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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines in einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems eintretenden Brennstoffmassenstroms umfassend die Schritte:
- - Ermitteln des im Anodenkreislauf vorherrschenden ersten Druckes anhand eines einer ersten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem entsprechenden Druckreferenzwerts,
- - Wechseln zu einer zweiten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem,
- - Ermitteln des im Anodenkreislauf vorherrschenden zweiten Druckes anhand eines der zweiten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem entsprechenden Druckreferenzwerts, und
- - Bestimmen des in den Anodenkreislauf eintretenden Brennstoffmassenstroms anhand des eingetretenen Druckunterschieds zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck aufgrund eines durch den Wechsel gebildeten Transienten der Lastanforderung.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahren sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
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Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Anodenkreislauf / Anodenloop geführt (rezirkuliert), wobei vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann.
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Im Anodenkreislauf kann ein Ejektor (Strahlpumpe) eingesetzt werden, der mittels der potentiellen Energie des Wasserstoffes aus einem Brennstofftank das Anodengas rezirkuliert. Die Effizienz eines Ejektors hängt stark von dessen Geometrie ab und dabei besonders von der Größe der Treibdüse und der Größe des Mischrohres. Die optimale Ejektorgeometrie ist abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle, die sich während des Betriebes eines Fahrzeugs ändern. So unterscheidet sich eine ideale Geometrie für das Mischrohr und die Treibdüse für hohe Lastpunkte von der bei niedrigen Lastpunkten.
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Es existieren eine Vielzahl an Fahrzeugkonzepten, die zu unterschiedlichen Leistungen führen, die von einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen sind. Man unterscheidet dabei einzelne Leistungsklassen für das Brennstoffzellensystem, die unterteilt sind in ein Fahrzeug mit einem sogenannten Bereichserweiterer (englisch: range extender), der eine Maximalleistung des Brennstoffzellenstapels oder des Brennstoffzellensystems von höchstens 30 Kilowatt (kW) aufweist und damit als Hybrid ausgestaltet ist, um eine gewünschte Maximalgeschwindigkeit für das Kraftfahrzeug erreichen zu können. Es gibt weitere Brennstoffzellensysteme, die eine größere Anzahl an Brennstoffzellen oder mehrere Brennstoffzellenstapel umfassen, und damit stärker hybridisiert sind, womit alleine durch die Leistung des Brennstoffzellensystems die gewünschte Maximalgeschwindigkeit erreichbar ist. In dem Fall der starken Hybridisierung ergibt sich dabei für das Brennstoffzellensystem eine Maximalleistung von 60 kW. Ferner gibt es Fahrzeugkonzepte, die ihren Antrieb alleine durch das Brennstoffzellensystem realisieren, wobei gegebenenfalls eine kleine Hochvoltbatterie im Bordnetz vorliegt, um Energie auch zwischenspeichern zu können. Ein solches Brennstoffzellensystem weist eine Maximalleistung von 90 kW auf. Dann gibt es noch Fahrzeuge mit Hochleistungsbrennstoffzellenaggregate, die eine Maximalleistung von 120 kW oder auch mehr besitzen.
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In der
US 2009/0075135 A1 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das mit einer Anodenrezirkulation ausgestattet ist. Dabei lässt sich über die Drehzahl einer Wasserstoffpumpe der Anteil des den Anoden zugeführten Wasserstoffs, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Drucksensoren ermitteln. Ein ebenfalls mit Drucksensoren versehenes Brennstoffzellensystem ist in der
US 2009/0098426 A1 beschrieben, welches mittels der Drucksensoren die Information über durch die Membran gepumpten Wasserstoff ermittelt. In der
DE 10 2017 215 514 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle angegeben, das mittels die im Anodenkreislauf vor bzw. hinter einem Ejektor liegender Drucksensoren auf den Brennstoffmassenstrom, der aus dem Tank austritt, schließen lässt. Der Tankmassenstrom oder der Treibmassenstrom kann ferner verwendet werden, um über eine Energiegleichung des Ejektors weitere Größen zu berechnen.
