WO2024061974A1 - Method for determining a percentage of volume of hydrogen in a fuel cell system, and fuel cell system - Google Patents

Method for determining a percentage of volume of hydrogen in a fuel cell system, and fuel cell system Download PDF

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    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a vol.% content of hydrogen in a fuel cell system and to a fuel cell system.
  • Fuel cell systems are high-energy performers that produce energy by reacting hydrogen with oxygen.
  • the oxygen is provided in the form of air that contains oxygen.
  • the hydrogen content i.e. in particular the hydrogen concentration on the anode side of a fuel cell system.
  • the hydrogen concentration is determined in a complex and expensive manner using highly sensitive hydrogen sensors.
  • the object is achieved by a method for determining a vol.% proportion of hydrogen which, based on a gas mixture, is present on an anode side of a fuel cell system, which comprises the following steps.
  • the fuel cell system includes at least one fuel cell and in particular a plurality of fuel cells that are connected in series in the form of a cell stack.
  • Each fuel cell includes an anode with an anode inlet and an anode outlet, a cathode and a membrane located between the anode and the cathode. If there is only one fuel cell in the fuel cell system, the anode side corresponds to the side of the one anode present in this fuel cell. If there are two or more fuel cells, the anode side of the fuel cell system refers to the entirety of all anodes of all fuel cells connected in series and thus connected to one another in a gas circuit.
  • the fuel cell system is operating. This means that the fuel cell system is not in a start-up process, but in a continuous operation of energy production.
  • the pressure is controlled by means of a Pressure sensor measured.
  • the pressure essentially corresponds to the gas mixture pressure at the anode inlet, in other words the anode gas pressure.
  • the gas mixture can contain water vapor to a negligibly small proportion, but this does not have a significant influence on the measurement result, since this applies equally to both the fuel cell system and a reference system yet to be described and therefore the influence is already included in the reference characteristic curves.
  • the pressure corresponds to an area that lies on the anode side after the last fuel cell, in other words downstream of the last anode, by means of a further pressure sensor.
  • the pressure essentially corresponds to the pressure of the gas mixture on the anode side of the fuel cell system.
  • the gas mixture can also contain nitrogen and water vapor, which are also recorded by the measurement. Since water vapor is only contained in very small proportions in the gas mixture of the anodes, this can be neglected.
  • a pressure difference (Ap) can be determined from the measured pressure at the anode inlet (pAnodeimass) and the measured pressure at the anode outlet (pAnodeausiass).
  • the pressure difference (Ap) is made up as follows:
  • the pressure is given in kPa.
  • Power extraction corresponds to the hydrogen pressure that corresponds to the power extraction from the fuel cell system and power consumption is the pressure that is generated by friction losses when a gas mixture flows through the fuel cell stack on the anode side of the fuel cell system.
  • the current drawn from the fuel cell system is measured using a sensor in an additional process step.
  • the current is measured in amperes; current consumption can be determined according to the following formulas 1 and 2:
  • nH2_current extraction amount [mol] of H2 that is accounted for by the current extraction
  • T corresponds to the average temperature of the fuel cell stack; in each case, T represents the temperature of the anode gas mixture measured by a temperature sensor
  • nH2_current extraction I * t * H cells / F / 2 Formula 2
  • the number 2 stands for the number of electrons per hydrogen molecule Hz.
  • a reference fuel cell system which is advantageously constructed in the same way as the above fuel cell system and which comprises at least one reference fuel cell with a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, with a reference cathode and a reference membrane lying between the reference anode and the reference cathode. If the fuel cell system includes several fuel cells, the reference fuel cell system advantageously also includes several fuel cells.
  • the reference values required for the method are obtained from the reference fuel cell system as follows. The same principles and assumptions can be made here as for the fuel cell system and the same definitions, as disclosed above, apply in a figurative sense:
  • reference pressure is measured at the reference anode inlet using a pressure sensor.
  • reference electrode inlet means upstream of the reference anode and, in the case of multiple reference fuel cells connected in series, upstream of the first reference anode of the reference fuel cell stack.
  • Reference pressure is then measured at the reference anode outlet.
  • Reference electrode outlet here again means downstream of the reference anode and, in the case of several reference fuel cells connected in series, downstream of the last reference anode of the reference fuel cell stack.
  • a gas flow in the reference fuel cell system is changed from 100 vol.% nitrogen to 100 vol.% hydrogen by adding hydrogen and the respective vol.% share of hydrogen can be determined. This can be done, for example, using gas chromatography by feeding a partial volume flow to be measured to a gas chromatograph.
  • the concentration of hydrogen and additionally the concentration of nitrogen are preferably determined twice as close as possible to the position at which the pressure at the anode inlet and the pressure at the anode outlet are also measured. All calculations refer to the average anode gas concentration, which is determined from the average of the two concentration sensor values and represents the average hydrogen concentration in the fuel cell stack.
  • the current drawn from the reference fuel cell system is measured in amperes using a current sensor.
  • the water concentration in the gas mixture can also be determined to further reduce the error.
  • a reference pressure difference Ap re f is determined from the determined pressures, whereby the following applies:
  • Pref_stroment salad corresponds to the hydrogen pressure that is due to the current extraction from the reference fuel cell system and Pref_voiumenstrom is the pressure that is generated by friction losses when a gas mixture flows through the reference fuel cell stack on the anode side of the reference fuel cell system. Due to the large difference in density between the gases nitrogen and hydrogen, the level of friction losses depends significantly on the hydrogen volume fraction present in the gas mixture on the anode side of the reference fuel cell system.
  • the current taken and measured from the reference fuel cell system is required.
  • Pref_stromaust eaten can be determined according to the following formulas 3 and 4:
  • Pref_current extraction nref_H2_current extraction * R * Tref / ref formula 3
  • nref_H2_Stromen shake amount of substance [mol] of H2 that is accounted for by the current extraction
  • T re f reference fuel cell temperature [K] (in the case of two or more reference fuel cells, T re f corresponds to the average temperature of the reference fuel cell stack; in each case, T re f represents the temperature of the reference anode gas mixture measured by a temperature sensor) and
  • Vref volume of the reference anode [m 3 ] in the volume flow direction between the two pressure measuring areas (usually between two pressure sensors, i.e. a pressure sensor at the anode inlet and one Pressure sensor at the anode outlet) (in the case of two or more reference fuel cells in the reference fuel cell system, V corresponds to the total volume of all reference anodes).
  • nref_H2_current extraction Iref * t * nref_cells / F / 2 Formula 4
  • n re f_zeiien number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
  • the number 2 stands for the number of electrons per hydrogen molecule H2.
  • Pref_ oiumenstrom is known from the respective nitrogen/hydrogen gas mixture that is supplied to the reference fuel cell system on the anode side, since here hydrogen and nitrogen are mixed in a predetermined ratio and, as a result, the reference pressure difference is determined.
  • the pressure difference (Ap) determined for the fuel cell system is compared with reference pressure differences (Ap re f) determined for the reference fuel cell system and the volume fraction of nitrogen to hydrogen is thus obtained in vol.%, which corresponds to the determined pressure difference (Ap).
  • vol. % proportion of hydrogen can be determined from the pressure difference (Ap) for the same reference pressure difference (Ap re f).
  • the reference data can be determined for the same fuel cell system as is used in the method and for which the vol. % share of hydrogen on the anode side is to be determined.
  • the method can be implemented easily and inexpensively because it only requires the provision of a reference fuel cell system once to determine the reference data and then only pressure sensors in the fuel cell system. The temperature and current are output by default anyway. The process is therefore cost-effective because it eliminates the need for expensive and sensitive hydrogen sensors.
  • the fuel cell system can be operated in static operation or in dynamic operation.
  • Dynamic operation is understood to mean one in which the current either changes by more than 10% (min. change 2A) (for very small fuel cell stack currents ⁇ 20A) or changes by more than 15A (for higher fuel cell stack currents (>150A) The limit can be below 10%, for example), compared with a determined average value of the current from the last 100ms measuring time. Dynamic operation provides less accurate values for the vol. % of hydrogen than static operation.
  • the anode exhaust gas emerging from the anode outlet is recirculated from the anode outlet to the anode inlet and is therefore also called recirculation gas.
  • This not only enables the anode exhaust gas to be recycled, but also contributes to the stationary operation of the fuel cell system and thus facilitates a more precise determination of the vol. % of hydrogen on the anode side.
  • the water is separated from the anode exhaust gas. It is particularly advantageous to separate the water at the anode outlet before measuring the pressure.
  • the anode exhaust gas is actively recirculated, in particular by means of a motor, or passively. Passive recirculation is carried out by supplying hydrogen from a storage container, such as a tank, to the fuel cell system. Active recirculation is preferred because it generates a particularly constant volume flow through the anode side of the fuel cell system.
  • a fuel cell system is also described.
  • the fuel cell system is in particular set up to carry out the method described above according to the invention. All of the above definitions and explanations of the method according to the invention are therefore also applicable to the fuel cell system according to the invention. The respective advantageous developments are also used mutually.
  • the fuel cell system comprises at least one fuel cell with an anode with an anode inlet and an anode outlet, a cathode and a membrane located between the anode and the cathode.
  • the fuel cell system includes a first pressure sensor at the anode inlet for measuring the pressure at the anode inlet (in the case of two or more fuel cells, the pressure is measured before the inlet to the first series-connected anode) and a second pressure sensor at the anode outlet for measuring the pressure at the anode outlet (In the case of two or more fuel cells, the pressure is measured after the outlet from the last anode connected in series).
  • the fuel cell system includes a temperature sensor for determining the temperature in Kelvin in the fuel cell or in Fuel cell stack, which corresponds to the temperature of the gas mixture on the anode side of the fuel cell system.
  • the fuel cell system further includes a sensor for determining the current drawn from the fuel cell system (measured in amperes) and a storage device.
  • the storage device includes:
  • Reference values obtained for a reference fuel cell system comprising at least one reference fuel cell having a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, a reference cathode and a reference membrane located between the reference anode and the reference cathode, the reference values being obtained as follows: by measuring a reference pressure at the reference anode inlet, by measuring a reference pressure at the reference anode outlet, wherein during the measurement of the reference pressures a gas flow in the reference fuel cell system was changed from 100 vol.% nitrogen to 100 vol.% hydrogen by adding hydrogen, reference values that represent the current taken from the reference fuel cell system and reference pressure differences Ap re f, where
  • T re f reference fuel cell temperature [K] (in the case of two or more reference fuel cells, T re f corresponds to the average temperature of the reference fuel cell stack; in each case, T re f represents the temperature of the anode gas mixture measured by a temperature sensor) and
  • Vref volume of the reference anode [m 3 ] in the volume flow direction between the two pressure measuring areas (usually between two pressure sensors, i.e. a pressure sensor at the anode inlet and a pressure sensor at the anode outlet) (in the case of two or more fuel cells in the fuel cell system, V corresponds to the total volume of all anodes) .
  • nref_H2_current extraction Iref * t * nref_cells / F / 2 Formula 4
  • n re f_zeiien number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
  • the number 2 stands for the number of electrons per hydrogen molecule.
  • Pref_ oiumenstrom was determined from the respective nitrogen/hydrogen gas mixture.
