DE102017215501A1

DE102017215501A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017215501A1
Application number: DE102017215501.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hable; Christian Lucas
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein entsprechend eingerichtetes Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Anodenversorgung (20) zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases zu dem Brennstoffzellenstapel (10) und Abführung eines Anodenabgases aus demselben, wobei die Anodenversorgung (20) ein Rezirkulationssystem (24, 25) zur Rückführung des Anodenabgases zum Brennstoffzellenstapel (10) aufweist. Im Verfahren werden ein erster Betriebsparameter (p_N2), der eine Zusammensetzung des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführten Gases charakterisiert, sowie ein zweiter Betriebsparameter (V), der ein Volumen- oder Massenstrom des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführten Gases charakterisiert, bestimmt und der Brennstoffzellenstapel (10) wird in Abhängigkeit von dem ersten und/oder zweiten Betriebsparameter betrieben. Dabei werden die beiden Betriebsparameter jeweils mittels mindestens zwei Modellen modelliert und die jeweiligen Modelle in Abhängigkeit ihrer Genauigkeit gewichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zur Ermittlung eines Volumen- oder Massenstroms und einer Zusammensetzung eines rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Anodengases sowie ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem.
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-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird das Anodenbetriebsmedium, also der Brennstoff, im stöchiometrischen Überschuss bezüglich des erzeugten elektrischen Stroms zugeführt. Aus diesem Grund enthält das die Brennstoffzelle verlassende Anodenabgas noch erhebliche Mengen des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Um diesen nicht ungenutzt aus dem System zu entlassen, wird das Anodenabgas üblicherweise über eine Rezirkulationsleitung in das frische Anodenbetriebsmedium zurückgeführt. Aufgrund von Diffusionsprozessen durch die Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle gelangen jedoch Stickstoff und Wasser von der Kathodenseite in die Anodenräume der Brennstoffzelle, sodass eine Anreicherung dieser Fremdkomponenten im Anodengas erfolgt. Aus diesem Grund wird der Anodenkreis von Zeit zu Zeit mit reinem Brennstoff gespült und das „gealterte“ Anodengas aus dem System abgelassen, wobei zumeist nur ein Teil des Anodengases ausgelassen wird.
Die Steuerung der Rezirkulationsrate als auch der Spülvorgänge aber auch die Regelung der Stöchiometrie im Anodenkreis erfordern die Kenntnis sowohl des die Anodenräume durchströmenden und/oder des rezirkulierten Volumenstroms als auch der Gaszusammensetzung des Anodenbetriebsmediums. Für die Ermittlung dieser Parameter soll möglichst auf Sensoren verzichtet werden, sodass diese Größen mittels Modellen bestimmt werden müssen. Dies erfordert die kombinierte Verwendung eines Modells für die Gaszusammensetzung und eines Modells für den Volumenstrom. Eine Schwierigkeit besteht dabei hierin, dass in das Modell zur Bestimmung des Volumenstroms zumindest mittelbar die unbekannte Gaszusammensetzung eingeht und umgekehrt in dem Modell zur Bestimmung der Gaszusammensetzung der unbekannte Volumenstrom einfließt.
Es sind verschiedene Modelle für die beiden gesuchten Betriebsparameter bekannt, beispielsweise Modelle, welche verschiedene im Rezirkulationskreis angeordnete Komponenten (Rezirkulationsgebläse, Strahlpumpe, Brennstoffzellenstapel) beschreiben. Jedes Modell hat jedoch gewisse Ungenauigkeiten. Insbesondere die Bestimmung des N₂-Partialdrucks als eine die Gaszusammensetzung charakterisierende Größe ist durch die bekannten Modelle nur mit einer geringen Zuverlässigkeit möglich, wodurch die Steuerung des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt wird.