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Es ist ausgehend davon die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen eines in einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems eintretenden Brennstoffmassenstroms anzugeben, das diesen auf eine alternative Art und Weise bestimmt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem anzugeben.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und die das Kraftfahrzeug betreffende Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Erkenntnis und schließt diese mit ein, wonach jeder Lastanforderung ein entsprechendes Druckverhältnis des Gasgemisches im Anodenkreislauf entspricht. Abhängig vom Druckverhältnis im Anodenkreislauf muss daher ein darin bestehendes Drucklevel entweder weiter „aufgepumpt“ oder hinsichtlich des vorherrschenden Levels entspannt werden. Der Zustand oder das Drucklevel im Anodenkreislauf bedingt somit die Wasserstoffzufuhr, die in unmittelbarem Zusammenhang mit der an das Brennstoffzellensystem gestellten Lastanforderung steht. Die einzelnen Drucklevel sind dabei in einem Steuergerät hinterlegt, so dass ein Zusammenhang vorliegt zwischen der Lastanforderung, also der Stromanforderung an das Brennstoffzellensystem, und dem im Anodenkreislauf herrschenden Druck. Die bekannten Berechnungen zur Ermittlung des in den Anodenkreislauf eintretenden Brennstoffmassenstroms berücksichtigen bisher keine Transienten, also sich ändernde Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem. Vielmehr wird dabei von einem konstanten Verhältnis von Öffnungsgrad einer Strahlpumpe zu eintretenden Massenstrom bei bekannten Drücken und Temperaturen ausgegangen, um den in den Anodenkreislauf eintretenden Massenstrom zu bestimmen.
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Es ist die Möglichkeit eröffnet, dass erste Druckreferenzwerte für Downtransienten entsprechende Lastanforderungen vorhanden sind, und dass zweite Druckreferenzwerte für Abtransienten entsprechende Lastanforderungen vorhanden sind. Damit gibt es also Druckreferenzwerte sowohl für Downtransienten, also bei einer Änderung der Lastanforderung von einem höheren Stromniveau auf ein niedrigeres Stromniveau, als auch Druckreferenzwerte für Uptransienten, also bei einer Änderung der Lastanforderung von einem niedrigeren Stromniveau zu einem höheren Stromniveau des Brennstoffzellenstapels.
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Es hat sich als sinnvoll herausgestellt, dass der Brennstoffmassenstrom bei der einer Downtransiente entsprechenden Änderung der Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit der ersten Druckreferenzwerte bestimmt wird. Damit ist gewährleistet, dass die im Steuergerät erfolgte Berechnung oder Interpretation des Brennstoffmassenstroms in Abhängigkeit der Druckreferenzwerte für das Absinken der Lastanforderung Verwendung findet.
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Umgekehrt hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei der einer Uptransiente entsprechenden Änderung der Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem der Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit der zweiten Druckreferenzwerte bestimmt wird. Dabei werden also die für ein ansteigendes Druckniveau hinterlegten Druckreferenzwerte verwendet, um über die Uptransiente auf den Brennstoffmassenstrom schließen zu können.
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Die Transienten betreffen dabei jeweils eine an das Brennstoffzellensystem gestellte Änderung der Stromanforderung, da diese ohnehin von entsprechenden Sensoren erfasst werden. Auf weitere Sensoren kann dabei deshalb verzichtet werden, da ein Modell vorliegt, welches einen Zusammenhang zwischen dem im Anodenkreislauf vorliegenden Druckverhältnis und die an das Brennstoffzellensystem gestellte Lastanforderung vorhanden ist, so dass auf den Brennstoffmassenstrom, der dem Anodenkreislauf zugeführt wird, rückgeschlossen werden kann.
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Dieser Brennstoffmassenstrom ist für zahlreiche nachfolgende Berechnungen und für die Verbrauchsanalyse wichtig und muss vorliegend nicht mehr mit einer Sensorik zur Bestimmung des Massenflusses, sondern kann durch Einsatz des vorliegenden Modells ermittelt werden. Somit liegt ein günstigeres, transientengesteuertes Brennstoffzellensystem vor.