  • the fuel cell system further comprises a control device which is set up to determine a pressure difference (Ap) between the pressure at the anode inlet and the pressure at the anode outlet (pressure difference between the first pressure sensor and the second pressure sensor), the pressure difference (Ap) being composed as follows:
  • the control device is also set up to compare the determined pressure difference (Ap) with the reference pressure differences (Ap re f) to determine the volume fraction in vol.% of nitrogen to hydrogen, which corresponds to the determined pressure difference (Ap) and to determine a vol.% Proportion of hydrogen in the anode gas mixture from the volume proportions of nitrogen to hydrogen, which were obtained for the reference fuel cell system at a certain reference pressure difference (Ap re f), whereby the vol.% proportion of hydrogen was measured for the reference fuel cell system and is therefore known.
  • the fuel cell system advantageously comprises an output device for outputting the determined hydrogen content, which can be designed, for example, in the form of a monitor or display.
  • the fuel cell system according to the invention is designed like a conventional fuel cell system and has two pressure sensors for determining a pressure difference between the anode inlet and the anode outlet. This makes the fuel cell system very efficient and cost-effective and enables the reliable determination of a vol. % share of hydrogen on the anode side of the fuel cell system. This can also increase the efficiency of the fuel cell system.
  • the fuel cell system comprises a recirculation circuit for recirculating the anode exhaust gas emerging from the anode outlet from the anode outlet to the anode inlet.
  • the fuel cell system comprises a water separator in the recirculation circuit, the water separator being arranged in particular upstream of the second pressure sensor.
  • the recirculation circuit comprises a motor for actively recirculating the anode exhaust gas.
  • Figure 1 shows a fuel cell system according to a first advantageous development
  • Figure 2 shows an example diagram for determining the vol. % proportion of hydrogen in a fuel cell system according to a second advantageous development.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack.
  • a single fuel cell 2 is shown as an example of the fuel cell stack.
  • Several fuel cells 2 are connected in series in the fuel cell stack.
  • Each fuel cell 2 comprises an anode 3 with an anode inlet 3a and an anode outlet 3b, a cathode 4 and a membrane 5 lying between the anode 3 and the cathode 4.
  • a first pressure sensor 6 is arranged, which is set up to measure the pressure at the anode inlet 3a.
  • a second pressure sensor 7 for measuring the pressure at the anode outlet 3b is arranged. Upstream of the second pressure sensor 7, a water separator 8 is integrated in the anode exhaust line.
  • the anode exhaust gas exiting the anode outlet 3b is recirculated to the anode inlet via a recirculation circuit 9.
  • a temperature sensor 12 is mounted upstream, i.e. directly at the anode outlet 3a, to determine the temperature in the fuel cell 2 and thus on the anode side of the fuel cell in the anode exhaust gas.
  • a temperature sensor can also be arranged in a cooling circuit of the fuel cell system 1.
  • the fuel cell system 1 also contains a sensor (not shown) for determining the current drawn from the fuel cell system 1 and a storage device 20.
  • the storage device 20 contains reference values obtained for a reference fuel cell system with a reference fuel cell stack comprising a number of reference fuel cells corresponding to the number of fuel cells in the fuel cell stack, each with a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, a reference cathode and a reference membrane located between the reference anode and the reference cathode, the reference values being obtained as follows:
  • n re f_zeiien number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
  • the number 2 corresponds to the number of electrons per H 2 molecule and where p r ef_voiumenstrom was determined from the respective nitrogen/hydrogen gas mixture.
  • Figure 2 shows four curves A, B, C and D. Ap re f are plotted against the current drawn in the reference fuel cell system in amperes.
  • Curve A was obtained for a reference gas mixture containing 80 vol% nitrogen and 20 vol% hydrogen.
  • Curve B was obtained for a reference gas mixture containing 50 vol% nitrogen and 50 vol% hydrogen.
  • Curve C was obtained for a reference gas mixture containing 20 vol% nitrogen and 80 vol% hydrogen.
  • Curve D was obtained for a reference gas mixture containing 100 vol% hydrogen.
  • X represent measurement points.
  • the circled measurement points are estimated values.
  • the fuel cell system 1 further comprises a control device 30, which is set up to determine a pressure difference (Ap) between the Pressure at the anode inlet 3a and the pressure at the anode outlet 3b of the fuel cell system 1, the pressure difference (Ap) being composed as follows:
  • Power withdrawal can be determined according to the following formulas 1 and 2:
  • the number 2 corresponds to the number of electrons per Hz molecule
  • the control device 30 is also set up to compare the determined pressure difference (Ap) with the reference pressure differences (Ap re f) from the memory 20 to determine the volume fraction in vol.% of nitrogen to hydrogen, which corresponds to the determined pressure difference (Ap). This step is shown in Fig. 2 by the horizontal dashed line Ap.
  • This step is also illustrated in FIG. 2, namely on the X-axis, which represents the current drawn from the reference fuel cell system. Since the current taken from the fuel cell system 1 is measured, which is approximately 200 A in FIG. 2, the nitrogen-hydrogen concentration ratio in vol. % can be read out or determined. Since the exact gas mixture composition nitrogen to hydrogen for the respective reference curves A to D is known based on gas chromatographic measurements to determine the hydrogen content in vol.% in the reference gas mixture, the hydrogen concentration, i.e. the vol.%, can also be determined from the intersection of the lines mentioned Hydrogen can be derived in the anode 3 of the fuel cell system 1.
  • Both the fuel cell system 1 and the method for determining the vol. % of hydrogen on the anode side of the fuel cell system 1 are designed to be simple.
  • the fuel cell system 1 corresponds to a conventional fuel cell system, expanded to include a storage device and a control device as well as a first pressure sensor 6 and a second pressure sensor 7.
  • the method is simple and inexpensive to use without the use of hydrogen sensors.

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Abstract

The invention relates to a method for determining a percentage of volume of hydrogen in a fuel cell system (1), and a fuel cell system (1). No hydrogen sensor is used in the fuel cell system (1). The percentage of volume of hydrogen in the anode gas is determined on the basis of the pressure difference between the anode inlet and anode outlet of the fuel cell and taking into account the current drawn from the fuel cell system.

Description

Verfahren zur Bestimmung eines Vol. %-Anteils an Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem Method for determining a vol.% proportion of hydrogen in a fuel cell system and fuel cell system
Beschreibung Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Vol.%- Anteils an Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem. The present invention relates to a method for determining a vol.% content of hydrogen in a fuel cell system and to a fuel cell system.
Brennstoffzellensysteme sind Hochenergieleistungsträger, die durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff Energie produzieren. Der Sauerstoff wird hierbei in Form von Luft, die Sauerstoff enthält, bereitgestellt. Um die Effizienz des Brennstoffzellensystems zu verbessern, ist es erforderlich, den Wasserstoffgehalt, also insbesondere die Wasserstoffkonzentration an der Anodenseite eines Brennstoffzellensystems zu kennen. Heutzutage wird die Wasserstoffkonzentration aufwendig und kostspielig mittels hochsensibler Wasserstoffsensoren ermittelt. Fuel cell systems are high-energy performers that produce energy by reacting hydrogen with oxygen. The oxygen is provided in the form of air that contains oxygen. In order to improve the efficiency of the fuel cell system, it is necessary to know the hydrogen content, i.e. in particular the hydrogen concentration on the anode side of a fuel cell system. Nowadays, the hydrogen concentration is determined in a complex and expensive manner using highly sensitive hydrogen sensors.
Ausgehend vom derzeitigen Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung eines Vol. %-Anteils an Wasserstoff auf einer Anodenseite eines Brennstoffzellensystems anzugeben. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mittels dessen es ermöglicht wird, einen Vol. %-Anteil an Wasserstoff auf einer Anodenseite des Brennstoffzellensystems zu bestimmen, um die Effizienz des Brennstoffzellensystems steigern zu können. Based on the current state of the art, it is an object of the present invention to provide a simplified and cost-effective method for determining a vol. % proportion of hydrogen on an anode side of a fuel cell system. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system by means of which it is possible to determine a vol. % proportion of hydrogen on an anode side of the fuel cell system in order to be able to increase the efficiency of the fuel cell system.
Die Lösung der Aufgaben erfolgt durch die unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung zum Inhalt. Demgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Vol.%- Anteils an Wasserstoff gelöst, der, bezogen auf ein Gasgemisch auf einer Anodenseite eines Brennstoffzellensystems vorliegt, das nachfolgende Schritte umfasst. The tasks are solved through the independent claims. The dependent claims contain advantageous developments and embodiments of the invention. Accordingly, the object is achieved by a method for determining a vol.% proportion of hydrogen which, based on a gas mixture, is present on an anode side of a fuel cell system, which comprises the following steps.
Zunächst wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Vielzahl an Brennstoffzellen, die in Form eines Zellenstapels in Reihe geschaltet sind. Jede Brennstoffzelle umfasst dabei eine Anode mit einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode liegende Membran. Sofern nur eine Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem vorliegt, entspricht die Anodenseite der Seite der einen in dieser Brennstoffzelle vorhandenen Anode. Sofern zwei oder mehrere Brennstoffzellen vorliegen, ist unter der Anodenseite des Brennstoffzellensystems die Gesamtheit aller in Reihe geschalteten und damit miteinander in einem Gaskreislauf verbundenen Anoden aller Brennstoffzellen gemeint. First, a fuel cell system is provided. The fuel cell system includes at least one fuel cell and in particular a plurality of fuel cells that are connected in series in the form of a cell stack. Each fuel cell includes an anode with an anode inlet and an anode outlet, a cathode and a membrane located between the anode and the cathode. If there is only one fuel cell in the fuel cell system, the anode side corresponds to the side of the one anode present in this fuel cell. If there are two or more fuel cells, the anode side of the fuel cell system refers to the entirety of all anodes of all fuel cells connected in series and thus connected to one another in a gas circuit.
Das Brennstoffzellensystem wird betrieben. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem sich nicht in einem Start-up Prozess befindet, sondern in einem kontinuierlichen Betrieb der Energieerzeugung. The fuel cell system is operating. This means that the fuel cell system is not in a start-up process, but in a continuous operation of energy production.
Während des Betreibens des Brennstoffzellensystems wird am Anodeneinlass, also insbesondere stromaufwärts des Anodeneinlasses, was im Fall von mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen dem Bereich entspricht, der auf der Anodenseite vor der ersten Brennstoffzelle liegt, mit anderen Worten stromaufwärts der ersten Anode, der Druck mittels eines Drucksensors gemessen. Der Druck entspricht im Wesentlichen dem Gasgemischdruck am Anodeneinlass, also mit anderen Worten dem Anodengasdruck. Zu einem vernachlässigbar geringen Anteil kann das Gasgemisch Wasserdampf enthalten, was aber auf das Messergebnis keinen wesentlichen Einfluss hat, da dies sowohl für das Brennstoffzellensystem als auch für ein noch zu beschreibendes Referenzsystem in gleichem Maß zutrifft und daher der Einfluss in den Referenzkennlinien bereits enthalten ist. During operation of the fuel cell system, at the anode inlet, i.e. in particular upstream of the anode inlet, which in the case of several fuel cells connected in series corresponds to the area that lies on the anode side in front of the first fuel cell, in other words upstream of the first anode, the pressure is controlled by means of a Pressure sensor measured. The pressure essentially corresponds to the gas mixture pressure at the anode inlet, in other words the anode gas pressure. The gas mixture can contain water vapor to a negligibly small proportion, but this does not have a significant influence on the measurement result, since this applies equally to both the fuel cell system and a reference system yet to be described and therefore the influence is already included in the reference characteristic curves.
