DE-102012218636-B4 - Ermittlung der Brennstoffzellen-Eingangsfeuchte über Drucksensoren und eine massenstromabhängige Steuerung des Befeuchter-Bypasses

Abstract

Brennstoffzellenanordnung (1), aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit einer Kathode (3) und einer Anode, wobei sowohl die Kathode (3) als auch die Anode jeweils eine Reaktantenzuführung (4) und eine Reaktantenabführung (5) aufweisen, wobei zumindest an einer der Reaktantenzuführungen (4) eine Befeuchtungsvorrichtung (10) und Sensoren (12, 13, 14) vorgesehen sind, wobei die Sensoren (12, 13, 14) zumindest ein Fluidmassensensor (12) und zwei Drucksensoren (13, 14) sind, wobei der Fluidmassensensor (12) und einer der Drucksensoren (13) vor der Befeuchtungsvorrichtung (10) und einer der Drucksensoren (14) nach der Befeuchtungsvorrichtung (10) angeordnet sind, und dass die Befeuchtungsvorrichtung (10) basierend auf den Messungen der Sensoren (12, 13, 14) gesteuert betreibbar ist dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchte des Reaktanten in der zumindest einen Reaktantenzuführung (4) basierend auf den Messwerten der Sensoren (12, 13, 14) linear abhängig von einem gemessenen Fluidmassendurchsatz und linear abhängig von einer Differenz der gemessenen Drücke berechnet wird.

Inventors

• Daniel Zirkel
• David Knies

Assignees

• ROBERT BOSCH GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20121012

Claims (9)