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Es hat sich als sinnvoll erwiesen, wenn der Brennstoffmassenstrom in den Anodenkreislauf mittels eines Ejektors eingebracht wird, der eine Saugdüse umfasst, die strömungsmechanisch mit einem Anschluss für rezirkulierenden Brennstoff verbunden ist. Der Ejektor umfasst ferner eine Treibdüse, die strömungsmechanisch mit einem Anschluss für frischen Brennstoff verbunden ist und innerhalb welcher eine mittels eines Aktuators axial verstellbare Nadel angeordnet ist, die ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt der Treibdüse in Abhängigkeit der an das Brennstoffzellensystem gestellten Lastanforderung einzustellen. Durch diesen einstellbaren Ejektor lassen sich auch Modell basiert und transientengesteuert der Brennstoffmassenstrom durch die Treibdüse bestimmen.
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Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem. Dieses kommt mit weniger Sensoren aus. Es weist daher eine geringere Komplexität auf und kann deshalb günstiger hergestellt werden Diese Vorteile wirken auch beim Einsatz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 ein schematisch dargestelltes Brennstoffzellensystem,
- 2 eine Schnittansicht eines schematisch dargestellten Ejektors, und
- 3 den Brennstoffmassenstrom (ṁ = Treibmassenstrom) aufgetragen über der Zeit mittels eines Sensors gemessen (durchgezogene Linie), für Downtransienten entsprechende Lastanforderungen berechnet (gepunktet) und für Uptransienten entsprechende Lastanforderungen berechnet (gestrichelt).
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, das einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel 104 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 104 weist dabei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen auf.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über die Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über die Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/E lektronenaufnahm e).
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Dem Brennstoffzellenstapel 104 ist kathodenseitig eine Kathodengasversorgung zugeordnet, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenzufuhrleitung 103 zur Zufuhr des Kathodengases an die Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 104 aufweist. In die Kathodenzufuhrleitung 103 ist vorliegend zur Vorkonditionierung des Kathodengases ein Befeuchter 102 integriert. Der Befeuchter 102 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden. Stromauf des Befeuchters 102 ist ein Verdichter 112 vorhanden, der das Kathodengas ansaugt, um es anschließend komprimiert über die Kathodenzufuhrleitung 103 an einem Frischgaseinlass des Befeuchters 102 bereitzustellen. Da das Kathodengas beim Verdichten sehr stark erhitzt, wird dieses bereits vor einem Eintritt in den Befeuchter 102 mittels eines Ladeluftkühlers 105 heruntergekühlt, um Schädigungen zu vermeiden. Die Kathodengasversorgung umfasst außerdem eine Kathodenabgasleitung 106 zur Ausbringung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 104, wobei die Kathodenabgasleitung 106 ebenfalls strömungsmechanisch mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden ist. Der Befeuchter 102 ist vorliegend zusätzlich in die Kathodenabgasleitung 106 eingebunden, so dass er mit anderen Worten mit seinem kathodenseitigen Einlass ebenfalls mit den Kathodenräumen über die Kathodenabgasleitung 106 verbunden ist, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 102 rückgeführt wird. Der Befeuchter 102 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Membranen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen und diese dem frischen Kathodengas zuzuführen. Die Kathodenabgasleitung 6 setzt sich nach dem Befeuchter 102 fort, so dass das (teil-)getrocknete Kathodenabgas einer weiteren Verwertung zugeführt oder an die Umwelt abgegeben werden kann.