DE 10 2007 032 528 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Spülventils der Anodengasrezirkulation, wobei der N₂-Partialdruck als Funktion der N₂-Permeabilität der Polymerelektrolytmembran, der H₂O-Partialdruck als Funktion der Temperatur und der H₂-Partialdruck als Rest im Anodengas bestimmt wird. Aus der so bestimmten Anodengaszusammensetzung wird der zur Einstellung einer gewünschten Stöchiometrie des Anodengases notwendige N₂-Durchfluss durch das Spülventil ermittelt und die Ventilöffnungszeit entsprechend bestimmt.
DE 10 2012 105 327 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Akkumulationsrate von Stickstoff im Anodenrezirkulationsgas mittels eines Sensors, wobei in Abhängigkeit von der ermittelten Akkumulationsrate auf die N₂-Permeabilität der Membran rückgeschlossen wird und die Spülstrategie angepasst wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, das die Bestimmung der beiden miteinander verknüpften Betriebsparameter Volumenstrom und Gaszusammensetzung des Anodengases mit verbesserter Zuverlässigkeit und ohne den Einsatz von Gassensoren erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenversorgung zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases zu dem Brennstoffzellenstapel und Abführung eines Anodenabgases aus demselben umfasst, wobei die Anodenversorgung ein Rezirkulationssystem zur Rückführung des Anodenabgases zum Brennstoffzellenstapel aufweist. Im Verfahren werden ein erster Betriebsparameter, der eine Zusammensetzung des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Gases charakterisiert, sowie ein zweiter Betriebsparameter, der ein Volumen- oder Massenstrom des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Gases charakterisiert, bestimmt. Der Brennstoffzellenstapel wird in Abhängigkeit von dem ersten und/oder zweiten Betriebsparameter betrieben. Die Bestimmung des ersten und zweiten Betriebsparameters weist die Schritte auf:

(a) Vorgabe eines Startwerts für den ersten Betriebsparameter,
(b) Modellieren eines Zwischenwerts für den zweiten Betriebsparameter in Abhängigkeit des Startwerts für den ersten Betriebsparameter und unter Anwendung mindestens zweier Modelle,
(c) Gewichtung des modellierten Zwischenwerts für den zweiten Betriebsparameter durch Berücksichtigung der Genauigkeit der mindestens zwei in Schritt (b) angewandten Modelle unter Erhalt eines gewichteten Werts für den zweiten Betriebsparameter,
(d) Modellieren eines Zwischenwerts für den ersten Betriebsparameter in Abhängigkeit des gewichteten Werts für den zweiten Betriebsparameter unter Anwendung mindestens zweier Modelle, und
(e) Gewichtung des modellierten Zwischenwerts für den ersten Betriebsparameter durch Berücksichtigung der Genauigkeit der mindestens zwei in Schritt (d) angewandten Modelle unter Erhalt eines gewichteten Werts für den ersten Betriebsparameter.

Somit werden für die Modellierung beider zu ermittelnder Betriebsparameter jeweils mindestens zwei unterschiedliche Modelle eingesetzt und die so modellierten Betriebsparameter nachfolgend einer Gewichtung unterzogen, in welcher die jeweilige Genauigkeit der verwendeten Modelle berücksichtigt wird. Auf diese Weise werden die den Modellen inhärenten Ungenauigkeiten abgeschwächt und die Genauigkeit der Bestimmung der beiden Betriebsparameter verbessert. Hieraus resultiert wiederum eine erhöhte Präzision des Steuerungsverfahrens des Brennstoffzellensystems. Da das Verfahren darüber hinaus keine Gassensoren einsetzt, die einerseits teuer sind und sich andererseits durch eine geringe Eignung in den erforderlichen Bedingungen auszeichnen, ist das Verfahren zudem sehr robust.
Bei dem ersten zu bestimmenden Betriebsparameter handelt es sich insbesondere um einen Stoffmengenanteil, einen Gewichtsanteil, einer Konzentration oder einen Partialdruck zumindest einer Gaskomponente des rezirkulierten oder des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Gases, insbesondere von Stickstoff oder von Wasserstoff. Der zweite zu bestimmenden Betriebsparameter ist vorzugsweise der Volumenstrom.
