, such as a hydrogen concentration in the exhaust gas or an activation frequency of the scavenging valve, can be attributed to a change in the fuel.
  • a bad gas concentration in the fuel can be inferred from a scavenging mass flow that is influenced by an activity of a scavenging valve of a respective fuel cell system.
  • the bad gas concentration can be output on an output unit, such as a display, in particular a display in a vehicle, a display on a mobile computing unit or a display on a respective fuel cell system.
  • the respective fuel cell system can be adjusted on the basis of the determined bad gas concentration, for example by determining a concentration of the respective operating media supplied to the fuel cell system using the bad gas concentration.
  • the bad gas concentration can be transferred as a transfer value of a target function.
  • the presented determination method after a refueling process for filling a tank of a Fuel cell system is carried out with fuel to detect an entry of bad gas through the refueling process.
  • a scavenging mass flow or an activity of a scavenging valve is controlled or activated as a function of a hydrogen concentration determined in the exhaust gas of a respective fuel cell system. It has been shown that excessive activity of the scavenging valve or too high a scavenging frequency leads to a steadily increasing hydrogen concentration in the exhaust gas of a fuel cell system and insufficient activity or scavenging frequency of the scavenging valve leads to a steadily decreasing hydrogen concentration in the exhaust gas of the fuel cell system in the intended operation.
  • the activity of the scavenging valve is used as a control variable in order to regulate a concentration of hydrogen in an exhaust gas of the fuel cell system to be constant, so that a bad gas concentration in the supplied fuel can be inferred.
  • a scavenging valve is controlled or activated as a function of a hydrogen concentration measured in the exhaust gas of a fuel cell system such that a constant hydrogen concentration is established in the exhaust gas of the fuel cell system, the hydrogen concentration in the exhaust gas and the activity of the scavenging valve are correlated with one another. Accordingly, in an embodiment of the presented invention it can be provided that a scavenging mass flow, which is influenced by an activity of the scavenging valve, is used to determine a concentration of bad gas, in particular nitrogen, in a fuel supplied to the fuel cell system.
  • a scavenging mass flow is known, i.e. was determined, for example, based on a scavenging frequency of scavenging processes carried out by a scavenging valve in the determination operation, a bad gas concentration in a fuel used during the determination operation can be determined using the scavenging mass flow will.
  • an assignment scheme determined experimentally in advance can be used, which assigns a value of a bad gas concentration to a respective value of a scavenging mass flow.
  • An assignment scheme can include, for example, a mathematical formula that maps a linear or non-linear relationship in order to assign a value of a bad gas concentration to a value of a purge mass flow determined during determination operation of a respective fuel cell system.
  • the mathematical formula can include a mathematical model that adapts, for example, a relationship between a determined value of a scavenging mass flow and a value of a bad gas concentration as a function of a parameter, such as a system temperature and/or an ambient temperature.
  • the mathematical model can be based on the assumption that, for example, if a stack current is known, a humidity that is assumed to be 100% relative humidity at a known temperature, and a specified nitrogen crossover rate, a purge mass flow to maintain a constant nitrogen concentration in the anode path is only of one Impurity concentration in the fuel depends. Provision can also be made for the flushing frequency of a flushing valve of the fuel cell system to be varied during the determination operation until a hydrogen concentration in an exhaust gas generated by the fuel cell system is constant, and then, when the hydrogen concentration in the exhaust gas is constant, the flushing mass flow is determined .
  • a scavenging frequency i.e. a frequency with which a scavenging valve is activated, can be increased or decreased, for example by means of an automatic control loop, until a hydrogen concentration in the exhaust gas of a respective fuel cell system is constant.
  • the activation frequency of the scavenging valve in determination operation is reduced when the hydrogen concentration in the exhaust gas decreases and is increased when the hydrogen concentration in the exhaust gas increases.
  • the scavenging frequency can be reduced, for example, if the hydrogen concentration in the exhaust gas decreases between two consecutive scavenging processes and increased if the hydrogen concentration in the exhaust gas increases between two consecutive scavenging processes.
  • the bad gas concentration can be determined using the constant scavenging frequency.
  • the presented invention relates to the use of a possible embodiment of the presented determination method for displaying a quality of a fuel on a display unit.
  • a bad gas concentration determined using the determination method presented can be used to determine a quality of a fuel and to output it on a display unit.
  • a value can be assigned to a respective value by means of an assignment scheme
  • Bad gas concentration can be assigned a characteristic value of a quality.
  • the characteristic value can correspond to the determined value of the bad gas concentration.
  • the characteristic value can be displayed in color according to a predefined scheme or a predefined scale in order to be able to assess the quality of the fuel in relation to a standard.
  • the presented invention relates to the use of a possible embodiment of the presented determination method for determining a bad gas concentration in a tank system for providing fuel for a fuel cell system.