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Dem Brennstoffzellensystem 100 ist anodenseitig eine Brennstoffversorgung zugeordnet, um den Anodenräumen und damit den Anoden der im Brennstoffzellenstapel 104 vorhandenen Brennstoffzellen den Brennstoff zuzuleiten. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 107 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 108 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 109 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Die Anodenrezirkulationsleitung 109 mündet stromauf des Brennstoffzellenstapels 104 also wieder in die Anodenzufuhrleitung 107 und bildet mit stromab der Mündung gebildeten Teil der Anodenzufuhrleitung 107 einen Anodenkreislauf. Um das Anodenabgas mittels einer einstellbaren Zufuhr von frischem Brennstoff zirkulieren zu können, ist vorliegend im Punkt der Mündung ein Ejektor 200 eingebunden, auf den untenstehend näher eingegangen wird. Stromauf des Ejektors 200 kann zur weiteren Regelung der Zufuhr des Brennstoffes in der Anodenzufuhrleitung 107 ein Brennstoffstellglied 110 angeordnet sein. Dieses Brennstoffstellglied 110 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 111 in Form eines Rekuperators zur Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein nicht näher dargestelltes Steuergerät.
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In 2 ist der Ejektor 200 des Anodenkreislaufs näher gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen einstellbaren, also mit unterschiedlichen Öffnungsgraden betreibbaren Ejektor 200. Der Ejektor 200 weist eine Saugdüse 210, eine Treibdüse 202 sowie ein Mischrohr 204 auf. Beim gezeigten Ejektor 200 schließt sich an das Mischrohr 204 zudem ein Diffusor 214 an. Die Treibdüse 202 ist strömungsmechanisch mit einem Anschluss 216 verbunden, der seinerseits mit dem Brennstoffspeicher 108 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden ist, so dass durch den Anschluss 216 frischer Brennstoff durch die Treibdüse 202 ins Mischrohr 204 gegeben werden kann. Die Saugdüse 210 weist auch einen Anschluss 218 auf, über den der rezirkulierte Brennstoff eingebracht oder eingesaugt wird, welcher in dem Brennstoffzellenstapel 104 nicht verbraucht wurde. Der Ejektor 200 ist also in den Anodenkreislauf eingebunden. Innerhalb der Treibdüse 202, insbesondere konzentrisch zu dieser, ist eine Nadel 208 angeordnet, die eine sich konisch in Richtung der Düsenöffnung 220 der Treibdüse 202 verjüngende Nadelspitze 222 aufweist. Auch die Treibdüse 202 selbst ist mit einem sich in Richtung der Düsenöffnung 220 verjüngenden Düsenabschnitt 224 gestaltet. Durch die Nadel 208 lässt sich ein Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 variieren. Hierzu ist die Nadel 208 axial verstellbar, so dass bei einem Verstellen der Nadel 208 in Richtung der Düsenöffnung 220 der Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 verringert wird. Bei einem axialen Verstellen der Nadel 208 in einer der Düsenöffnung 220 abgewandten Richtung wird der Strömungsquerschnitt 250 vergrößert und ein größerer Anteil von frischem Brennstoff kann in das Mischrohr 204 gelangen. Zur Verstellung der Nadel 208 ist ein Aktuator 212 vorgesehen, der beispielsweise als elektrischer Linearantrieb gebildet ist. Auch die Saugdüse 210 ist mit einem sich in Richtung des Mischrohrs 204 verjüngenden Düsenabschnitt 226 gebildet. Ein Strömungsquerschnitt 252 des Mischrohrs 204 ist vorliegend fest vorgegeben. Es besteht aber die Möglichkeit, dass sich dieser mittels einer nicht näher dargestellten Einstelleinrichtung variieren lässt.
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Wenn das Brennstoffzellensystem 100 bei einer niedrigen Last betrieben werden soll, so sind die Strömungsquerschnitte 250, 252 möglichst gering zu halten. In diesem Fall wird die Nadel 208 in Richtung der Düsenöffnung 220 verstellt, womit sich der Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 reduziert. In diesem Falle wird also mit anderen Worten eine niedrige Lastanforderung (oder Strombedarf/Stromabnahme) an das Brennstoffzellensystem 100 gestellt. Im umgekehrten Falle, zum Beispiel wenn das Brennstoffzellensystem 100 mit einer großen Last betrieben werden soll, wird die Nadel 208 mittels des Aktuators 212 zurückgezogen und der Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 wieder vergrößert. In diesem Falle wird also mit anderen Worten an das Brennstoffzellensystem 100 eine gegenüber der niedrigen Lastanforderung erhöhte hohe Lastanforderung (oder Strombedarf/Stromabnahme) gestellt.