Es versteht sich, dass die in den Schritten (c) und (e) erhaltenen gewichteten Betriebsparameter unmittelbar für den Betrieb des Brennstoffzellensystems verwendet werden können.
In bevorzugter Ausgestaltung umfasst das Verfahren jedoch weiterhin die Schritte:

(f) Vergleich des gewichteten Werts und des Startwerts für den ersten Betriebsparameter, und
(g) Adaptieren des Startwerts, wenn eine Mindestabweichung zwischen dem gewichteten Wert und dem Startwert des ersten Betriebsparameters vorliegt, und erneutes Durchführen der Schritte (b) bis (e).

Der Betrieb des Brennstoffzellensystems umfasst insbesondere eine Regelung der Stöchiometrie des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Anodenbetriebsgases, d.h. des Verhältnisses von zugeführten zu (bezogen auf einen gewünschten Strom der Brennstoffzelle) benötigten Wasserstoff auf der Anodenseite; eine Regelung des Anodenbetriebsdrucks; und/oder eine Regelung/Steuerung des Gehalts an Stickstoff und/oder Wasserdampf des Anodenbetriebsgases.
Vorzugsweise berücksichtigen die in den Schritten (c) und (e) durchgeführten Gewichtungen die Genauigkeit jedes der verwendeten Modelle in Abhängigkeit von aktuellen Betriebs- oder Umgebungsparametern. Die Gewichtung kann insbesondere mit Gewichtungsfaktoren erfolgen, die beispielsweise einen Wert zwischen Null und Eins einnehmen können, wobei für jedes Modell ein Gewichtungsfaktor bestimmt wird. Wird dabei beispielsweise festgestellt, dass ein Betriebs- oder Umgebungsparameterbereich vorliegt, in dem ein erstes Modell eine geringe Genauigkeit aufweist, so wird ein Berechnungsanteil des mit diesem Modell ermittelten Betriebsparameters durch einen niedrigen Gewichtungsfaktor vermindert, also mit einer geringen Gewichtung beaufschlagt. Weist hingegen ein Modell in dem vorliegenden Betriebs- oder Umgebungsparameterbereich eine sehr hohe Genauigkeit auf, so wird der Gewichtungsfaktor dieses Modells auf einen hohen Wert, beispielsweise von eins oder nahe eins festgelegt, um den Berechnungsanteil des mit diesem Modell ermittelten Betriebsparameters zu erhöhen.
Geeignete in den Schritten (b) und (d) angewandte Modelle zur Modellierung des ersten bzw. des zweiten Betriebsparameters umfassen beispielsweise ein Modell der Strömungsmaschine zur Förderung des rezirkulierten Anodengases, ein Modell einer an einer Einmündungsstelle einer Rezirkulationsleitung in einen Anodenversorgungspfad angeordnete Strahlpumpe und/oder ein Modell des Brennstoffzellenstapels, insbesondere seiner Anodenräume.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfassen die mindestens zwei in Schritt (b) und/oder Schritt (d) angewandten Modelle zur Modellierung des ersten bzw. des zweiten Betriebsparameters ein Modell einer in dem Rezirkulationssystem angeordneten Strömungsmaschine zur Förderung des rezirkulierten Anodengases. Insbesondere werden Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien der Strömungsmaschine zur Modellierung verwendet, wobei die Kennlinien für verschiedene Gaszusammensetzungen vorbestimmt sind. In diesem Fall erfolgt die Gewichtung des für die Modellierung des zweiten Betriebsparameters verwendeten Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien-Modells in Schritt (c) bevorzugt in Abhängigkeit von einem Differenzdruck über die Strömungsmaschine. Da das den Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien zugrunde liegende Modell für die Modellierung des zweiten Betriebsparameters (Volumen- oder Massenstrom) bei geringen Differenzdrücken zunehmend ungenau oder