Ebenfalls während des Betreibens des Brennstoffzellensystems wird am Anodenauslass, also insbesondere stromabwärts des Anodenauslasses, was im Fall von mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen einem Bereich entspricht, der auf der Anodenseite nach der letzten Brennstoffzelle liegt, mit anderen Worten stromabwärts der letzten Anode, der Druck mittels eines weiteren Drucksensors gemessen. Der Druck entspricht im Wesentlichen dem Druck des Gasgemisches auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems. Neben Wasserstoff, kann das Gasgemisch auch Stickstoff und Wasserdampf enthalten, die durch die Messung miterfasst werden. Da Wasserdampf nur zu sehr geringen Anteilen im Gasgemisch der Anoden enthalten ist, kann dieser wiederum vernachlässigt werden. Also during operation of the fuel cell system, what is happening is at the anode outlet, i.e. in particular downstream of the anode outlet In the case of several fuel cells connected in series, the pressure corresponds to an area that lies on the anode side after the last fuel cell, in other words downstream of the last anode, by means of a further pressure sensor. The pressure essentially corresponds to the pressure of the gas mixture on the anode side of the fuel cell system. In addition to hydrogen, the gas mixture can also contain nitrogen and water vapor, which are also recorded by the measurement. Since water vapor is only contained in very small proportions in the gas mixture of the anodes, this can be neglected.
Aus dem gemessenen Druck am Anodeneinlass (pAnodeneimass) und dem gemessenen Druck am Anodenauslass (pAnodenausiass) kann eine Druckdifferenz (Ap) bestimmt werden. Die Druckdifferenz (Ap) setzt sich dabei wie folgt zusammen: A pressure difference (Ap) can be determined from the measured pressure at the anode inlet (pAnodeimass) and the measured pressure at the anode outlet (pAnodeausiass). The pressure difference (Ap) is made up as follows:
Ap = PAnodeneinlass" PAnodenausiass = Pstromentnahme+Pvolumenstrom Ap = PAnode inlet" PAnode outlet = Pcurrent extraction + Pvolume flow
Der Druck wird dabei in kPa angegeben. The pressure is given in kPa.
Pstromentnahme entspricht dabei dem Wasserstoffdruck, der auf die Stromentnahme aus dem Brennstoffzellensystem entfällt und pvoiumenstrom ist der Druck, der durch Reibungsverluste bei der Durchströmung des Brennstoffzellenstapels mit einem Gasgemisch auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems erzeugt wird. Power extraction corresponds to the hydrogen pressure that corresponds to the power extraction from the fuel cell system and power consumption is the pressure that is generated by friction losses when a gas mixture flows through the fuel cell stack on the anode side of the fuel cell system.
Um pstromentnahme zu bestimmen, wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt der aus dem Brennstoffzellensystem entnommene Strom mittels eines Sensors gemessen. Der Strom wird dabei in Ampere gemessen, pstromentnahme kann gemäß den nachfolgenden Formeln 1 und 2 ermittelt werden: In order to determine power consumption, the current drawn from the fuel cell system is measured using a sensor in an additional process step. The current is measured in amperes; current consumption can be determined according to the following formulas 1 and 2:
Pstromentnahme = nH2_Stromentnahme * R * T / V Formel 1 Pcurrent extraction = nH2_current extraction * R * T / V Formula 1
In Formel 1 sind: nH2_Stromentnahme = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt In formula 1: nH2_current extraction = amount [mol] of H2 that is accounted for by the current extraction
- R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - T = Brennstoffzellentemperatur [K] (im Falle von zwei oder mehr- R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)] - T = fuel cell temperature [K] (in the case of two or more
Brennstoffzellen entspricht T der durchschnittlichen Temperatur des Brennstoffzellenstapels; in jedem Fall repräsentiert T die mittels eines Temperatursensors gemessene Temperatur des Anodengasgemischs)Fuel cells, T corresponds to the average temperature of the fuel cell stack; in each case, T represents the temperature of the anode gas mixture measured by a temperature sensor)
- V = Volumen der Anode [m3] in Volumenstromrichtung zwischen den beiden Druckmessbereichen (i.d.R. zwischen zwei Drucksensoren, also einem Drucksensor am Anodeneinlass und einem Drucksensor am Anodenauslass) (im Falle von zwei oder mehr Brennstoffzellen im Brennstoffzellensystem entsprich V dem Gesamtvolumen aller Anoden) nH2_Stromentnahme = I * t * Hzellen / F / 2 Formel 2 - V = volume of the anode [m 3 ] in the volume flow direction between the two pressure measuring areas (usually between two pressure sensors, i.e. a pressure sensor at the anode inlet and a pressure sensor at the anode outlet) (in the case of two or more fuel cells in the fuel cell system, V corresponds to the total volume of all anodes) nH2_current extraction = I * t * H cells / F / 2 Formula 2
In Formel 2 sind: In Formula 2 are:
- I = aus dem Brennstoffzellensystem entnommener Strom [Ampere]- I = current drawn from the fuel cell system [amperes]
- t = Zeit [s] (Wirkzeit des entnommenen Stromes) - t = time [s] (effective time of the current drawn)
- nzeiien = Anzahl der Zellen im Brennstoffzellensystem, die in Serie geschaltet sind - nzeiien = Number of cells in the fuel cell system that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol] (Faraday-Konstante). - F = 96485.3 [C/mol] (Faraday constant).
Die Zahl 2 steht für die Anzahl an Elektronen pro Wasserstoffmolekül Hz. The number 2 stands for the number of electrons per hydrogen molecule Hz.
Zur weiteren Bestimmung des Vol. %-Anteils an Wasserstoff, ist es erforderlich, Referenzwerte bereitzustellen. Die Referenzwerte werden im Wesentlichen so wie die Werte des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems gewonnen. Zur Ermittlung der Referenzwerte wird ein Referenzbrennstoffzellensystem bereitgestellt, das vorteilhafterweise genauso aufgebaut ist, wie das vorstehende Brennstoffzellensystem, und das mindestens eine Referenzbrennstoffzelle mit einer Referenzanode mit einem Referenzanodeneinlass und einem Referenzanodenauslass, mit einer Referenzkathode und einer zwischen der Referenzanode und der Referenzkathode liegenden Referenzmembran umfasst. Sofern das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen umfasst, umfasst vorteilhafterweise auch das Referenzbrennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen. Aus dem Referenzbrennstoffzellensystem werden die für das Verfahren erforderlichen Referenzwerte wie folgt erhalten. Hierbei können dieselben Prinzipien und Annahmen getroffen werden, wie für das Brennstoffzellensystem und es gelten dieselben Definitionen, wie vorstehend offenbart, im übertragenen Sinne: In order to further determine the vol. % of hydrogen, it is necessary to provide reference values. The reference values are obtained essentially in the same way as the values of the fuel cell system described above. To determine the reference values, a reference fuel cell system is provided, which is advantageously constructed in the same way as the above fuel cell system and which comprises at least one reference fuel cell with a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, with a reference cathode and a reference membrane lying between the reference anode and the reference cathode. If the fuel cell system includes several fuel cells, the reference fuel cell system advantageously also includes several fuel cells. The reference values required for the method are obtained from the reference fuel cell system as follows. The same principles and assumptions can be made here as for the fuel cell system and the same definitions, as disclosed above, apply in a figurative sense:
Zunächst wird mittels eines Drucksensors ein Referenzdruck am Referenzanodeneinlass gemessen. Wie bereits für das vorstehend offenbarte Brennstoffzellensystem aufgezeigt, bedeutet „Referenzelektrodeneinlass“ stromaufwärts der Referenzanode und im Falle von mehreren in Reihe geschalteten Referenzbrennstoffzellen, stromaufwärts der ersten Referenzanode des Referenzbrennstoffzellenstapels. First, a reference pressure is measured at the reference anode inlet using a pressure sensor. As already indicated for the fuel cell system disclosed above, “reference electrode inlet” means upstream of the reference anode and, in the case of multiple reference fuel cells connected in series, upstream of the first reference anode of the reference fuel cell stack.
Sodann wird ein Referenzdruck am Referenzanodenauslass gemessen. „Referenzelektrodenauslass“ bedeutet hierbei wiederum stromabwärts der Referenzanode und im Falle von mehreren in Reihe geschalteten Referenzbrennstoffzellen, stromabwärts der letzten Referenzanode des Referenzbrennstoffzellenstapels. A reference pressure is then measured at the reference anode outlet. “Reference electrode outlet” here again means downstream of the reference anode and, in the case of several reference fuel cells connected in series, downstream of the last reference anode of the reference fuel cell stack.
Während den Druckmessungen der Referenzdrücke wird ein Gasstrom im Referenzbrennstoffzellensystem von 100 Vol.% Stickstoff durch Zufügen von Wasserstoff auf 100 Vol.% Wasserstoff geändert und der jeweilige Vol. %-Anteil an Wasserstoff kann ermittelt werden. Dies kann z.B. mittels Gaschromatographie erfolgen, indem ein zu vermessender Teilvolumenstrom einem Gaschromatographen zugeleitet wird. Zur Verringerung des Fehlers wird vorzugsweise die Konzentration von Wasserstoff und zusätzlich auch die Konzentration von Stickstoff zwei Mal jeweils möglichst nahe an der Position ermittelt, an der auch der Druck am Anodeneinlass und der Druck am Anodenauslass gemessen wird. Alle Berechnungen beziehen sich auf die mittlere Anodengaskonzentration, welche aus dem Mittelwert der beiden Konzentrationssensorwerte ermittelt wird und für die durchschnittliche Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellenstapel steht. Ferner wird jeweils der aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommene Strom mittels eines Stromsensors in Ampere gemessen. Zudem kann auch die Wasserkonzentration im Gasgemisch ermittelt werden, um den Fehler weiter zu reduzieren. Aus den ermittelten Drücken wird eine Referenzdruckdifferenz Apref bestimmt, wobei Folgendes gilt: During the pressure measurements of the reference pressures, a gas flow in the reference fuel cell system is changed from 100 vol.% nitrogen to 100 vol.% hydrogen by adding hydrogen and the respective vol.% share of hydrogen can be determined. This can be done, for example, using gas chromatography by feeding a partial volume flow to be measured to a gas chromatograph. To reduce the error, the concentration of hydrogen and additionally the concentration of nitrogen are preferably determined twice as close as possible to the position at which the pressure at the anode inlet and the pressure at the anode outlet are also measured. All calculations refer to the average anode gas concentration, which is determined from the average of the two concentration sensor values and represents the average hydrogen concentration in the fuel cell stack. Furthermore, the current drawn from the reference fuel cell system is measured in amperes using a current sensor. In addition, the water concentration in the gas mixture can also be determined to further reduce the error. A reference pressure difference Ap re f is determined from the determined pressures, whereby the following applies:
Apref = Pref_Stromentnahme+Pref_Volumenstrom Apref = Pref_current_consumption+Pref_volume_flow
Pref_stromentnahme entspricht dabei dem Wasserstoffdruck, der auf die Stromentnahme aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entfällt und Pref_voiumenstrom ist der Druck, der durch Reibungsverluste bei der Durchströmung des Referenzbrennstoffzellenstapels mit einem Gasgemisch auf der Anodenseite des Referenzbrennstoffzellensystems erzeugt wird. Die Höhe der Reibungsverluste sind dabei aufgrund des großen Dichteunterschieds zwischen den Gasen Stickstoff und Wasserstoff signifikant vom vorhandenen Wasserstoff- Volumenanteil im Gasgemisch auf der Anodenseite des Referenzbrennstoffzellensystems abhängig. Pref_stromentnahme corresponds to the hydrogen pressure that is due to the current extraction from the reference fuel cell system and Pref_voiumenstrom is the pressure that is generated by friction losses when a gas mixture flows through the reference fuel cell stack on the anode side of the reference fuel cell system. Due to the large difference in density between the gases nitrogen and hydrogen, the level of friction losses depends significantly on the hydrogen volume fraction present in the gas mixture on the anode side of the reference fuel cell system.