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In 3 ist der durch die Treibdüse 202 tretende Massenstrom oder Brennstoffmassenstrom auf drei Arten über der Zeit aufgetragen. Die durchgezogene Linie beschreibt den Brennstoffmassenstrom, der durch die Treibdüse 202 in den Anodenkreislauf gelangt, gemessen mittels eines (Durchfluss-) Sensors. Die gepunktet dargestellte Linie zeigt den anhand der Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem 100 errechneten Brennstoffmassenstrom bei sinkender Lastanforderung, und die gestrichelt dargestellte Linie zeigt den errechneten Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit einer steigenden Lastanforderung.
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Über die Drücke im Anodenkreislauf kann auf den Brennstoffmassenstrom, der in den Anodenkreislauf gelangt, geschlossen werden. Es sind daher ein erstes Set an ersten Druckreferenzwerten vorhanden und ein zweites Set an zweiten Druckreferenzwerten. Die ersten Druckreferenzwerte entsprechen Werten, die mit einer sinkenden Lastanforderung verbunden sind, so dass also mit anderen Worten die ersten Druckreferenzwerte für Downtransienten 300 entsprechende Lastanforderungen vorgegeben sind. Die zweiten Druckreferenzwerte entsprechen Werten, die mit einer steigenden Lastanforderung verbunden sind, so dass mit anderen Worten die zweiten Druckreferenzwerte für Uptransienten 400 entsprechende Lastanforderungen vorgegeben sind.
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Zur Bestimmung des in den Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystem eintretenden Brennstoffmassenstroms wird ein Verfahren verwendet, umfassend die Schritte:
- - Ermitteln des im Anodenkeislauf vorherrschenden ersten Druckes anhand eines einer ersten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 100 entsprechenden Druckreferenzwerts,
- - Wechseln zu einer zweiten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 100,
- - Ermitteln des im Anodenkreislauf vorherrschenden zweiten Druckes anhand eines der zweiten Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 100 entsprechenden Druckreferenzwerts, und
- - Bestimmen des in den Anodenkreislauf eintretenden Brennstoffmassenstroms anhand des eingetretenen Druckunterschieds zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck aufgrund des durch den Wechsel gebildeten Transienten 300, 400 der Lastanforderung.
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Es ist sinnvoll, wenn der Brennstoffmassenstrom bei der einer Downtransiente 300 entsprechenden Änderung der Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 100 in Abhängigkeit der ersten Druckreferenzwerte bestimmt wird, was sich anhand der Linienverläufe der gemessenen Linie (durchgezogen) und der gepunkteten Downtransiente 300 im linken Bereich von 3 erkennen lässt. Es ist ferner von Vorteil, wenn der Brennstoffmassenstrom bei einer Uptransiente 400 entsprechenden Änderung der Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem 100 in Abhängigkeit der zweiten Druckreferenzwerte bestimmt wird, da diese den Brennstoffmassenstrom genauer angibt, wie sich aus der rechten Hälfte von 3 entnehmen lässt.
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Insgesamt ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, auch ohne einen Durchflusssensor den Massenstrom durch die Treibdüse 202 oder den Brennstoffmassenstrom, welcher in den Anodekreislauf eintritt, zu bestimmen, allein aufgrund der an das Brennstoffzellensystem 100 gestellten Lastanforderung. Damit lassen sich sowohl das Brennstoffzellensystem 100 als auch ein mit einem solchen ausgestatteten Kraftfahrzeug weniger komplex bilden, was zusätzlich die Kosten senkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0075135 A1 [0007]
- US 2009/0098426 A1 [0007]
- DE 102017215514 A1 [0007]