sogar ungültig wird, kann hier eine Verringerung des Gewichtungsfaktors bei geringen Differenzdrücken bis hin zu einem Gewichtungsfaktor von Null vorgesehen sein. Sofern das Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien-Modell für die Modellierung des ersten Betriebsparameters (Gaszusammensetzung) herangezogen wird, erfolgt die Gewichtung in Schritt (e) bevorzugt in Abhängigkeit von einer elektrischen Last bzw. Stromstäre des Brennstoffzellenstapels. Hier wird vorzugsweise der Gewichtungsfaktor mit zunehmender Last verringert.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfassen die mindestens zwei in Schritt (b) und/oder Schritt (d) angewandten Modelle zur Modellierung des ersten bzw. des zweiten Betriebsparameters ein Modell des Brennstoffzellenstapels, insbesondere ein Differenzdruckmodell, das den zweiten Betriebsparameter als Funktion eines über den Brennstoffzellenstapel vorliegenden Differenzdrucks (zwischen Anoden-eingang und - ausgang), der Gasdichte und der Gasviskosität darstellt. In diesem Fall erfolgt die Gewichtung des Differenzdruckmodells für den zweiten Betriebsparameter in Schritt (c) bevorzugt in Abhängigkeit von dem Differenzdruck über den Brennstoffzellenstapel. Der zunehmenden Ungenauigkeit des Differenzdruckmodells bei hohen Differenzdrücken über den Stapel wird hier mit einer Verringerung der Gewichtung Rechnung getragen. Hinsichtlich des ersten Betriebsparameters erfolgt die Anwendung des Differenzdruckmodells in Schritt (e) bevorzugt mit konstanter Gewichtung, also ohne Einschränkungen, da das Modell hier stets plausible und zuverlässige Werte für den Volumen- oder Massenstrom liefert.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfassen die mindestens zwei in Schritt (b) angewandten Modelle zur Modellierung des zweiten Betriebsparameters ein Strahlpumpenmodell. Dabei verknüpft das Strahlpumpenmodell die an den verschiedenen Ein- und Ausgängen (Druckseite, Saugseite und Ausgangsseite) der Strahlpumpe anliegenden Massen- oder Volumenströme mit Drücken, insbesondere in Form eines Körtingkennfelds. In diesem Fall erfolgt die Gewichtung des Strahlpumpenmodells für den zweiten Betriebsparameter in Schritt (c) bevorzugt in Abhängigkeit von einer elektrischen Last des Brennstoffzellenstapels. Um einer abnehmenden Genauigkeit des Strahlpumpenmodells bei geringen Lasten des Brennstoffzellenstapels Rechnung zu tragen, wird hier die Gewichtung des Strahlpumpenmodells mit abnehmenden Lasten verringert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenversorgung zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases zu dem Brennstoffzellenstapel und Abführung eines Anodenabgases aus demselben, wobei die Anodenversorgung ein Rezirkulationssystem zur Rückführung des Anodenabgases zum Brennstoffzellenstapel aufweist, sowie eine Steuereinrichtung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein solches Brennstoffzellensystem aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 einen Ausschnitt den Brennstoffzellensystems aus 1 mit verschiedenen Regelkreisen des Anodenkreises,
3 ein Fließschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Volumenstroms und eines Stickstoffpartialdrucks in einem Anodenbetriebsgas des Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführung der Erfindung;
4 einen Gewichtungsalgorithmus zur Gewichtung der zur Modellierung des Volumenstroms verwendeten Modelle, und
5 einen Gewichtungsalgorithmus zur Gewichtung der zur Modellierung des Stickstoffpartialdrucks verwendeten Modelle.