  • a sample of a fuel that is provided by a tank system can be used to assess the purity of the tank system for bad gas.
  • a fuel cell system configured to carry out the determination method presented can be used to examine a tank system for leaks or residual gases in the respective lines of the tank system, since these would be revealed by an increased bad gas concentration in a fuel.
  • the determination method can be carried out in a first step using fuel provided directly or by a tank system known to be free of bad gas and in a second step with the same fuel provided from a tank system to be examined, so that if there is a deviation in the Poor concentration between the first step and the second step, it can be assumed that the deviation is caused by the tank system to be examined.
  • the presented invention relates to a fuel cell system with bad gas determination.
  • the fuel cell system includes a fuel cell stack, a hydrogen sensor for measuring a hydrogen concentration in an exhaust gas of the fuel cell system, a purge valve, and a controller, wherein the controller is configured to operate the fuel cell system in a determination mode at a constant operating point for a predetermined duration, one during the determination mode by means of To determine flushing valve set flushing mass flow to determine a bad gas concentration in a fuel cell system supplied fuel based on the determined flushing mass flow and to output the determined bad gas concentration on a display unit.
  • the presented invention relates to the use of a possible embodiment of the presented determination method for setting a fuel cell system to an optimum operating point.
  • a stationary operating point used specifically for detecting a gas quality or a bad gas concentration in a fuel can be defined, which is set, for example, after the refueling process.
  • the tank is usually emptied homogeneously, i.e. there is no segregation within the tank and the bad gas concentration remains constant throughout the removal process.
  • a bad gas concentration determined after a refueling process can be used to calibrate the fuel cell system, in particular an anode subsystem, in order to set the respective operating parameters of the fuel cell system.
  • a correction term is used to correct a bad gas concentration determined according to the invention.
  • the correction term can, for example, mathematically depict segregation in a tank system as a function of the time that has elapsed since a refueling process.
  • the presented fuel cell system serves in particular to carry out the presented determination method.
  • control device configured to transmit the respectively determined bad gas concentrations to a central server via an output interface in order to make the respectively determined bad gas concentrations available to computing units connected to the central server.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of the presented determination method
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the fuel cell system presented.
  • a determination method 100 is shown in FIG.
  • the determination method includes a control step 101 for operating a fuel cell system in a determination mode at a constant operating point for a predetermined duration.
  • the fuel cell system is operated with a constant electric current in the fuel cell stack and with a constant amount of exhaust air. Furthermore, a hydrogen concentration in the exhaust gas of the fuel cell system is determined continuously or at regular intervals.
  • the determination method 100 includes a determination step 103 for determining a scavenging mass flow set during the determination operation. For example, a scavenging frequency with which a scavenging valve of the fuel cell system is activated is recorded. Alternatively, a mass flow sensor can be used in the exhaust line of the fuel cell system to measure the scavenging mass flow.
  • the scavenging frequency at which the scavenging valve is activated is changed as a function of a hydrogen concentration measured in the exhaust gas of the fuel cell system.
  • the flushing frequency can do this decreased when the hydrogen concentration decreases and the purge frequency increased when the hydrogen concentration increases.
  • a determination step 105 is carried out in which a bad gas concentration in the fuel is determined using a scavenging mass flow set by the scavenging valve.
  • a hydrogen concentration can be constant, for example, if it does not change or only changes by less than a predetermined amount between two flushing processes.
  • a value of a bad gas concentration can be assigned to a determined value of the scavenging mass flow, for example by means of a predetermined assignment scheme.
  • the assignment scheme can, for example, be determined in advance using test setups and/or can include a mathematical formula that shows a relationship between the purge mass flow and the bad gas concentration, in particular using the parameters electric current in the fuel cell stack, nitrogen transfer from the anode to the cathode and moisture in the anode path mathematically modeled or mapped.
  • a bad gas concentration determined by the determination step is output in an output step 107 on a display unit.
  • the determined bad gas concentration can be used to calibrate the fuel cell system in order, for example, to adapt respective operating parameters of the fuel cell system to the determined bad gas concentration.
  • the fuel cell system 200 includes a fuel cell stack 201, a hydrogen sensor 203 for measuring a hydrogen concentration in an exhaust gas of the fuel cell system 200, a purge valve 205 and a control device 207.
  • the control device 207 which can be a control unit of the fuel cell system 200 or any other programmable computing unit, for example, is configured to operate the fuel cell system 200 in a determination mode at a constant operating point for a predetermined period of time, one that is set during the determination mode by means of the flushing valve 205 to determine a scavenging mass flow, to determine a bad gas concentration in a fuel supplied to the fuel cell system 200 on the basis of the determined scavenging mass flow and to output the bad gas concentration determined on a display unit 209 .