Zur Bestimmung von pstromentnahme wird der aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommene und gemessene Strom benötigt. To determine power consumption, the current taken and measured from the reference fuel cell system is required.
Pref_stromentnahme kann gemäß den nachfolgenden Formeln 3 und 4 ermittelt werden: Pref_stromaustnahme can be determined according to the following formulas 3 and 4:
Pref_Stromentnahme = nref_H2_Stromentnahme * R * Tref / ref Formel 3 Pref_current extraction = nref_H2_current extraction * R * Tref / ref formula 3
In Formel 3 sind: nref_H2_Stromentnahme = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt In formula 3: nref_H2_Stromennahme = amount of substance [mol] of H2 that is accounted for by the current extraction
- R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)]
- Tref = Referenzbrennstoffzellentemperatur [K] (im Falle von zwei oder mehr Referenzbrennstoffzellen entspricht Tref der durchschnittlichen Temperatur des Referenzbrennstoffzellenstapels; in jedem Fall repräsentiert Tref die mittels eines Temperatursensors gemessene Temperatur des Referenzanodengasgemisches) und - Tref = reference fuel cell temperature [K] (in the case of two or more reference fuel cells, T re f corresponds to the average temperature of the reference fuel cell stack; in each case, T re f represents the temperature of the reference anode gas mixture measured by a temperature sensor) and
- Vref = Volumen der Referenzanode [m3] in Volumenstromrichtung zwischen den beiden Druckmessbereichen (i.d.R. zwischen zwei Drucksensoren, also einem Drucksensor am Anodeneinlass und einem Drucksensor am Anodenauslass) (im Falle von zwei oder mehr Referenzbrennstoffzellen im Referenzbrennstoffzellensystem entspricht V dem Gesamtvolumen aller Referenzanoden). nref_H2_Stromentnahme = Iref * t * nref_Zellen / F / 2 Formel 4- Vref = volume of the reference anode [m 3 ] in the volume flow direction between the two pressure measuring areas (usually between two pressure sensors, i.e. a pressure sensor at the anode inlet and one Pressure sensor at the anode outlet) (in the case of two or more reference fuel cells in the reference fuel cell system, V corresponds to the total volume of all reference anodes). nref_H2_current extraction = Iref * t * nref_cells / F / 2 Formula 4
In Formel 4 sind: In Formula 4 are:
- I ref = aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommener Strom [Ampere] - I ref = current drawn from the reference fuel cell system [amps]
- t = Zeit [s] (Wirkzeit des entnommenen Stromes) - t = time [s] (effective time of the current drawn)
- nref_zeiien = Anzahl der Zellen im Referenzbrennstoffzellensystem, die in Serie geschaltet sind - n re f_zeiien = number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol] (Faraday-Konstante) - F = 96485.3 [C/mol] (Faraday constant)
Die Zahl 2 steht für die Anzahl an Elektronen pro Wasserstoffmolekül H2. The number 2 stands for the number of electrons per hydrogen molecule H2.
Pref_ oiumenstrom ist aus dem jeweiligen Gasgemisch Stickstoff/Wasserstoff, das dem Referenzbrennstoffzellensystem auf der Anodenseite zugeführt wird, bekannt, da hier Wasserstoff und Stickstoff in einem vorbestimmten Verhältnis gemischt werden und daraus folgend, die Referenzdruckdifferenz bestimmt wird. Pref_ oiumenstrom is known from the respective nitrogen/hydrogen gas mixture that is supplied to the reference fuel cell system on the anode side, since here hydrogen and nitrogen are mixed in a predetermined ratio and, as a result, the reference pressure difference is determined.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die für das Brennstoffzellensystem ermittelte Druckdifferenz (Ap) mit für das Referenzbrennstoffzellensystem ermittelten Referenzdruckdifferenzen (Apref) verglichen und somit der Volumenanteil Stickstoff zu Wasserstoff jeweils in Vol.%, der der ermittelten Druckdifferenz (Ap) entspricht, erhalten. In a further method step, the pressure difference (Ap) determined for the fuel cell system is compared with reference pressure differences (Ap re f) determined for the reference fuel cell system and the volume fraction of nitrogen to hydrogen is thus obtained in vol.%, which corresponds to the determined pressure difference (Ap).
Da für die jeweilige Referenzdruckdifferenz (Apref) das Verhältnis in Vol.% an Wasserstoff zu Stickstoff bekannt ist, kann aus der Druckdifferenz (Ap) für dieselbe Referenzdruckdifferenz (Apref) der Vol. %-Anteil an Wasserstoff ermittelt werden. Since the ratio in vol.% of hydrogen to nitrogen is known for the respective reference pressure difference (Ap re f), the vol. % proportion of hydrogen can be determined from the pressure difference (Ap) for the same reference pressure difference (Ap re f).
Die Referenzdaten können für das gleiche Brennstoffzellensystem ermittelt werden, wie es in dem Verfahren verwendet wird, und für das der Vol. %-Anteil an Wasserstoff auf der Anodenseite ermittelt werden soll. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig umsetzbar, denn es erfordert lediglich einmal das Bereitstellen eines Referenzbrennstoffzellensystems zur Ermittlung der Referenzdaten und dann in dem Brennstoffzellensystem lediglich Drucksensoren. Die Temperatur und der Strom werden sowieso standardmäßig ausgegeben. Somit ist das Verfahren kostengünstig auch deswegen, weil es auf teure und empfindliche Wasserstoffsensoren verzichten kann. The reference data can be determined for the same fuel cell system as is used in the method and for which the vol. % share of hydrogen on the anode side is to be determined. The method can be implemented easily and inexpensively because it only requires the provision of a reference fuel cell system once to determine the reference data and then only pressure sensors in the fuel cell system. The temperature and current are output by default anyway. The process is therefore cost-effective because it eliminates the need for expensive and sensitive hydrogen sensors.
Vorteilhafterweise kann das Brennstoffzellensystem im statischen Betrieb oder im dynamischen Betrieb betrieben werden. Unter einem dynamischen Betrieb wird dabei ein solcher verstanden, bei dem sich der Strom entweder um mehr als 10% (min. Änderung 2A) ändert (bei sehr kleinen Brennstoffzellenstapelströmen <20A) oder um mehr als 15A ändert (bei höheren Brennstoffzellenstapelströmen (>150A) kann das Limit beispielsweise unterhalb von 10% liegen), verglichen mit einem ermittelten Mittelwert des Stroms aus den letzten 100ms Messzeit. Ein dynamischer Betrieb liefert ungenauere Werte für den Vol. %-Anteil an Wasserstoff als ein statischer Betrieb. Advantageously, the fuel cell system can be operated in static operation or in dynamic operation. Dynamic operation is understood to mean one in which the current either changes by more than 10% (min. change 2A) (for very small fuel cell stack currents <20A) or changes by more than 15A (for higher fuel cell stack currents (>150A) The limit can be below 10%, for example), compared with a determined average value of the current from the last 100ms measuring time. Dynamic operation provides less accurate values for the vol. % of hydrogen than static operation.
Daher ist es besonders bevorzugt, wenn die Druckmessungen erst wieder aktiviert werden, wenn die o.g. Bedingung von mehr als 10% (oder <15A) für den dynamischen Betrieb für 1s dauerhaft nicht zutrifft. Das System hat sodann einen stationären Zustand erreichen. It is therefore particularly preferred if the pressure measurements are only activated again when the above-mentioned condition of more than 10% (or <15A) for dynamic operation is not met for 1s. The system must then reach a steady state.
Da die jeweiligen Druckdifferenzen für ein statisches System einfacher zu bestimmen sind, und damit die Bestimmung des Vol. -Anteils an Wasserstoff im Gasgemisch auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems wesentlich genauer ermittelt werden kann, ist der statische Betrieb des Brennstoffzellensystems gegenüber dem dynamischen Betrieb bevorzugt. Since the respective pressure differences are easier to determine for a static system, and therefore the determination of the volume fraction of hydrogen in the gas mixture on the anode side of the fuel cell system can be determined much more precisely, static operation of the fuel cell system is preferred over dynamic operation.
Vorzugsweise wird das aus dem Anodenauslass austretende Anodenabgas vom Anodenauslass zum Anodeneinlass rezirkuliert und daher auch Rezirkulationsgas genannt. Dies ermöglicht nicht nur ein Recycling des Anodenabgases, sondern trägt auch zum stationären Betrieb des Brennstoffzellensystems bei und erleichtert damit eine genauere Bestimmung des Vol. %-Anteils an Wasserstoff auf der Anodenseite. Preferably, the anode exhaust gas emerging from the anode outlet is recirculated from the anode outlet to the anode inlet and is therefore also called recirculation gas. This not only enables the anode exhaust gas to be recycled, but also contributes to the stationary operation of the fuel cell system and thus facilitates a more precise determination of the vol. % of hydrogen on the anode side.
Um etwaige Fehler in der Bestimmung des Vol. %-Anteils an Wasserstoff auf der Anodenseite weiter zu verringern, ist vorteilhaft vorgesehen, dass das Wasser aus dem Anodenabgas abgetrennt wird. Besonders vorteilhaft wird dabei das Wasser vor dem Messen des Drucks am Anodenauslass abgetrennt. Weiter vorteilhaft wird das Anodenabgas aktiv, insbesondere mittels eines Motors, oder passiv rezirkuliert. Eine passive Rezirkulation wird dabei durch Zuführen von Wasserstoff aus einem Vorratsbehältnis, wie z.B. einem Tank, zum Brennstoffzellensystem, ausgeführt. Eine aktive Rezirkulation ist dabei bevorzugt, da sie einen besonders konstanten Volumenstrom durch die Anodenseite des Brennstoffzellensystems erzeugt. In order to further reduce any errors in the determination of the vol. % of hydrogen on the anode side, it is advantageously provided that the water is separated from the anode exhaust gas. It is particularly advantageous to separate the water at the anode outlet before measuring the pressure. Further advantageously, the anode exhaust gas is actively recirculated, in particular by means of a motor, or passively. Passive recirculation is carried out by supplying hydrogen from a storage container, such as a tank, to the fuel cell system. Active recirculation is preferred because it generates a particularly constant volume flow through the anode side of the fuel cell system.
Zur weiteren Verbesserung des Verfahrens, und insbesondere zur Erhöhung der Genauigkeit des Vol.% Wertes des Wasserstoffs, werden vorzugsweise nur solche Referenzdrücke zur Ermittlung der Referenzdaten berücksichtigt, für die eine Referenzdruckdifferenz über eine Messdauer von mindestens 100 ms im Wesentlichen konstant ist. To further improve the method, and in particular to increase the accuracy of the vol.% value of the hydrogen, only those reference pressures for which a reference pressure difference is essentially constant over a measurement period of at least 100 ms are preferably taken into account for determining the reference data.