1 zeigt ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt die Anodenversorgung des Brennstoffzellensystems 1 mit verschiedenen Regelkreisen. Das Brennstoffzellensystem 1 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran oder einen anderen Festelektrolyten aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums, beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Druckspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Druckregelventil 232 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Ein zwischen Druckspeicher 23 und dem Druckregelventil 232 angeordnetes Absperrventil 231 erlaubt die Einstellung eines Vordrucks bzw. die Absperrung des Pfads 21. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 eine Rezirkulationsleitung 24 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung 24 ist eine Fördereinrichtung 25, hier eine Strömungsmaschine, beispielsweise ein Gebläse oder eine Pumpe, angeordnet, mit welcher ein rezirkulierter Volumenstrom einstellbar ist. An einer Einmündungsstelle der Rezirkulationsleitung 24 in den Anodenversorgungspfad 21 ist ferner eine Strahlpumpe 26 angeordnet. Diese ist druckseitig mit dem Druckspeicher 23, saugseitig mit der Rezirkulationsleitung 24 und auslassseitig mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden. In dem Anodenabgaspfad 22 ist zudem ein Wasserabscheider 27 angeordnet, welcher die Abscheidung kondensierten Wassers erlaubt. Ferner ist der Anodenabgaspfad 22 mit einer Spülleitung 28 verbunden, die im dargestellten Beispiel in einen Kathodenabgaspfad 32 mündet, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden können. In alternativer Ausführung kann die Spülleitung 28 auch in die Umgebung münden. Ein Spülventil 29, das alternativ mit dem Wasserabscheider 27 kombiniert sein kann, ermöglicht den Ablass des Anodenabgases über die Spülleitung 28.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen Elektromotor erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 34 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 35 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 35 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 35 angeordnetes Regelventil 36 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann ferner einen Befeuchter 37 aufweisen. Der Befeuchter 37 ist so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er einerseits von dem Kathodenbetriebsgas und andererseits von dem Kathodenabgas durchströmbar ist, wobei das Kathodenbetriebsgas und das Kathodenabgas durch wasserdampfpermeablen Membranen voneinander getrennt sind. Über die wasserdampfpermeablen Membranen wird eine Übertragung von Wasserdampf vom dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abluft) auf das vergleichsweise trockene Kathodenbetriebsgas (Luft) bewirkt.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 50, welche den Betrieb des Systems 1 steuert oder regelt. Verschiedene Messparameter gehen in die Steuereinrichtung 50 ein, beispielsweise Temperatur T₁ und Druck p₁ des Anodenbetriebsgases am Stapeleintritt, die im Anodenversorgungspfad 21 an der Messstelle 211 gemessen werden; Temperatur T₂ und Druck p₂ des Anodenabgases am Stapelaustritt, die im Anodenabgaspfad 22 an der Messstelle 221 gemessen werden; der Differenzdruck Δp_P über die Fördereinrichtung 25; absoluter Druck p_P2 und Temperatur T_P2 am Ausgang der Fördereinrichtung 25, Drehzahl u, Spannung und Strom der Fördereinrichtung 25, sowie ein Signal S_H2O eines Pegelschalters des Wasserabscheiders 27.