  • the control device 209 which can be a processor, a computer, a control device, an ASIC or any other programmable element, for example, can be in communication with the display unit 209 via an output interface 211.
  • the display unit 209 is a smartphone of a user of the fuel cell system 200.
  • the display unit 209 can show the user a progression of the bad gas concentration over time and/or across different refueling processes or tank systems, so that the user can identify tank systems with a particularly low or particularly high bad gas concentration.
  • the bad gas concentrations determined can be transmitted to an optional central server 213, such as a cloud server, via the output interface 209.
  • the bad gas concentrations stored on the central server 213 can be transmitted to computing units connected to the central server 213, such as smartphones, for example, in order to inform other users, for example, about the respectively determined bad gas concentrations of the respective tank systems.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren (100) zum Bestimmen eines Schlechtgasanteils in einem Brennstoff zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (200). Das Bestimmungsverfahren (100) umfasst einen Steuerungsschritt (101) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (200) in einem Bestimmungsbetrieb an einem konstanten Betriebspunkt für eine vorgegebene Dauer, einen Bestimmungsschritt (103) zum Bestimmen eines während des Bestimmungsbetriebs eingestellten Spülmassenstroms, einen Ermittlungsschritt (105) zum Ermitteln einer Schlechtgaskonzentration in dem Brennstoff anhand des bestimmten Spülmassenstroms und einen Ausgabeschritt (107) zum Ausgeben der ermittelten Schlechtgaskonzentration auf einer Anzeigeeinheit (209). Ferner betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem (200).

Description

Beschreibung
Titel
Bestimmungsverfahren und Brennstoffzellensystem zur Schlechtgaserkennung
Stand der Technik
Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter Erzeugung von Abwärme und Wasser um.
Eine PEM Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere einzelne Brennstoffzellen werden zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt, um eine zu erzeugende Spannung zu maximieren. Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels bzw. „Stacks“, befinden sich Versorgungskanäle, die einzelne Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgen sowie abgereicherte, d.h. sauerstoffarme und feuchte Luft zusammen mit abgereichertem, d.h. wasserstoffarmem Anodenabgas abtransportieren.
Systemisch hat sich zur Versorgung einer PEM Anode mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem noch wasserstoffreiches Anodenabgas mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff erneut einem Anodeneintritt zugeführt wird. Dieser Vorgang wird Rezirkulation genannt. Als Gasfördereinheiten werden sog. „Jetpumps“ oder Hybridlösungen aus Jetpumps und Wasserstoffgebläsen verwendet.
Ferner ist bekannt, dass Stickstoff durch Diffusionsprozesse von der Kathodenseite auf die Anodenseite gelangt. Stickstoff stellt für die in der Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion ein Inertgas dar. Als Inertgas reduziert Stickstoff eine Zellspannung einer Brennstoffzelle und kann, wenn es in hoher Konzentration vorliegt, eine Brennstoffzelle schädigen, wenn diese nicht mehr ausreichend mit Wasserstoff versorgt wird.
Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems kommt es regelmäßig zu Betriebssituationen, in denen Gas, das sich in einem Rezirkulationsraum befindet, ausgleitet und durch frischen Wasserstoff verdrängt wird, um die Stickstoffkonzentration im Rezirkulationsraum zu senken. Dieser Vorgang wird Spülen bzw. „Purgen“ genannt.
Zu häufiges Spülen hält zwar die Stickstoffkonzentration gering, reduziert jedoch gleichzeitig einen Systemwirkungsgrad, da Brennstoff verschwendet wird.
Eine Quelle für bspw. Stickstoff, ist ein im Brennstoff enthaltener Anteil an Schlechtgas. Da ein Druck in einem Brennstoffzellensystem mittels der Einleitung von Brennstoff konstant gehalten werden muss, wird beim Spülen auch immer neues Schlechtgas in das Brennstoffzellensystem, insbesondere in einen Anodenraum des Brennstoffzellensystems, gefördert.
Neben Stickstoff können auch weitere Schlechtgase wie bspw. Argon im Brennstoff enthalten sein.
Es ist bekannt, Spülgas einem Kathodenabgas beizumengen und aus einem Brennstoffzellensystem in einer nicht kritischen Zusammensetzung als Abgas auszuleiten. Dabei wird eine Wasserstoffkonzentration in dem ausgeleiteten Abgas mittels eines Wasserstoffsensors gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Bestimmungsverfahren und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient dazu, eine Schlechtgaskonzentration in einem Brennstoff zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu ermitteln. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, einem Nutzer eines Brennstoffzellensystems eine Schlechtgaskonzentration in einem getankten Brennstoff anzuzeigen.
Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Bestimmungsverfahren zum Bestimmen eines Schlechtgasanteils in einem einer Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff vorgestellt. Das Bestimmungsverfahren umfasst einen Steuerungsschritt zum Betreiben des Brennstoffzellensystems in einem Bestimmungsbetrieb an einem konstanten Betriebspunkt für eine vorgegebene Dauer, einen Bestimmungsschritt zum Bestimmen eines während des Bestimmungsbetriebs eingestellten Spülmassenstroms, einen Ermittlungsschritt zum Ermitteln einer Schlechtgaskonzentration in dem Brennstoff anhand des bestimmten Spülmassenstroms und einen Ausgabeschritt zum Ausgeben der ermittelten Schlechtgaskonzentration auf einer Anzeigeeinheit und/oder einen Einstellschritt zum Einstellen des Brennstoffzellensystems anhand der ermittelten Schlechtgaskonzentration.
Unter einem Schlechtgas ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Nicht- Wasserstoffanteil in einem Brennstoff, also einer Menge an einer Brennstoffzelle zugeführten Gasen zu verstehen. Insbesondere umfasst der Begriff Schlechtgas eine Konzentration von Stickstoff und/oder Argon und/oder Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid.
Das vorgestellte Bestimmungsverfahren basiert auf einem Bestimmungsbetrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem das Brennstoffzellensystem an einem konstanten Betriebspunkt, bei dem bspw. ein konstanter elektrischer Strom in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems erzeugt und eine konstante Abgasmenge aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird. Entsprechend liegen beim Bestimmungsbetrieb des Brennstoffzellensystems an dem konstanten Betriebspunkt konstante Betriebsbedingungen vor, sodass Parameter, also Messgrößen, die sich während dem Bestimmungsbetrieb verändern, wie bspw. eine Wasserstoffkonzentration im Abgas oder eine Aktivierungsfrequenz des Spülventils, auf eine Veränderung im Brennstoff zurückzuführen sind.
Im Bestimmungsbetrieb des vorgestellten Bestimmungsverfahrens ist es möglich, anhand einer Wasserstoffkonzentration im Abgas eines Brennstoffzellensystems zu erkennen, ob eine stationäre bzw. konstante Schlechtgaskonzentration in einem Anodenpfad des Brennstoffzellensystems vorliegt, da sich bei einem zyklischen Betrieb des Spülventils bzw. einer konstanten Aktivität des Spülventils konstant große Wasserstoffkonzentrationen im Abgas des Brennstoffzellensystems einstellen, wenn eine konstante Schlechtgaskonzentration im Anodenpfad des Brennstoffzellensystems vorliegt.
Wenn ein Spülventil in Abhängigkeit einer Wasserstoffkonzentration im Abgas eines Brennstoffzellensystems eingestellt bzw. aktiviert wird, kann anhand eines Spülmassenstroms, der durch eine Aktivität eines Spülventils eines jeweiligen Brennstoffzellensystems beeinflusst wird, auf eine Schlechtgaskonzentration im Brennstoff geschlossen werden.
Sobald die Schlechtgaskonzentration bestimmt wurde, kann diese auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige, insbesondere einem Display in einem Fahrzeug, einem Display einer mobilen Recheneinheit oder einem Display eines jeweiligen Brennstoffzellensystems ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann anhand der ermittelten Schlechtgaskonzentration das jeweilige Brennstoffzellensystem eingestellt werden, indem bspw. eine Konzentration jeweiliger dem Brennstoffzellensystem zugeführter Betriebsmedien unter Verwendung der Schlechtgaskonzentration bestimmt wird. Entsprechend kann die Schlechtgaskonzentration als Übergabewert einer Zielfunktion übergeben werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das vorgestellte Bestimmungsverfahren nach einem Betankungsvorgang zum Füllen eines Tanks eines Brennstoffzellensystems mit Brennstoff durchgeführt wird, um einen Eintrag von Schlechtgas durch den Betankungsvorgang zu erfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Spülmassenstrom anhand einer Anzahl durchgeführter Spülzyklen bestimmt wird.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass ein Spülmassenstrom bzw. eine Aktivität eines Spülventils in Abhängigkeit einer im Abgas eines jeweiligen Brennstoffzellensystems ermittelten Wasserstoffkonzentration kontrolliert bzw. aktiviert wird. Es hat sich gezeigt, dass eine zu starke Aktivität des Spülventils bzw. eine zu hohe Spülfrequenz zu einer stetig steigenden Wasserstoffkonzentration im Abgas eines Brennstoffzellensystems und eine zu geringe Aktivität bzw. Spülfrequenz des Spülventils zu einer stetig sinkenden Wasserstoffkonzentration im Abgas des Brennstoffzellensystems im Bestimmungsbetrieb führt. Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Aktivität des Spülventils als Regelgröße verwendet wird, um eine Konzentration von Wasserstoff in einem Abgas des Brennstoffzellensystems konstant einzuregeln, sodass auf eine Schlechtgaskonzentration im zugeführten Brennstoff geschlossen werden kann.