Des Weiteren erfindungsgemäß wird auch ein Brennstoffzellensystem beschrieben. Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere eingerichtet, das vorstehend erfindungsgemäß beschriebene Verfahren auszuführen. Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sind daher alle vorstehenden Definitionen und Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls anwendbar. Auch finden die jeweiligen vorteilhaften Weiterbildungen wechselseitig Anwendung. Furthermore, according to the invention, a fuel cell system is also described. The fuel cell system is in particular set up to carry out the method described above according to the invention. All of the above definitions and explanations of the method according to the invention are therefore also applicable to the fuel cell system according to the invention. The respective advantageous developments are also used mutually.
Hierzu umfasst das Brennstoffzellensystem mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode mit einem Anodeneinlass und einem Anodenauslass, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode liegenden Membran. Es können auch zwei oder mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in Reihe geschaltet vorliegen. For this purpose, the fuel cell system comprises at least one fuel cell with an anode with an anode inlet and an anode outlet, a cathode and a membrane located between the anode and the cathode. There can also be two or more fuel cells connected in series in a fuel cell stack.
Das Brennstoffzellensystem umfasst einen ersten Drucksensor am Anodeneinlass zum Messen des Drucks am Anodeneinlass (im Falle von zwei oder mehreren Brennstoffzellen, wird der Druck vor dem Einlass in die erste in Reihe geschaltete Anode gemessen) und einen zweiten Drucksensor am Anodenauslass zum Messen des Drucks am Anodenauslass (im Falle von zwei oder mehreren Brennstoffzellen, wird der Druck nach dem Auslass aus der letzten in Reihe geschalteten Anode gemessen). The fuel cell system includes a first pressure sensor at the anode inlet for measuring the pressure at the anode inlet (in the case of two or more fuel cells, the pressure is measured before the inlet to the first series-connected anode) and a second pressure sensor at the anode outlet for measuring the pressure at the anode outlet (In the case of two or more fuel cells, the pressure is measured after the outlet from the last anode connected in series).
Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur in Kelvin in der Brennstoffzelle bzw. im Brennstoffzellenstapel, was der Temperatur des Gasgemischs auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems entspricht. Furthermore, the fuel cell system includes a temperature sensor for determining the temperature in Kelvin in the fuel cell or in Fuel cell stack, which corresponds to the temperature of the gas mixture on the anode side of the fuel cell system.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen Sensor zum Bestimmen des aus dem Brennstoffzellensystem entnommenen Stroms (gemessen in Ampere) und eine Speichervorrichtung. Die Speichervorrichtung umfasst: The fuel cell system further includes a sensor for determining the current drawn from the fuel cell system (measured in amperes) and a storage device. The storage device includes:
Referenzwerte, die für ein Referenzbrennstoffzellensystem erhalten wurden, das mindestens eine Referenzbrennstoffzelle mit einer Referenzanode mit einem Referenzanodeneinlass und einem Referenzanodenauslass, einer Referenzkathode und einer zwischen der Referenzanode und der Referenzkathode liegenden Referenzmembran, umfasst, wobei die Referenzwerte wie folgt erhalten wurden: durch Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodeneinlass, durch Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodenauslass, wobei während der Messung der Referenzdrücke ein Gasstrom im Referenzbrennstoffzellensystem von 100 Vol.% Stickstoff durch Zufügen von Wasserstoff auf 100 Vol.% Wasserstoff geändert wurde, Referenzwerte, die den jeweils aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommenen Strom darstellen und Referenzdruckdifferenzen Apref, wobei Reference values obtained for a reference fuel cell system comprising at least one reference fuel cell having a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, a reference cathode and a reference membrane located between the reference anode and the reference cathode, the reference values being obtained as follows: by measuring a reference pressure at the reference anode inlet, by measuring a reference pressure at the reference anode outlet, wherein during the measurement of the reference pressures a gas flow in the reference fuel cell system was changed from 100 vol.% nitrogen to 100 vol.% hydrogen by adding hydrogen, reference values that represent the current taken from the reference fuel cell system and reference pressure differences Ap re f, where
Apref = Pref_Stromentnahme+Pref_Volumenstrom wobei Pref_stromentnahme gemäß den nachfolgenden Formeln 3 und 4 aus dem Messwert für den aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommenen Strom ermittelt wurde: Apref = Pref_Stromentnahme+Pref_Volumenstrom where Pref_stromentnahme was determined according to the following formulas 3 and 4 from the measured value for the current taken from the reference fuel cell system:
Pref_Stromentnahme = nref_H2_Stromentnahme * R * Tref / ref Formel 3 mit nref_H2_Stromentnahme = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt Pref_Stromennahme = nref_H2_Stromennahme * R * Tref / ref Formula 3 with nref_H2_Stromennahme = amount of substance [mol] of H2 that is attributable to the electricity withdrawal
- R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - Tref = Referenzbrennstoffzellentemperatur [K] (im Falle von zwei oder mehr Referenzbrennstoffzellen entspricht Tref der durchschnittlichen Temperatur des Referenzbrennstoffzellenstapels; in jedem Fall repräsentiert Tref die mittels eines Temperatursensors gemessene Temperatur des Anodengasgemischs) und - R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)] - Tref = reference fuel cell temperature [K] (in the case of two or more reference fuel cells, T re f corresponds to the average temperature of the reference fuel cell stack; in each case, T re f represents the temperature of the anode gas mixture measured by a temperature sensor) and
- Vref = Volumen der Referenzanode [m3] in Volumenstromrichtung zwischen den beiden Druckmessbereichen (i.d.R. zwischen zwei Drucksensoren, also einem Drucksensor am Anodeneinlass und einem Drucksensor am Anodenauslass) (im Falle von zwei oder mehr Brennstoffzellen im Brennstoffzellensystem entsprich V dem Gesamtvolumen aller Anoden). nref_H2_Stromentnahme = Iref * t * nref_Zellen / F / 2 Formel 4 - Vref = volume of the reference anode [m 3 ] in the volume flow direction between the two pressure measuring areas (usually between two pressure sensors, i.e. a pressure sensor at the anode inlet and a pressure sensor at the anode outlet) (in the case of two or more fuel cells in the fuel cell system, V corresponds to the total volume of all anodes) . nref_H2_current extraction = Iref * t * nref_cells / F / 2 Formula 4
- I ref = aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommener Strom [Ampere] - I ref = current drawn from the reference fuel cell system [amps]
- t = Zeit [s] (die Wirkzeit des entnommenen Stromes) - t = time [s] (the effective time of the current drawn)
- nref_zeiien = Anzahl der Zellen im Referenzbrennstoffzellensystem, die in Serie geschaltet sind - n re f_zeiien = number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol] (Faraday Konstante) - F = 96485.3 [C/mol] (Faraday constant)
Die Zahl 2 steht für die Anzahl an Elektronen pro Wasserstoffmolekül. The number 2 stands for the number of electrons per hydrogen molecule.
Pref_ oiumenstrom wurde aus dem jeweiligen Gasgemisch Stickstoff/Wasserstoff bestimmt. Pref_ oiumenstrom was determined from the respective nitrogen/hydrogen gas mixture.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Kontrollvorrichtung, die eingerichtet ist zum Bestimmen einer Druckdifferenz (Ap) zwischen dem Druck am Anodeneinlass und dem Druck am Anodenauslass) Druckdifferenz zwischen dem ersten Drucksensor und dem zweiten Drucksensor), wobei sich die Druckdifferenz (Ap) wie folgt zusammensetzt: The fuel cell system further comprises a control device which is set up to determine a pressure difference (Ap) between the pressure at the anode inlet and the pressure at the anode outlet (pressure difference between the first pressure sensor and the second pressure sensor), the pressure difference (Ap) being composed as follows:
Ap — Pstromentnahme+Pvolumenstrom Die Kontrollvorrichtung ist ferner eingerichtet zum Vergleichen der ermittelten Druckdifferenz (Ap) mit den Referenzdruckdifferenzen (Apref) zur Ermittlung des Volumenanteils in Vol.% an Stickstoff zu Wasserstoff, die der ermittelten Druckdifferenz (Ap) entspricht und zum Ermitteln eines Vol. %-Anteils an Wasserstoff im Anodengasgemisch aus den Volumenanteilen an Stickstoff zu Wasserstoff, die für das Referenzbrennstoffzellensystem bei einer bestimmten Referenzdruckdifferenz (Apref) erhalten wurden, wobei der Vol. %-Anteil an Wasserstoff für das Referenzbrennstoffzellensystem gemessen wurde und daher bekannt ist. Ap — Pcurrent extraction+Pvolume flow The control device is also set up to compare the determined pressure difference (Ap) with the reference pressure differences (Ap re f) to determine the volume fraction in vol.% of nitrogen to hydrogen, which corresponds to the determined pressure difference (Ap) and to determine a vol.% Proportion of hydrogen in the anode gas mixture from the volume proportions of nitrogen to hydrogen, which were obtained for the reference fuel cell system at a certain reference pressure difference (Ap re f), whereby the vol.% proportion of hydrogen was measured for the reference fuel cell system and is therefore known.
Ferner vorteilhaft umfasst das Brennstoffzellensystem eine Ausgabevorrichtung zum Ausgeben des ermittelten Wasserstoffanteils, die beispielsweise in Form eines Monitors oder Displays ausgebildet sein kann. Furthermore, the fuel cell system advantageously comprises an output device for outputting the determined hydrogen content, which can be designed, for example, in the form of a monitor or display.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist wie ein herkömmliches Brennstoffzellensystem ausgebildet, und verfügt über zwei Drucksensoren zur Bestimmung einer Druckdifferenz zwischen dem Anodeneinlass und dem Anodenauslass. Damit ist das Brennstoffzellensystem sehr effizient und kostengünstig und ermöglicht zuverlässig die Bestimmung eines Vol. %-Anteils an Wasserstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems. Dadurch kann auch die Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert werden. The fuel cell system according to the invention is designed like a conventional fuel cell system and has two pressure sensors for determining a pressure difference between the anode inlet and the anode outlet. This makes the fuel cell system very efficient and cost-effective and enables the reliable determination of a vol. % share of hydrogen on the anode side of the fuel cell system. This can also increase the efficiency of the fuel cell system.
Weiter vorteilhaft umfasst das Brennstoffzellensystem einen Rezirkulationskreislauf zum Rezirkulieren des aus dem Anodenauslass austretenden Anodenabgases vom Anodenauslass zum Anodeneinlass. Dies ermöglicht eine effizientere Ausnutzung des Brenngases und trägt dazu bei, das Gasgemisch von und zur Anode gleichmäßiger zu verteilen, was Fehler bei der Bestimmung des Vol. %-Anteils an Wasserstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems verringert. Further advantageously, the fuel cell system comprises a recirculation circuit for recirculating the anode exhaust gas emerging from the anode outlet from the anode outlet to the anode inlet. This allows for more efficient use of the fuel gas and helps distribute the gas mixture to and from the anode more evenly, reducing errors in determining the vol. % hydrogen on the anode side of the fuel cell system.