Zu den von Steuereinrichtung 50 geregelten Regel- oder Steuergrößen gehören insbesondere der Druck p_FCset des Anodenbetriebsgases am Stapeleintritt; die Stöchiometrie λ_H2set der Brennstoffzelle, d.h. das Verhältnis von zugeführten zu benötigten Wasserstoff auf der Anodenseite; der N₂-Gehalt oder N₂-Partialdruck p_N2set am Stapelaustritt, sowie der Wasserpegel am Abscheider 27. Die Ermittlung der entsprechenden Regelgrößen p_FCset, p_FCset, p_N2set erfolgt in einem Sollwertbestimmungsmodul 51 (s. 2) der Steuereinrichtung 50 in Abhängigkeit von einer gewünschten Stromstärke I_FCset des Brennstoffzellenstapels 10. Zur Einstellung des Drucks p_FCset des Anodenbetriebsgases am Stapeleintritt erhält die Steuereinrichtung 50 von der Messstelle 211 den Druck p₁ des Anodengases am Stapeleintritt und steuert mittels eines PID-Reglers das Regelventil 232 an, so dass sich der Istdruck dem Solldruck p_FCset angleicht. Zur Einstellung der Brennstoffzellen-Stöchiometrie λ_H2set erhält die Steuereinrichtung 50 von einem Anodenzustandsmodell 52 die aktuell vorliegende Stöchiometrie λ_H2 und steuert mittels eines weiteren PID-Reglers die Strömungsmaschine 25 an, insbesondere ihre Drehzahl, so dass sich die Iststöchiometrie der Sollstöchiometrie λ_H2set angleicht. Zur Einstellung des N₂-Partialdrucks p_N2set erhält die Steuereinrichtung 50 von dem Anodenzustandsmodell 52 den aktuell vorliegenden N₂-Partialdruck p_N2 und steuert mittels eines Zwei-Punkt-Reglers das Spülventil 29, so dass sich der Istpartialdruck von Stickstoff dem Sollpartialdruck p_N2set angleicht. Zur Einstellung eines maximalen Pegelstands des Wasserabscheiders 27 erhält die Steuereinrichtung 50 von einem Pegelschalter den aktuell vorliegenden Wasserpegel und steuert mittels eines weiteren Zwei-Punkt-Reglers das Ablassventil des Wasserabscheiders 27 an, so dass sich der maximale Pegel einstellt.
Zur Bestimmung der Stöchiometrie λ_H2 und des N₂-Partialdrucks p_N2 benötigt das Anodenzustandsmodell 52 einen Betriebsparameter, der ein Volumen- oder Massenstrom des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Gases charakterisiert, sowie einen Betriebsparameter, der die Zusammensetzung des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Gases charakterisiert. Nachfolgend wird das Verfahren zur Bestimmung dieser Größen am Beispiel der Bestimmung des N₂-Partialdrucks p_N2 am Stapelaustritt sowie des Volumenstroms V des rezirkulierten Anodengases anhand des Fließschemas in 3 erläutert.
In S1 beginnt das Verfahren, indem ein Startwert p_N2,s für den Stickstoffpartialdruck des Anodengases ermittelt wird. Stickstoff, der über die kathodenseitig zugeführte Luft in den Brennstoffzellenstapel 10 eingetragen wird, diffundiert (ebenso wie Wasserdampf) über die Polymerelektrolytmembran auf die Anodenseite der Brennstoffzelle und reichert sich im rezirkulierten Anodengas an. Da Stickstoff nicht umgesetzt wird, kann der Stickstoffpartialdruck im Anodengas nur durch Öffnen des Spülventils 29 reduziert werden. Vorliegend wird ein N₂-Bilanzmodell verwendet, das den Startwert für den Stickstoffpartialdruck durch eine Stoffmengenbilanzierung des Stickstoffs im rezirkulierten Anodengas ermittelt. Dabei wird einerseits der N₂-Eintrag aufgrund Permeation von Kathode zur Anode über die Membran unter Anwendung des Fick'schen Gesetzes ermittelt. Da die Permeationsrate vom Differenzdruck über die Membran, der Membranfeuchtigkeit und der Temperatur abhängt und diese Parameter sich im dynamischen Betrieb der Brennstoffzelle 10 schnell ändern, wird ein mittlerer N₂-Diffusionsquoeffizient (oder Permeationskoeffizient) verwendet. Weiterhin wird für die Bilanzierung der N₂-Austrag durch Öffnen des Ventils 29 unter Anwendung von Ventilgleichungen oder -modellen ermittelt. Der N₂-Eintrag und N₂-Austrag werden kontinuierlich akkumuliert bzw. integriert, um den Startwert p_N2,s zu erhalten. Die Ermittlung des Startwert p_N2,s über die geschilderte Bilanzierung liefert plausible Werte und hat sich als sehr robust erwiesen.