Wenn ein Spülventil jedoch in Abhängigkeit einer im Abgas eines Brennstoffzellensystems gemessenen Wasserstoffkonzentration derart kontrolliert bzw. aktiviert wird, dass sich eine konstante Wasserstoffkonzentration im Abgas des Brennstoffzellensystems einstellt, sind die Wasserstoffkonzentration im Abgas und die Aktivität des Spülventils miteinander korreliert. Entsprechend kann in Ausgestaltung der vorgestellten Erfindung vorgesehen sein, dass aus einem Spülmassenstrom, der durch eine Aktivität des Spülventils beeinflusst wird, auf eine Konzentration von Schlechtgas, insbesondere von Stickstoff, in einem dem Brennstoffzellensystem zugeführten Brennstoff geschlossen wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Spülmassenstrom mittels eines Massenstromsensors ermittelt wird. Da eine Aktivität bzw. eine Frequenz der Aktivität des Spülventils mit einem Spülmassenstrom, d.h. einem Massenstrom von durch das Spülventil ausgeleitetem Medium korreliert, kann anhand der Aktivität des Spülventils auf den Spülmassenstrom geschlossen werden. Alternativ kann der Spülmassenstrom direkt mittels eines Sensors gemessen werden.
Sobald bei einer konstanten Abgaskonzentration, d. h. einer über einen vorgegebenen Mindestzeitraum hinweg gleichbleibender Wasserstoffkonzentration im Abgas eines jeweiligen Brennstoffzellensystems, ein Spülmassenstrom bekannt ist, also bspw. anhand einer Spülfrequenz von durch ein Spülventil im Bestimmungsbetrieb durchgeführten Spülvorgängen bestimmt wurde, kann anhand des Spülmassenstroms eine Schlechtgaskonzentration in einem während des Bestimmungsbetriebs verwendeten Brennstoff ermittelt werden. Dazu kann bspw. ein vorab experimentell ermitteltes Zuordnungsschema verwendet werden, das einem jeweiligen Wert eines Spülmassenstroms einen Wert einer Schlechtgaskonzentration zuordnet.
Ein Zuordnungsschema kann bspw. eine mathematische Formel umfassen, die einen linearen oder nicht linearen Zusammenhang abbildet, um einem im Bestimmungsbetrieb eines jeweiligen Brennstoffzellensystems ermittelten Wert eines Spülmassenstroms einen Wert einer Schlechtgaskonzentration zuzuordnen. Dabei kann die mathematische Formel ein mathematisches Modell umfassen, das bspw. einen Zusammenhang zwischen einem ermittelten Wert eines Spülmassenstroms und einem Wert einer Schlechtgaskonzentration in Abhängigkeit eines Parameters, wie bspw. einer Systemtemperatur und/oder einer Umgebungstemperatur adaptiert. Insbesondere kann dem mathematischen Modell die Annahme zugrungeliegen, dass bspw. bei Kenntnis eines Stackstroms, einer Feuchte, die bspw. als 100% relative Feuchte bei bekannter Temperatur angenommen wird, und einer vorgegebenen Stickstoffcrossoverrate ein Purgemassenstrom zur Aufrechterhaltung einer konstanten Stickstoffkonzentration im Anodenpfad lediglich von einer Verunreinigungskonzentration im Brennstoff abhängt. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass während des Bestimmungsbetriebs eine Spülfrequenz eines Spülventils des Brennstoffzellensystems so lange variiert wird, bis eine Wasserstoffkonzentration in einem von dem Brennstoffzellensystem erzeugten Abgas konstant ist, und anschließend, wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Abgas konstant ist, der Spülmassenstrom bestimmt wird.
Eine Spülfrequenz, d.h. eine Frequenz mit der ein Spülventil aktiviert wird, kann bspw. mittels einer automatischen Regelungsschleife solange erhöht oder verringert werden, bis eine Wasserstoffkonzentration im Abgas eines jeweiligen Brennstoffzellensystems konstant ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aktivierungsfrequenz des Spülventils im Bestimmungsbetrieb bei einer abnehmenden Wasserstoffkonzentration im Abgas reduziert und bei einer steigenden Wasserstoffkonzentration im Abgas erhöht wird.
Bei einem konstanten Betriebspunkt im Bestimmungsbetrieb kann die Spülfrequenz bspw. verringert werden, wenn sich die Wasserstoffkonzentration im Abgas zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spülvorgängen verringert und erhöht werden, wenn sich die Wasserstoffkonzentration im Abgas zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spülvorgängen erhöht. Sobald die Wasserstoffkonzentration im Abgas konstant ist bzw. eine konstante Spülfrequenz eingestellt ist, d.h. die Spülfrequenz sich bspw. über mindestens zwei Spülvorgänge nicht ändert, kann die Schlechtgaskonzentration anhand der konstanten Spülfrequenz ermittelt werden.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung die Verwendung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens zum Anzeigen einer Qualität eines Brennstoffs auf einer Anzeigeeinheit.