Ferner vorteilhaft im Lichte einer Reduzierung von Messfehlern in Bezug auf die Bestimmung des Vol. %-Anteils an Wasserstoff, umfasst das Brennstoffzellensystem einen Wasserabscheider im Rezirkulationskreislauf, wobei der Wasserabscheider insbesondere stromaufwärts des zweiten Drucksensors angeordnet ist. Zur Verbesserung des statischen Betriebs des Brennstoffzellensystems ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass der Rezirkulationskreislauf einen Motor zum aktiven Rezirkulieren des Anodenabgases umfasst. Furthermore advantageous in the light of a reduction in measurement errors in relation to the determination of the vol. % proportion of hydrogen, the fuel cell system comprises a water separator in the recirculation circuit, the water separator being arranged in particular upstream of the second pressure sensor. In order to improve the static operation of the fuel cell system, it is further advantageously provided that the recirculation circuit comprises a motor for actively recirculating the anode exhaust gas.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigt: Further details, features and advantages of the invention result from the following description and the figures. It shows:
Figur 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung und Figure 1 shows a fuel cell system according to a first advantageous development and
Figur 2 ein Beispieldiagramm zur Bestimmung des Vol. %-Anteils an Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung. Figure 2 shows an example diagram for determining the vol. % proportion of hydrogen in a fuel cell system according to a second advantageous development.
In den Figuren sind nur die wesentlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung dargestellt. Alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Only the essential aspects of the present invention are shown in the figures. All other aspects have been omitted for the sake of clarity.
Fig. 1 zeigt vereinfacht und schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel. Exemplarisch für den Brennstoffzellenstapel ist eine einzelne Brennstoffzelle 2 gezeigt. Im Brennstoffzellenstapel sind mehrere Brennstoffzellen 2 in Reihe geschaltet. Jede Brennstoffzelle 2 umfasst eine Anode 3 mit einem Anodeneinlass 3a und einem Anodenauslass 3b, eine Kathode 4 und eine zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 liegende Membran 5. 1 shows a simplified and schematic view of a fuel cell system 1 according to a first advantageous development. The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack. A single fuel cell 2 is shown as an example of the fuel cell stack. Several fuel cells 2 are connected in series in the fuel cell stack. Each fuel cell 2 comprises an anode 3 with an anode inlet 3a and an anode outlet 3b, a cathode 4 and a membrane 5 lying between the anode 3 and the cathode 4.
Am Anodeneinlass 3a, also etwas stromaufwärts des Anodeneinlasses 3a, ist ein erster Drucksensor 6 angeordnet, der zum Messen des Drucks am Anodeneinlass 3a eingerichtet ist. Am Anodenauslass 3b, also etwas stromabwärts des Anodenauslasses 3b, ist ein zweiter Drucksensor 7 zum Messen des Drucks am Anodenauslass 3b angeordnet. Stromaufwärts des zweiten Drucksensors 7 ist ein Wasserabscheider 8 in der Anodenabgasleitung integriert. At the anode inlet 3a, i.e. slightly upstream of the anode inlet 3a, a first pressure sensor 6 is arranged, which is set up to measure the pressure at the anode inlet 3a. At the anode outlet 3b, i.e. slightly downstream of the anode outlet 3b, a second pressure sensor 7 for measuring the pressure at the anode outlet 3b is arranged. Upstream of the second pressure sensor 7, a water separator 8 is integrated in the anode exhaust line.
Das Anodenabgas, das aus dem Anodenauslass 3b austritt, wird über einen Rezirkulationskreislauf 9 zum Anodeneinlass rezirkuliert. Zudem kann über eine Wasserstoffversorgungsleitung 10, beispielsweise aus einem Tank 11 , Wasserstoff in den Rezirkulationskreislauf 9 eingespeist und dem Anodeneinlass 3a zugeführt werden. The anode exhaust gas exiting the anode outlet 3b is recirculated to the anode inlet via a recirculation circuit 9. In addition, you can use one Hydrogen supply line 10, for example from a tank 11, hydrogen is fed into the recirculation circuit 9 and fed to the anode inlet 3a.
Ferner ist stromaufwärts, also direkt am Anodenauslass 3a, ein Temperatursensor 12 angebracht, zur Bestimmung der Temperatur in der Brennstoffzelle 2 und damit auf der Anodenseite der Brennstoffzelle im Anodenabgas. Alternativ kann ein Temperatursensor auch in einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet sein. Furthermore, a temperature sensor 12 is mounted upstream, i.e. directly at the anode outlet 3a, to determine the temperature in the fuel cell 2 and thus on the anode side of the fuel cell in the anode exhaust gas. Alternatively, a temperature sensor can also be arranged in a cooling circuit of the fuel cell system 1.
Das Brennstoffzellensystem 1 enthält zudem einen Sensor (nicht gezeigt) zum Bestimmen des aus dem Brennstoffzellensystem 1 entnommenen Stroms sowie eine Speichervorrichtung 20. Die Speichervorrichtung 20 beinhaltet Referenzwerte, erhalten für ein Referenzbrennstoffzellensystem mit einem Referenzbrennstoffzellenstapel, der eine Anzahl an Referenzbrennstoffzellen umfasst, die der Anzahl an Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel entspricht, jeweils mit einer Referenzanode mit einem Referenzanodeneinlass und einem Referenzanodenauslass, einer Referenzkathode und einer zwischen der Referenzanode und der Referenzkathode liegenden Referenzmembran, wobei die Referenzwerte wie folgt erhalten wurden: The fuel cell system 1 also contains a sensor (not shown) for determining the current drawn from the fuel cell system 1 and a storage device 20. The storage device 20 contains reference values obtained for a reference fuel cell system with a reference fuel cell stack comprising a number of reference fuel cells corresponding to the number of fuel cells in the fuel cell stack, each with a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, a reference cathode and a reference membrane located between the reference anode and the reference cathode, the reference values being obtained as follows:
Zum einen, durch Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodeneinlass, durch Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodenauslass, wobei während der Messung der Referenzdrücke ein Gasstrom im Referenzbrennstoffzellensystem von 100 Vol.% Stickstoff durch Zufügen von Wasserstoff auf 100 Vol.% Wasserstoff geändert wurde. Zum anderen sind Referenzwerte gespeichert, die den jeweils aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommenen Strom darstellen und Referenzdruckdifferenzen Apref, mit Apref = Pref_Stromentnahme+Pref_Volumenstrom wobei Pref_stromentnahme gemäß den nachfolgenden Formeln 3 und 4 aus dem Messwert für den aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommenen Strom ermittelt wurde: On the one hand, by measuring a reference pressure at the reference anode inlet, by measuring a reference pressure at the reference anode outlet, wherein during the measurement of the reference pressures a gas flow in the reference fuel cell system was changed from 100 vol.% nitrogen to 100 vol.% hydrogen by adding hydrogen. On the other hand, reference values are stored which represent the current taken from the reference fuel cell system and reference pressure differences Apref, with Apref = Pref_Stromentnahme+Pref_Volumenstrom where Pref_stromtnahme was determined according to the following formulas 3 and 4 from the measured value for the current taken from the reference fuel cell system:
Pref_Stromentnahme = nref_H2_Stromentnahme * R * Tref / ref Formel 3 mit riref_H2_Stromentnahme = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt Pref_Stromennahme = nref_H2_Stromennahme * R * Tref / ref Formula 3 with riref_H2_Stromennahme = amount [mol] of H2 that is accounted for by the current extraction
- R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)]
- Tref = Referenzbrennstoffzellentemperatur [K] und - Tref = reference fuel cell temperature [K] and
- Vref = Volumen der Referenzanode [m3] und nref_H2_Stromentnahme = Iref * t * nref_Zellen / F / 2 Formel 4 mit - Vref = volume of the reference anode [m 3 ] and nref_H2_current extraction = Iref * t * nref_cells / F / 2 formula 4 with
- Iref = aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommener Strom [Ampere] - Iref = current drawn from the reference fuel cell system [amperes]
- t = Zeit [s] (die Wirkzeit des entnommenen Stromes) - t = time [s] (the effective time of the current drawn)
- nref_zeiien = Anzahl der Zellen im Referenzbrennstoffzellensystem, die in Serie geschaltet sind - n re f_zeiien = number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol] - F = 96485.3 [C/mol]
- Die Zahl 2 entspricht der Anzahl der Elektronen pro H2-Molekül und wobei pref_voiumenstrom aus dem jeweiligen Gasgemisch Stickstoff/Wasserstoff bestimmt wurde. - The number 2 corresponds to the number of electrons per H 2 molecule and where p r ef_voiumenstrom was determined from the respective nitrogen/hydrogen gas mixture.
In Bezug auf die Referenzdaten wird auf Fig. 2 verwiesen. Figur 2 zeigt vier Kurven A, B, C und D. Aufgetragen sind Apref über den entnommenen Strom im Referenzbrennstoffzellensystem in Ampere. With regard to the reference data, reference is made to Fig. 2. Figure 2 shows four curves A, B, C and D. Ap re f are plotted against the current drawn in the reference fuel cell system in amperes.
Kurve A wurde erhalten für ein Referenzgasgemisch, das 80 Vol.% Stickstoff und 20 Vol.% Wasserstoff enthielt.Curve A was obtained for a reference gas mixture containing 80 vol% nitrogen and 20 vol% hydrogen.
Kurve B wurde erhalten für ein Referenzgasgemisch, das 50 Vol.% Stickstoff und 50 Vol.% Wasserstoff enthielt.Curve B was obtained for a reference gas mixture containing 50 vol% nitrogen and 50 vol% hydrogen.
Kurve C wurde erhalten für ein Referenzgasgemisch, das 20 Vol.% Stickstoff und 80 Vol.% Wasserstoff enthielt.Curve C was obtained for a reference gas mixture containing 20 vol% nitrogen and 80 vol% hydrogen.
Kurve D wurde erhalten für ein Referenzgasgemisch, das 100 Vol.% Wasserstoff enthielt. Curve D was obtained for a reference gas mixture containing 100 vol% hydrogen.