1. Brennstoffzellenanordnung (1), aufweisend zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit einer Kathode (3) und einer Anode, wobei sowohl die Kathode (3) als auch die Anode jeweils eine Reaktantenzuführung (4) und eine Reaktantenabführung (5) aufweisen, wobei zumindest an einer der Reaktantenzuführungen (4) eine Befeuchtungsvorrichtung (10) und Sensoren (12, 13, 14) vorgesehen sind, wobei die Sensoren (12, 13, 14) zumindest ein Fluidmassensensor (12) und zwei Drucksensoren (13, 14) sind, wobei der Fluidmassensensor (12) und einer der Drucksensoren (13) vor der Befeuchtungsvorrichtung (10) und einer der Drucksensoren (14) nach der Befeuchtungsvorrichtung (10) angeordnet sind, und dass die Befeuchtungsvorrichtung (10) basierend auf den Messungen der Sensoren (12, 13, 14) gesteuert betreibbar ist dadurch gekennzeichnet , dass die Feuchte des Reaktanten in der zumindest einen Reaktantenzuführung (4) basierend auf den Messwerten der Sensoren (12, 13, 14) linear abhängig von einem gemessenen Fluidmassendurchsatz und linear abhängig von einer Differenz der gemessenen Drücke berechnet wird.
2. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Sensoren (12, 13, 14) und die Befeuchtungsvorrichtung (10) in der Reaktantenzuführung (4) der Kathode (3) angeordnet sind.
3. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in der zumindest einen Reaktantenzuführung (4) eine durch ein Ventil (15) steuerbare Umgehungsleitung (16) vorgesehen ist, durch die die Befeuchtungsvorrichtung (10) ganz und/oder teilweise umgehbar ist.
4. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Befeuchtungsvorrichtung (10) ein Gas-Gas-Befeuchter ist.
5. Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass der Gas-Gas-Befeuchter auch mit der entsprechenden Reaktantenabführung (5) der Brennstoffzelle (2) verbunden ist.
6. Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung (1), wobei die Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist, wobei die Feuchte des Reaktanten in der zumindest einen Reaktantenzuführung (4) basierend auf den Messwerten der Sensoren (12, 13, 14), berechnet wird, dadurch gekennzeichnet , dass die berechnete Feuchte linear abhängig von einem gemessenen Fluidmassendurchsatz und linear abhängig von einer Differenz der gemessenen Drücke berechnet wird.
7. Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß dem Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass in der zumindest einen Reaktantenzuführung (4) eine Umgehungsleitung (16) vorgesehen ist, durch die die Befeuchtungsvorrichtung (10) ganz und/oder teilweise umgangen wird und die durch ein Ventil (15) gesteuert wird, wobei das Ventil (15) basierend auf dem gemessenen Fluidmassendurchsatz und den gemessenen Drücken geregelt wird.
8. Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass das Ventil (15) über eine Steuerspannung geregelt wird und dass die Steuerspannung nur von dem gemessenen Fluidmassendurchsatz berechnet wird.
9. Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerspannung von dem gemessenen Fluidmassendurchsatz linear abhängig berechnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 6. STAND DER TECHNIK Brennstoffzellen, insbesondere mit reinem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen, gelten heute aufgrund der Tatsache, dass sie nur reines Wasser emittieren, als Antrieb der Zukunft. Derartige Brennstoffzellen weisen insbesondere eine Brennstoffzellenmembran auf, die für einen optimalen Betrieb auch Wasser in Form von Dampf benötigt. Der Wasserdampf wird dabei dazu verwendet, eine genügend hohe Ionen-Leitfähigkeit innerhalb der Brennstoffzelle durch die Membran sicherzustellen. Dieser Wasserdampf kann bei bekannten Brennstoffzellenanordnungen in den Brennstoffzellen mit zumindest einem der beiden Reaktanten, die in der Brennstoffzelle miteinander reagieren, zugeführt werden. Um einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung zu ermöglichen, ist es nötig, diese Feuchte zu überwachen und insbesondere zu regeln beziehungsweise einzustellen. So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 020 102 A1 eine Steuer- beziehungsweise Regelanordnung zum Steuern beziehungsweise Regeln der Wassermenge zumindest eines der Brennstoffzellen zugeführten Reaktanten bekannt. Es ist dabei ein Taupunktmesssensor und ein Temperatursensor vorgesehen, die verwendet werden, um die Feuchte des zumindest einen Reaktanten zu bestimmen. Ein Taupunktmesssensor kann dabei bekanntermaßen als Halbleitersensor ausgeführt sein und ist dabei, wie auch andere Feuchtesensoren, störanfällig bei Tropfenbildung im Reaktant. Insbesondere kann eine Anlagerung von flüssigem Wasser zu Fehlmessungen führen. Aus der WO 2008/034253 A1 ist ebenfalls ein Kontrollsystem für die Feuchte eines Reaktanten in einer Brennstoffzellenanordnung bekannt. Hierbei werden je ein Druck- und ein Temperatursensor verwendet, um über eine aufwendige Berechnung die Feuchte des Reaktanten zu bestimmen. Es ist ferner für diese Berechnung nötig, auch den Massenfluss des Reaktanten und den Massenfluss von einer Befeuchtungseinrichtung zugeführten Wassers in die Berechnung mit einzubeziehen. Damit wird diese Berechnung durch die Vielzahl von Eingabeparametern auch anfällig für Störungen, insbesondere bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion von nur einem der Sensoren. Aus dem Dokument KR 10 0 957 364 B1 ist ein Verfahren zur Diagnose eines anormalen Zustands für ein Kathodenluftversorgungssystem bekannt, welches ein anormales Phänomen eines Kathodenluftversorgungszustands in seinem Frühstadium durch eine Korrelation zwischen der Durchflussmenge und der Drehzahl des Luftgebläses diagnostizieren kann. Aus dem Dokument DE 102 22 422 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches in der Lage ist, eine in einem Fahrzeug installierte Brennstoffzelle in einem optimierten Zustand zu steuern. Weitere Brennstoffzellensysteme und Verfahren diese bei niedrigen Temperaturen zu steuern oder zur betreiben sind in den Dokumenten US 2002 / 0 009 623 A1 und JP 2011 - 216 416 A gezeigt. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Brennstoffzellenanordnungen zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zum Regeln der Feuchte eines Reaktanten für eine Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, bei dem möglichst wenige physikalische Größen zur Bestimmung der Feuchte des Reaktanten herangezogen werden, die darüber hinaus messtechnisch einfach und kostengünstig erfasst werden können. Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten die Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. In einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Brennstoffzellenanordnung, zumindest eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode auf, wobei sowohl die Kathode als auch die Anode jeweils eine Reaktantenzuführung und eine Reaktantenabführung aufweisen, wobei zumindest an einer der Reaktantenzuführungen eine Befeuchtungsvorrichtung und Sensoren vorgesehen sind. Insbesondere ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zumindest ein Fluidmassensensor und zwei Drucksensoren sind, wobei der Fluidmassensensor und einer der Drucksensoren vor der Befeuchtungsvorrichtung und einer der Drucksens