Eine mittels des vorgestellten Bestimmungsverfahrens ermittelte Schlechtgaskonzentration kann dazu verwendet werden, eine Qualität eines Brennstoffs zu ermitteln und auf einer Anzeigeeinheit auszugeben. Dazu kann bspw. mittels eines Zuordnungsschemas einem jeweiligen Wert einer Schlechtgaskonzentration ein Kennwert einer Qualität zugeordnet werden. Insbesondere kann der Kennwert dem ermittelten Wert der Schlechtgaskonzentration entsprechen. Dabei kann der Kennwert gemäß einem vorgegebenen Schema bzw. einer vorgegebenen Skala farbig dargestellt werden, um die Qualität des Brennstoffs in Relation zu einem Standard beurteilen zu können.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung die Verwendung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens zum Bestimmen einer Schlechtgaskonzentration in einem Tanksystem zum Bereitstellen von Brennstoff für ein Brennstoffzellensystem.
Durch eine Probe eines Brennstoffs, der von einem Tanksystem bereitgestellt wird, kann eine Reinheit des Tanksystems von Schlechtgas beurteilt werden. Entsprechend kann ein Tanksystem mittels eines zur Durchführung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens konfigurierten Brennstoffzellensystems auf Undichtigkeiten oder Restgase in jeweiligen Leitungen des Tanksystems hin untersucht werden, da sich diese durch eine erhöhte Schlechtgaskonzentration in einem Brennstoff zeigen würden. Insbesondere kann das Bestimmungsverfahren in einem ersten Schritt mittels eines direkt bzw. von einem als schlechtgasfrei bekannten Tanksystem bereitgestellten Brennstoff durchgeführt werden und in einem zweiten Schritt mit einem gleichen Brennstoff, der aus einem zu untersuchenden Tanksystems bereitgestellt wird, durchgeführt werden, sodass bei einer Abweichung der Schlechtkonzentration zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt davon ausgegangen werden kann, dass die Abweichung durch das zu untersuchende Tanksystem bedingt ist.
In einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Schlechtgasbestimmung. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Wasserstoffsensor zum Messen einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgas des Brennstoffzellensystems, ein Spülventil und ein Kontrollgerät, wobei das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist das Brennstoffzellensystem in einem Bestimmungsbetrieb an einem konstanten Betriebspunkt für eine vorgegebene Dauer zu betreiben, einen während des Bestimmungsbetriebs mittels des Spülventils eingestellten Spülmassenstrom zu bestimmen, eine Schlechtgaskonzentration in einem dem Brennstoffzellensystem zugeführten Brennstoff anhand des bestimmten Spülmassenstroms zu ermitteln und die ermittelte Schlechtgaskonzentration auf einer Anzeigeeinheit auszugeben.
In einem fünften Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung die Verwendung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens zum Einstellen eines Brennstoffzellensystems auf einen optimalen Betriebspunkt.
Insbesondere kann ein speziell zur Detektion einer Gasqualität bzw. einer Schlechtgaskonzentration in einem Brennstoff eingesetzter stationären Betriebspunkt definiert sein, der bspw. nach dem Betankungsvorgang eingestellt wird. Ist ein Tank eines Brennstoffzellensystems einmal befüllt, wird der Tank in aller Regel homogen entleert, d.h. es gibt keine tankinterne Entmischung und die Schlechtgaskonzentration bleibt über den Entnahmeprozess konstant. Entsprechend kann eine nach einem Tankvorgang ermittelten Schlechtgaskonzentration zur Kalibration des Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Anodensubsystems verwendet werden, um jeweilige Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems einzustellen.
Es kann vorgesehen sein, dass bei einer Verwendung von Tanksystemen, bei denen es zu einer Entmischung jeweiliger Schlechtgase und jeweiligem Brennstoff kommen kann, ein Korrekturterm zur Korrektur einer erfindungsgemäß ermittelten Schlechtgaskonzentration verwendet wird. Der Korrekturterm kann bspw. eine Entmischung in einem Tanksystem in Abhängigkeit einer seit einem Tankvorgang vergangenen Zeit mathematisch abbilden.
Das vorgestellte Brennstoffzellensystem dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens.