„X“ stellen jeweils Messpunkte dar. Die eingekreisten Messpunkte sind geschätzte Werte. “X” represent measurement points. The circled measurement points are estimated values.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner eine Kontrollvorrichtung 30, die eingerichtet ist zum Bestimmen einer Druckdifferenz (Ap) zwischen dem Druck am Anodeneinlass 3a und dem Druck am Anodenauslass 3b des Brennstoffzellensystems 1 , wobei sich die Druckdifferenz (Ap) wie folgt zusammensetzt: The fuel cell system 1 further comprises a control device 30, which is set up to determine a pressure difference (Ap) between the Pressure at the anode inlet 3a and the pressure at the anode outlet 3b of the fuel cell system 1, the pressure difference (Ap) being composed as follows:
Ap = Pstromentnahme+Pvolumenstrom Ap = Pcurrent extraction+Pvolume flow
Pstromentnahme kann gemäß nachfolgenden Formeln 1 und 2 ermittelt werden: Power withdrawal can be determined according to the following formulas 1 and 2:
Pstromentnahme = nH2_Stromentnahme * R * T / V Formel 1 mit nH2_Stromentnahme = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt Pcurrent extraction = nH2_current extraction * R * T / V Formula 1 with nH2_current extraction = amount of substance [mol] of H2 that is accounted for by the current extraction
- R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)]
- T = Brennstoffzellentemperatur [K] und - T = fuel cell temperature [K] and
- V = Volumen der Anode [m3] und nH2_Stromentnahme = I * t * Hzelten / F / 2 Formel 2 mit - V = volume of the anode [m 3 ] and nH2_current extraction = I * t * Hzelten / F / 2 Formula 2 with
- I = aus dem Brennstoffzellensystem (1) entnommener Strom [Ampere]- I = current taken from the fuel cell system (1) [ampere]
- t = Zeit [s] (Wirkzeit des entnommenen Stromes) - t = time [s] (effective time of the current drawn)
- nzeiien = Anzahl der Zellen (2) im Brennstoffzellensystem (1), die in Serie geschaltet sind - nzeiien = Number of cells (2) in the fuel cell system (1) that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol], - F = 96485.3 [C/mol],
Die Zahl 2 entspricht der Anzahl der Elektronen pro Hz-Molekül The number 2 corresponds to the number of electrons per Hz molecule
Die Kontrollvorrichtung 30 ist ferner eingerichtet zum Vergleichen der ermittelten Druckdifferenz (Ap) mit den Referenzdruckdifferenzen (Apref) aus dem Speicher 20 zur Ermittlung des Volumenanteils in Vol.% an Stickstoff zu Wasserstoff, der der ermittelten Druckdifferenz (Ap) entspricht. Dieser Schritt ist in Fig. 2 durch die waagrechte gestrichelte Linie Ap dargestellt. Die durch die Kontrollvorrichtung 30 ermittelte Druckdifferenz Ap für das Brennstoffzellensystem 1 wird mit den Referenzdruckdifferenzen Apref verglichen. Dort, wo sich die beiden Werte auf der Y-Achse treffen, ist Ap = Apref. Da auch der aus dem Brennstoffzellensystem 1 entnommene Strom I gemessen und Werte der Kontrollvorrichtung 30 zugeführt werden, ist die Kontrollvorrichtung ferner eingerichtet, den Vol. %-Anteil an Wasserstoff im Anodenabgas aus den Volumenanteilen an Stickstoff zu Wasserstoff im Referenzsystem zu ermitteln und diesen Wert in einer Ausgabevorrichtung 40 auszugeben. The control device 30 is also set up to compare the determined pressure difference (Ap) with the reference pressure differences (Ap re f) from the memory 20 to determine the volume fraction in vol.% of nitrogen to hydrogen, which corresponds to the determined pressure difference (Ap). This step is shown in Fig. 2 by the horizontal dashed line Ap. The pressure difference Ap for the fuel cell system 1 determined by the control device 30 is compared with the reference pressure differences Ap re f. Where the two values meet on the Y-axis, Ap = Apref. Since the current I taken from the fuel cell system 1 is also measured and values are supplied to the control device 30, the control device is also set up to determine the vol. % proportion of hydrogen in the anode exhaust gas from the volume proportions of nitrogen to hydrogen in the reference system and to convert this value into an output device 40 to output.
Dieser Schritt ist ebenfalls in Fig. 2 veranschaulicht, nämlich auf der X- Achse, die den entnommenen Strom aus dem Referenzbrennstoffzellensystem darstellt. Da der aus dem Brennstoffzellensystem 1 entnommene Strom gemessen wird, dieser liegt in Fig. 2 in etwa bei 200 A, kann im Schnittpunkt der waagrechten Kurve aus Ap und der senkrechten Kurve des gemessenen entnommenen Stroms, das Stickstoff-Wasserstoff-Konzentrationsverhältnis jeweils in Vol.% herausgelesen bzw. ermittelt werden. Da für die jeweiligen Referenzkurven A bis D die genaue Gasgemischzusammensetzung Stickstoff zu Wasserstoff aufgrund von gaschromatographischen Messungen zur Ermittlung des Wasserstoffgehalts in Vol.% im Referenzgasgemisch bekannt ist, kann aus dem Schnittpunkt der genannten Linien auch die Wasserstoffkonzentration, also der Vol. %-Anteil an Wasserstoff in der Anode 3 des Brennstoffzellensystems 1 abgeleitet werden. This step is also illustrated in FIG. 2, namely on the X-axis, which represents the current drawn from the reference fuel cell system. Since the current taken from the fuel cell system 1 is measured, which is approximately 200 A in FIG. 2, the nitrogen-hydrogen concentration ratio in vol. % can be read out or determined. Since the exact gas mixture composition nitrogen to hydrogen for the respective reference curves A to D is known based on gas chromatographic measurements to determine the hydrogen content in vol.% in the reference gas mixture, the hydrogen concentration, i.e. the vol.%, can also be determined from the intersection of the lines mentioned Hydrogen can be derived in the anode 3 of the fuel cell system 1.
Sowohl das Brennstoffzellensystem 1 als auch das Verfahren zum Bestimmen des Vol. %-Anteils an Wasserstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 sind einfach ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem 1 entspricht einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem, erweitert um eine Speichervorrichtung und eine Kontrollvorrichtung sowie einen ersten Drucksensor 6 und einen zweiten Drucksensor 7. Das Verfahren ist einfach und kostengünstig ohne die Verwendung von Wasserstoffsensoren anwendbar. Bezugszeichenliste: Both the fuel cell system 1 and the method for determining the vol. % of hydrogen on the anode side of the fuel cell system 1 are designed to be simple. The fuel cell system 1 corresponds to a conventional fuel cell system, expanded to include a storage device and a control device as well as a first pressure sensor 6 and a second pressure sensor 7. The method is simple and inexpensive to use without the use of hydrogen sensors. List of reference symbols:
1 B re n n stoffze 11 en syste m 1 B re n n stoffze 11 en syste m
2 Brennstoffzelle 2 Fuel cell
3 Anode 3 anode
3a Anodeneinlass 3a anode inlet
3b Anodenauslass 3b anode outlet
4 Kathode 4 cathode
5 Membran 5 membrane
6 erster Drucksensor 6 first pressure sensor
7 zweiter Drucksensor 7 second pressure sensor
8 Wasserabscheider 8 water separators
9 Rezirkulationskreislauf 9 Recirculation circuit
10 Wasserstoffversorgungsleitung10 hydrogen supply line
11 Wasserstofftank 11 hydrogen tank
12 Temperatursensor 12 temperature sensor
20 Speichervorrichtung 20 Storage device
30 Kontrollvorrichtung 30 control device
40 Ausgabevorrichtung 40 dispensing device

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
1 . Verfahren zur Bestimmung eines Vol. %-Anteils an Wasserstoff auf einer Anodenseite eines Brennstoffzellensystems (1), das Verfahren umfassend die Schritte: 1 . Method for determining a vol. % proportion of hydrogen on an anode side of a fuel cell system (1), the method comprising the steps:
• Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (2) mit einer Anode (3) mit einem Anodeneinlass (3a) und einem Anodenauslass (3b), einer Kathode (4) und einer zwischen der Anode (3) und der Kathode (4) liegenden Membran (5), • Operating a fuel cell system (1) comprising at least one fuel cell (2) with an anode (3) with an anode inlet (3a) and an anode outlet (3b), a cathode (4) and a between the anode (3) and the cathode ( 4) lying membrane (5),
• Messen des Drucks am Anodeneinlass (3a), • Measuring the pressure at the anode inlet (3a),
• Messen des Drucks am Anodenauslass (3b), • Measuring the pressure at the anode outlet (3b),
• Bestimmen einer Druckdifferenz (Ap) zwischen dem Druck am Anodeneinlass (3a) und dem Druck am Anodenauslass (3b), • Determining a pressure difference (Ap) between the pressure at the anode inlet (3a) and the pressure at the anode outlet (3b),
• Bestimmen des aus dem Brennstoffzellensystem (1) entnommenen Stroms (I), wobei sich die Druckdifferenz (Ap) wie folgt zusammensetzt: • Determining the current (I) drawn from the fuel cell system (1), whereby the pressure difference (Ap) is composed as follows:
Ap = pstromentnahme+p olumenstrom wobei pstromentnahme gemäß nachfolgenden Formeln 1 und 2 ermittelt werden kann: Ap = pcurrent extraction+p olumen flow where pcurrent extraction can be determined according to the following formulas 1 and 2:
Pstromentnahme = nH2_Stromentnahme * R * T / V Formel 1 mit Pcurrent extraction = nH2_current extraction * R * T / V Formula 1 with
- nH2_stromentnahme = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt- nH2_current_consumption = amount of H2 [mol] used for current consumption
- R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)]
- T = Brennstoffzellentemperatur [K] und - T = fuel cell temperature [K] and
- V = Volumen der Anode [m3] in Volumenstromrichtung zwischen den beiden- V = volume of the anode [m 3 ] in the direction of flow between the two
Druckmessbereichen und nH2_Stromentnahme = | * t * Ozellen / F / 2 Formel 2 mit Pressure measuring ranges and nH2_current extraction = | * t * Ocelles / F / 2 Formula 2 with
- I = aus dem Brennstoffzellensystem (1) entnommener Strom [Ampere]- I = current taken from the fuel cell system (1) [ampere]
- t = Zeit [s] (Wirkzeit des entnommenen Stromes) - t = time [s] (effective time of the current drawn)
- nzeiien = Anzahl der Zellen (2) im Brennstoffzellensystem (1), die in Serie geschaltet sind - nzeiien = Number of cells (2) in the fuel cell system (1) that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol] - F = 96485.3 [C/mol]
- Die Zahl 2 entspricht der Anzahl der Elektronen pro Hz-Molekül • Bereitstellen von Referenzwerten, erhalten für ein Referenzbrennstoffzellensystem umfassend mindestens eine Referenzbrennstoffzelle mit einer Referenzanode mit einem Referenzanodeneinlass und einem Referenzanodenauslass, einer Referenzkathode und einer zwischen der Referenzanode und der Referenzkathode liegenden Referenzmembran, wobei die Referenzwerte wie folgt erhalten werden: - The number 2 corresponds to the number of electrons per Hz molecule • Providing reference values obtained for a reference fuel cell system comprising at least one reference fuel cell with a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, a reference cathode and a reference membrane lying between the reference anode and the reference cathode, the reference values being obtained as follows:
Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodeneinlass,measuring a reference pressure at the reference anode inlet,
Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodenauslass, wobei während der Messung der Referenzdrücke ein Gasstrom im Referenzbrennstoffzellensystem von 100 Vol.% Stickstoff durch Zufügen von Wasserstoff auf 100 Vol.% Wasserstoff geändert wird und der jeweilige Vol. %-Anteil an Wasserstoff ermittelt wird, und wobei jeweils der aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommene Strom gemessen wird, Measuring a reference pressure at the reference anode outlet, wherein during the measurement of the reference pressures a gas flow in the reference fuel cell system is changed from 100 vol.% nitrogen to 100 vol.% hydrogen by adding hydrogen and the respective vol.% proportion of hydrogen is determined, and in each case the current drawn from the reference fuel cell system is measured,