Im anschließenden Schritt S2 wird in Abhängigkeit des Startwerts des Stickstoffpartialdrucks p_N2,s die Dichte ρ des Anodengases vorläufig berechnet oder geschätzt.
Im anschließenden Schritt S3 wird ein Zwischenwert des rezirkulierten Volumenstroms V̇_m in Abhängigkeit der in Schritt S2 bestimmten Dichte ρ, also in Abhängigkeit von dem Startwert des Stickstoffpartialdrucks p_N2,s modelliert. An dieser Stelle werden mindestens zwei Modelle, in diesem Beispiel drei Modelle zur Modellierung des Volumenstroms V̇_m, verwendet, die nachfolgend erläutert werden.
Modell Strömungsmaschine / Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien
Es werden Kennlinien verwendet, die die Druckzahl Ψ gegen die Lieferzahl φ der Strömungsmaschine 25 gemäß den nachfolgenden Gleichungen darstellen. Die Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien werden für unterschiedliche Gaszusammensetzungen, insbesondere in Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen mit unterschiedlichen Partialdrücken von Stickstoff und Wasserstoff auf einem Prüfstand ermittelt und gespeichert. $φ = \frac{2 * Y}{u^{2}}$
$Ψ = \dot{V} * {(\frac{D^{2} * π * u}{4})}^{- 1}$
Hierin ist Y die von der Strömungsmaschine 25 geleistete Stutzenarbeit mit Y=Δh=Δp_P /ρ, wobei Δh die isentrope Enthalpiedifferenz des Gases vor und hinter der Strömungsmaschine 25, Δp_P der Differenzdruck über die Strömungsmaschine 25 und ρ die Dichte des Anodengases ist; und u ist die Umfangsgeschwindigkeit der Strömungsmaschine 25. Aus diesen Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien wird einer erster Wert für den Volumenstrom V in Abhängigkeit von Δp_P , ρ und u abgeleitet.
Stapeldifferenzdruckmodell
Ein zweiter Wert für den Volumenstroms V wird aus einem Differenzdruckmodell ermittelt, das den Volumenstrom V als Funktion des über den Brennstoffzellenstapel 10 vorliegenden Differenzdruck Δp_Anode, der Dichte ρ und der Viskosität µ des Gasgemischs gemäß folgender Gleichung darstellt: $Δ p_{A n o d e} = k_{l a m i n a r} * μ * \dot{V} + k_{t u r b u l e n t} * ρ * {\dot{V}}^{2}$
Hier kann zur Vereinfachung der Turbulenzkoeffizient k_turbulent gleich Null gesetzt werden und der Einfluss von Flüssigwasser über den Laminarkoeffizienten k_laminar abgebildet werden.
Strahlpumpenmodell
Ein dritter Wert für den Volumenstrom V wird aus einem Modell der Strahlpumpe 26 abgeleitet. Das Strahlpumpenmodell verknüpft verschiedene, an dem Druckeingang, dem Saugeingang und dem Ausgang der Strahlpumpe 26 vorliegende Massen- oder Volumenströme mit den dortigen Drücken. Insbesondere wird hier das so genannte Körtingkennfeld verwendet, das das Verhältnis ṁ_s/ṁ_d in Abhängigkeit des Verhältnisses p_a/p_s als Kennlinie darstellt. Dabei werden derartige Kennlinien für verschiedene Verhältnisse vom p_s/p_d erstellt. Hier bedeutet der Index „s“ Saugseite, der Index „d“ Druckseite und der Index „s“ Ausgangsseite der Strahlpumpe 26. Zusätzlich wird die Sauggasdichte, also die Dichte ρ des rezirkulierten Gases durch einen Korrelationsbeiwert berücksichtigt.
Weiter in 2, wird in S3 aus den drei, aus den vorstehenden Modellen abgeleiteten Werten für den Volumenstrom V̇ des rezirkulierten Gases ein modellierter Zwischenwert V̇_m gebildet, beispielsweise durch arithmetische Mittelung der drei Einzelwerte.