Es kann vorgesehen sein, dass das Kontrollgerät dazu konfiguriert ist, jeweilige ermittelte Schlechtgaskonzentrationen über eine Ausgabeschnittstelle auf einen zentralen Server zu übertragen, um die jeweilig ermittelten Schlechtgaskonzentrationen für mit dem zentralen Server verbundene Recheneinheiten zur Verfügung zu stellen. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele 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:
Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Bestimmungsverfahrens,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
In Figur 1 ist ein Bestimmungsverfahren 100 dargestellt. Das Bestimmungsverfahren umfasst einen Steuerungsschritt 101 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Bestimmungsbetrieb an einem konstanten Betriebspunkt für eine vorgegebene Dauer. Dabei wird das Brennstoffzellensystem mit einem konstanten elektrischen Strom im Brennstoffzellenstapel und mit einer konstanten Abgasluftmenge betrieben. Weiterhin wird kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen eine Wasserstoffkonzentration im Abgas des Brennstoffzellensystems bestimmt.
Ferner umfasst das Bestimmungsverfahren 100 einen Bestimmungsschritt 103 zum Bestimmen eines während des Bestimmungsbetriebs eingestellten Spülmassenstroms. Dabei wird bspw. eine Spülfrequenz, mit der ein Spülventil des Brennstoffzellensystems aktiviert wird, erfasst. Alternativ kann ein Massenstromsensor im Abgasstrang des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden, um den Spülmassenstrom zu messen.
Sobald das Brennstoffzellensystem an einem konstanten Betriebspunkt im Bestimmungsbetrieb betrieben wird, wird die Spülfrequenz mit der das Spülventil aktiviert wird in Abhängigkeit einer im Abgas des Brennstoffzellensystems gemessenen Wasserstoffkonzentration verändert. Dazu kann die Spülfrequenz verringert werden, wenn sich die Wasserstoffkonzentration verringert bzw. die Spülfrequenz erhöht werden, wenn sich die Wasserstoffkonzentration erhöht.
Sobald eine Wasserstoffkonzentration im Abgas des Brennstoffzellensystems während des Bestimmungsbetriebs konstant ist, wird ein Ermittlungsschritt 105 durchgeführt, bei dem eine Schlechtgaskonzentration in dem Brennstoff anhand eines durch das Spülventil eingestellten Spülmassenstroms bestimmt wird. Eine Wasserstoffkonzentration kann bspw. dann konstant sein, wenn sich diese zwischen zwei Spülvorgängen nicht oder nur um weniger als einen vorgegebenen Betrag ändert.
Zum Ermitteln der Schlechtgaskonzentration kann einem ermittelten Wert des Spülmassenstroms bspw. mittels eines vorgegebenen Zuordnungsschemas ein Wert einer Schlechtgaskonzentration zugeordnet werden. Das Zuordnungsschema kann dabei bspw. mittels Versuchsaufbauten vorab ermittelt werden und/oder eine mathematische Formel umfassen, die einen Zusammenhang zwischen dem Spülmassenstrom und der Schlechtgaskonzentration, insbesondere unter Verwendung der Parameter elektrischer Strom im Brennstoffzellenstapel, Stickstoffübertritt von der Anode zur Kathode und einer Feuchte im Anodenpfad mathematisch modelliert bzw. abbildet.
Eine durch den Ermittlungsschritt ermittelte Schlechtgaskonzentration wird in einem Ausgabeschritt 107 auf einer Anzeigeeinheit ausgegeben. Alternativ oder zusätzlich kann die ermittelte Schlechtgaskonzentration zur Kalibrierung des Brennstoffzellensystems verwendet werden, um bspw. jeweilige Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems an die ermittelte Schlechtgaskonzentration anzupassen.
In Figur 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 201, einen Wasserstoffsensor 203 zum Messen einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgas des Brennstoffzellensystems 200, ein Spülventil 205 und ein Kontrollgerät 207. Das Kontrollgerät 207, das bspw. ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems 200 oder jede weitere programmierbare Recheneinheit sein kann, ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem 200 in einem Bestimmungsbetrieb an einem konstanten Betriebspunkt für eine vorgegebene Dauer zu betreiben, einen während des Bestimmungsbetriebs mittels des Spülventils 205 eingestellten Spülmassenstrom zu bestimmen, eine Schlechtgaskonzentration in einem dem Brennstoffzellensystem 200 zugeführten Brennstoff anhand des bestimmten Spülmassenstroms zu ermitteln und die ermittelte Schlechtgaskonzentration auf einer Anzeigeeinheit 209 auszugeben.
Zum Ausgeben der ermittelten Schlechtgaskonzentration kann das Kontrollgerät 209, das bspw. ein Prozessor, ein Computer, ein Steuergerät, ein ASIC oder jedes weitere programmierbare Element sein kann, über eine Ausgabeschnittstelle 211 mit der Anzeigeeinheit 209 in kommunikativer Verbindung stehen. Vorliegend ist die Anzeigeeinheit 209 ein Smartphone eines Nutzers des Brennstoffzellensystems 200.