Bestimmen von Referenzdruckdifferenzen Apref wobei Determining reference pressure differences Ap re f where
Apref = Pref Stromentnahme+Pref Volumenstrom wobei pref stromentnahme gemäß nachfolgenden Formeln 3 und 4 ermittelt werden kann: Apref = Pref current extraction + Pref volume flow where pref current extraction can be determined according to the following formulas 3 and 4:
Pref stromentnahme = nref_H2_Stromentnahme * R * Tret / Vref Formel 3 mit Pref current extraction = nref_H2_current extraction * R * Tret / Vref Formula 3 with
0 re f 2_St ro m e n t n a h m e = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt0 re f 2_St ro m e n t n a h m e = amount of substance [mol] of H2 that accounts for the electricity consumption
- R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)]
- Tret = Referenzbrennstoffzellentemperatur [K] und - Tret = reference fuel cell temperature [K] and
- Vret = Volumen der Referenzanode [m3] in Volumenstromrichtung zwischen den beiden Druckmessbereichen und nref_H2_Stromentnahme = Iref * t * Uref Zellen / F / 2 Formel 4 mit - Vret = volume of the reference anode [m 3 ] in the volume flow direction between the two pressure measuring areas and nref_H2_Stromennahme = Iref * t * Uref cells / F / 2 Formula 4 with
- Iref = aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommener Strom [Ampere]- Iref = current drawn from the reference fuel cell system [amperes]
- t = Zeit [s], (Wirkzeit des entnommenen Stromes) nref Zellen = Anzahl der Zellen im Referenzbrennstoffzellensystem, die in Serie geschaltet sind - t = time [s], (effective time of the current drawn) nref cells = number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol] - F = 96485.3 [C/mol]
- Die Zahl 2 entspricht der Anzahl der Elektronen pro H2-Molekül und wobei pref_voiumenstrom aus dem jeweiligen Gasgemisch Stickstoff/Wasserstoff bestimmt wird; - The number 2 corresponds to the number of electrons per H2 molecule and where pref_voiumenstrom is determined from the respective nitrogen/hydrogen gas mixture;
• Vergleichen der ermittelten Druckdifferenz (Ap) mit den Referenzdruckdifferenzen (Apref) zur Ermittlung des Volumenanteils Stickstoff zu Wasserstoff jeweils in Vol.%, die der ermittelten Druckdifferenz (Ap) entspricht, • Comparing the determined pressure difference (Ap) with the reference pressure differences (Ap re f) to determine the volume fraction of nitrogen to hydrogen, each in vol.%, which corresponds to the determined pressure difference (Ap),
• wobei aus den Volumenanteilen von Stickstoff und Wasserstoff der Vol.%- Anteil an Wasserstoff ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Brennstoffzellensystem (1) im statischen Betrieb oder im dynamischen Betrieb betrieben wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Anodenabgas vom Anodenauslass (3b) zum Anodeneinlass (3a) rezirkuliert wird. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Wasser aus dem Anodenabgas abgetrennt wird, wobei das Wasser insbesondere vor dem Messen des Drucks am Anodenauslass (3b) abgetrennt wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Anodenabgas aktiv, insbesondere mittels eines Motors, oder passiv rezirkuliert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zweite Referenzdruckdifferenzen Apref_2 unberücksichtigt bleiben, die um 10% höher oder niedriger liegt als hierzu im Abstand von 100 ms ermittelte erste Referenzdruckdifferenzen Apref_i. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur solche Referenzdrücke berücksichtigt werden, für die eine Referenzdruckdifferenz über eine Messdauer von mindestens 100 ms konstant ist. Brennstoffzellensystem (1) umfassend: mindestens eine Brennstoffzelle (2) mit einer Anode (3) mit einem Anodeneinlass (3a) und einem Anodenauslass (3b), einer Kathode (4) und einer zwischen der Anode (3) und der Kathode (4) liegenden Membran (5), einen ersten Drucksensor (6) am Anodeneinlass (3a) zum Messen des Drucks am Anodeneinlass (3a), einen zweiten Drucksensor (7) am Anodenauslass (3b) zum Messen des Drucks am Anodenauslass (3b), einen Temperatursensor (12) zur Bestimmung der Temperatur [K] in der Brennstoffzelle (2), einen Sensor zum Bestimmen des aus dem Brennstoffzellensystem (1) entnommenen Stroms [A], eine Speichervorrichtung (20), beinhaltend: • where the vol.% proportion of hydrogen is determined from the volume proportions of nitrogen and hydrogen. Method according to claim 1, wherein the fuel cell system (1) is operated in static operation or in dynamic operation. Method according to one of the preceding claims, wherein anode exhaust gas is recirculated from the anode outlet (3b) to the anode inlet (3a). Method according to claim 3, wherein water is separated from the anode exhaust gas, the water being separated in particular before measuring the pressure at the anode outlet (3b). Method according to claim 3 or 4, wherein the anode exhaust gas is actively recirculated, in particular by means of a motor, or passively. Method according to one of the preceding claims, wherein second reference pressure differences Ap re f_2, which are 10% higher or lower than first reference pressure differences Ap re f_i determined at an interval of 100 ms, are not taken into account. Method according to one of the preceding claims, wherein only those reference pressures are taken into account for which a reference pressure difference is constant over a measurement period of at least 100 ms. Fuel cell system (1) comprising: at least one fuel cell (2) with an anode (3) with an anode inlet (3a) and an anode outlet (3b), a cathode (4) and one between the anode (3) and the cathode (4) lying membrane (5), a first pressure sensor (6) at the anode inlet (3a) for measuring the pressure at the anode inlet (3a), a second pressure sensor (7) at the anode outlet (3b) for measuring the pressure at the anode outlet (3b), a temperature sensor (12) for determining the temperature [K] in the fuel cell (2), a sensor for determining the temperature from the fuel cell system (1 ) extracted current [A], a storage device (20), containing:
Referenzwerte, erhalten für ein Referenzbrennstoffzellensystem umfassend mindestens eine Referenzbrennstoffzelle mit einer Referenzanode mit einem Referenzanodeneinlass und einem Referenzanodenauslass, einer Referenzkathode und einer zwischen der Referenzanode und der Referenzkathode liegenden Referenzmembran, wobei die Referenzwerte wie folgt erhalten wurden: a) durch Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodeneinlass, durch Messen eines Referenzdrucks am Referenzanodenauslass, wobei während der Messung der Referenzdrücke ein Gasstrom im Referenzbrennstoffzellensystem von 100 Vol.% Stickstoff durch Zufügen von Wasserstoff auf 100 Vol.% Wasserstoff geändert wurde, b) Referenzwerte, die den jeweils aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommenen Strom darstellen und c) Referenzdruckdifferenzen Apref, wobei Reference values obtained for a reference fuel cell system comprising at least one reference fuel cell with a reference anode with a reference anode inlet and a reference anode outlet, a reference cathode and a reference membrane lying between the reference anode and the reference cathode, the reference values being obtained as follows: a) by measuring a reference pressure at the reference anode inlet, by measuring a reference pressure at the reference anode outlet, wherein during the measurement of the reference pressures a gas flow in the reference fuel cell system was changed from 100 vol.% nitrogen to 100 vol.% hydrogen by adding hydrogen, b) reference values which represent the current taken from the reference fuel cell system and c) Reference pressure differences Ap re f, where
Apref = Pref Stromentnahme+Pref Volumenstrom wobei pref stromentnahme gemäß nachfolgenden Formeln 3 und 4 aus dem Messwert für den aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommenen Strom ermittelt wurde: Apref = Pref current consumption + Pref volume flow where pref current consumption was determined according to the following formulas 3 and 4 from the measured value for the current drawn from the reference fuel cell system:
Pref stromentnahme = nref_H2_Stromentnahme * R * Tret / Vref Formel 3 mit Pref current extraction = nref_H2_current extraction * R * Tret / Vref Formula 3 with
0 re f 2_St ro m e n t n a h m e = Stoffmenge [Mol] an H2, die auf die Stromentnahme entfällt0 re f 2_St ro m e n t n a h m e = amount of substance [mol] of H2 that accounts for the electricity consumption
R = allgemeine Gaskonstante: 8.3145 [J/(mol*K)] - Tref = Referenzbrennstoffzellentemperatur [K] und R = general gas constant: 8.3145 [J/(mol*K)] - Tref = reference fuel cell temperature [K] and
- Vref = Volumen der Referenzanode [m3] und nref_H2_Stromentnahme = Iref * t * Href Zellen / F / 2 Formel 4 mit - Vref = volume of the reference anode [m 3 ] and nref_H2_current extraction = Iref * t * Href cells / F / 2 formula 4 with
- Iref = aus dem Referenzbrennstoffzellensystem entnommener Strom [Ampere]- Iref = current drawn from the reference fuel cell system [amps]
- t = Zeit [s] (Wirkzeit des entnommenen Stromes) nref Zellen = Anzahl der Zellen im Referenzbrennstoffzellensystem, die in Serie geschaltet sind - t = time [s] (effective time of the current drawn) nref cells = number of cells in the reference fuel cell system that are connected in series
- F = 96485.3 [C/mol] - F = 96485.3 [C/mol]
- Die Zahl 2 entspricht der Anzahl der Elektronen pro H2-Molekül und wobei pref_ oiumenstrom aus dem jeweiligen Gasgemisch Stickstoff/Wasserstoff bestimmt wurde eine Kontrollvorrichtung (30), eingerichtet: o zum Bestimmen einer Druckdifferenz (Ap) zwischen dem Druck am Anodeneinlass (3a) und dem Druck am Anodenauslass (3b), wobei sich die Druckdifferenz (Ap) wie folgt zusammensetzt: - The number 2 corresponds to the number of electrons per H2 molecule and where the pref_ oiumenstrom was determined from the respective gas mixture nitrogen/hydrogen a control device (30), set up: o to determine a pressure difference (Ap) between the pressure at the anode inlet (3a) and the pressure at the anode outlet (3b), whereby the pressure difference (Ap) is composed as follows:
Ap = pstromentnahme+p olumenstrom o zum Vergleichen der ermittelten Druckdifferenz (Ap) mit den Referenzdruckdifferenzen (Apref) zur Ermittlung des Volumenanteils in Vol.% an Stickstoff zu Wasserstoff, die der ermittelten Druckdifferenz (Ap) entspricht und o zum Ermitteln eines Vol. %-Anteils an Wasserstoff im Anodenabgas aus den Volumenanteilen an Stickstoff zu Wasserstoff; und optional eine Ausgabevorrichtung (40) zum Ausgeben des ermittelten Wasserstoffanteils. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Rezirkulationskreislauf (9) zum Rezirkulieren des Anodenabgases vom Anodenauslass (3b) zum Anodeneinlass (3a). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9, ferner umfassend einen Wasserabscheider (8) im Rezirkulationskreislauf (9), wobei der Wasserabscheider (8) insbesondere stromaufwärts des zweiten Drucksensors (7) angeordnet ist und/oder wobei der Rezirkulationskreislauf (9) ferner einen Motor umfasst zum aktiven Rezirkulieren des Anodenabgases. Ap = pstromabnahme+p olumenstrom o to compare the determined pressure difference (Ap) with the reference pressure differences (Ap re f) to determine the volume fraction in vol.% of nitrogen to hydrogen, which corresponds to the determined pressure difference (Ap) and o to determine a vol % proportion of hydrogen in the anode exhaust gas from the volume proportions of nitrogen to hydrogen; and optionally an output device (40) for outputting the determined hydrogen content. The fuel cell system (1) according to claim 8, further comprising a recirculation circuit (9) for recirculating the anode exhaust gas from the anode outlet (3b) to the anode inlet (3a). Fuel cell system (1) according to claim 9, further comprising a water separator (8) in the recirculation circuit (9), wherein the water separator (8) is arranged in particular upstream of the second pressure sensor (7) and / or wherein the recirculation circuit (9) further comprises a motor for active recirculation of the anode exhaust gas.
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