Bspw. kann dem Nutzer auf der Anzeigeeinheit 209 ein Verlauf der Schlechtgaskonzentration über die Zeit und/oder über verschiedene Tankvorgänge bzw. Tanksysteme hinweg dargestellt werden, sodass der Nutzer Tanksysteme mit besonders geringer oder besonders hoher Schlechtgaskonzentration erkennen kann.
Über die Ausgabeschnittstelle 209 können jeweilige ermittelte Schlechtgaskonzentrationen an einen optionalen zentralen Server 213, wie bspw. einen Cloud-Server übermittelt werden. Die auf dem zentralen Server 213 gespeicherten Schlechtgaskonzentrationen können an mit dem zentralen Server 213 verbundene Recheneinheiten, wie bspw. Smartphones übertragen werden, um bspw. weitere Nutzer über jeweilig ermittelte Schlechtgaskonzentrationen jeweiliger Tanksysteme zu informieren.

Claims

Ansprüche
1. Bestimmungsverfahren (100) zum Bestimmen eines Schlechtgasanteils in einem Brennstoff zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (200), wobei das Bestimmungsverfahren (100) umfasst:
- Betreiben (101) des Brennstoffzellensystems (200) in einem Bestimmungsbetrieb an einem konstanten Betriebspunkt für eine vorgegebene Dauer,
- Bestimmen (103) eines während des Bestimmungsbetriebs eingestellten Spülmassenstroms,
- Ermitteln (105) einer Schlechtgaskonzentration in dem Brennstoff anhand des bestimmten Spülmassenstroms,
- Ausgeben (107) der ermittelten Schlechtgaskonzentration auf einer Anzeigeeinheit (209) und/oder Einstellen des Brennstoffzellensystems anhand der ermittelten Schlechtgaskonzentration.
2. Bestimmungsverfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülmassenstrom anhand einer Anzahl durchgeführter Spülzyklen bestimmt wird.
3. Bestimmungsverfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülmassenstrom mittels eines Massenstromsensors ermittelt wird.
4. Bestimmungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlechtgaskonzentration mittels eines Zuordnungsschemas ermittelt wird, das einen Zusammenhang zwischen einem Spülmassenstrom und einer Schlechtgaskonzentration für das Brennstoffzellensystem (200) mathematisch abbildet.
5. Bestimmungsverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Bestimmungsbetriebs eine Spülfrequenz eines Spülventils (205) des Brennstoffzellensystems (200) so lange variiert wird, bis eine Wasserstoffkonzentration in einem von dem Brennstoffzellensystem (200) erzeugten Abgas konstant ist, und wobei anschließend, wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Abgas konstant ist, der Spülmassenstrom bestimmt wird.
6. Bestimmungsverfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsfrequenz des Spülventils (205) im Bestimmungsbetrieb bei einer abnehmenden Wasserstoffkonzentration im Abgas reduziert und bei einer steigenden Wasserstoffkonzentration im Abgas erhöht wird.
7. Verwendung des Bestimmungsverfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Anzeigen einer Qualität eines Brennstoffs auf einer Anzeigeeinheit (209).
8. Verwendung des Bestimmungsverfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Bestimmen einer Schlechtgaskonzentration in einem Tanksystem zum Bereitstellen von Brennstoff für ein Brennstoffzellensystem.
9. Verwendung des Bestimmungsverfahrens (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Einstellen eines Brennstoffzellensystems auf einen optimalen Betriebspunkt. - 15 - Brennstoffzellensystem (200) mit einer Schlechtgasbestimmung, wobei das Brennstoffzellensystem (200) umfasst:
- einen Brennstoffzellenstapel (201),
- einen Wasserstoffsensor (203) zum Messen einer Wasserstoffkonzentration in einem Abgas des Brennstoffzellensystems (200),
- ein Spülventil (205),
- ein Kontrollgerät (207), wobei das Kontrollgerät (207) dazu konfiguriert ist:
- das Brennstoffzellensystem (200) in einem Bestimmungsbetrieb an einem konstanten Betriebspunkt für eine vorgegebene Dauer zu betreiben,
- einen während des Bestimmungsbetriebs mittels des Spülventils (205) eingestellten Spülmassenstrom zu bestimmen,
- eine Schlechtgaskonzentration in einem dem Brennstoffzellensystem (200) zugeführten Brennstoff anhand des bestimmten Spülmassenstroms zu ermitteln, und
- die ermittelte Schlechtgaskonzentration auf einer Anzeigeeinheit (209) auszugeben. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 10, wobei das Kontrollgerät (207) dazu konfiguriert ist, jeweilige ermittelte Schlechtgaskonzentrationen über eine Ausgabeschnittstelle (211) auf einen zentralen Server (213) zu übertragen, um die jeweilig ermittelten Schlechtgaskonzentrationen für mit dem zentralen Server (213) verbundene Recheneinheiten zur Verfügung zu stellen.
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