Anschließend erfolgt in S4 eine Gewichtung des modellierten Zwischenwerts V̇_m für den Volumenstrom durch Berücksichtigung der Genauigkeit der in S3 angewandten Modelle unter Erhalt eines gewichteten Werts V̇_w . Die Gewichtung wird anhand von 4 erläutert.
Für die Gewichtung wird für jedes der in S3 verwendeten Modelle zur Bestimmung des modellierten Volumenstroms V̇_m ein Gewichtungsfaktor W ermittelt, hier also ein erster Gewichtungsfaktor W₁, ein zweiter Gewichtungsfaktor W₂ und ein dritter Gewichtungsfaktor W₃. Die Gewichtungsfaktoren berücksichtigen dabei die Genauigkeit des betreffenden Modells in Abhängigkeit von aktuellen Betriebs- oder Umgebungsparametern. So ist das Modell der Strömungsmaschine unter Verwendung der Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien bei geringen Differenzdrücken Δp_P über die Strömungsmaschine 25, insbesondere bei Differenzdrücken < 5 mbar, ungenau oder gar ungültig, da dann die Strömungsmaschine 25 überströmt wird. Somit wird der erste Gewichtungsfaktor W₁ aus einer Kennlinie in Abhängigkeit von Δp_P ermittelt (obere Zeile in 4). Das Stapeldifferenzdruckmodell hingegen wird bei hohen Differenzdrücken Δp_Anode über den Brennstoffzellenstapel 10 ungenau. Dabei hängt die Schwelle insbesondere von der Menge an Flüssigwasser im Stapel und von turbulenten Strömungen in der Stapelversorgung ab und kann beispielsweise bei Differenzdrücken > 210 mbar liegen. Somit wird der zweite Gewichtungsfaktor W₂ aus einer Kennlinie in Abhängigkeit von Δp_Anode ermittelt (mittlere Zeile in 4). Ferner weist das Strahlpumpenmodell bei geringen elektrischen Lasten des Brennstoffzellenstapels 10, d.h. niedrigen Stromstärken, die sich in einer niedrigen Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Strahlpumpe 26 widerspiegeln, eine zunehmende Ungenauigkeit auf. Dabei hängt die Schwelle insbesondere von der Größe der Brennstoffzelle und den Betriebsbedingungen ab und kann beispielsweise bei Stromstärken I_FC < 150 A liegen. Somit wird der dritte Gewichtungsfaktor W₃ aus einer Kennlinie in Abhängigkeit von I_FC ermittelt (untere Zeile in 4).
Unter Anwendung der so erhaltenen Gewichtungsfaktoren W₁, W₂ und W₃ wird dann der gewichtete Volumenstrom V̇_w berechnet.
Im anschließenden Schritt S5 erfolgt eine Bestimmung eines modellierten Zwischenwerts für den Stickstoffpartialdruck p_N2,m in Abhängigkeit des in Schritt S4 bestimmten gewichteten Volumenstroms V̇_w . Ebenso wie in Schritt S3 werden auch hier mindestens zwei Modelle angewendet, um so jeweils einen Wert für den Stickstoffpartialdruck p_N2,m zu erhalten. Im vorliegenden Beispiel werden zwei verschiedene Modell angewandt, nämlich das oben beschriebene Modell für die Strömungsmaschine 25 unter Verwendung von Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien sowie das ebenfalls oben beschriebene Modell für den Brennstoffzellenstapel (Stapeldifferenzdruckmodell). Aus den zwei, mit diesen Modellen abgeleiteten Werten für den Stickstoffpartialdruck p_N2 des rezirkulierten Gases wird ein modellierter Zwischenwert p_N2,m gebildet, beispielsweise durch arithmetische Mittelung der zwei Einzelwerte.
Anschließend erfolgt in S6 eine Gewichtung des modellierten Zwischenwerts p_N2,m für den Stickstoffpartialdruck durch Berücksichtigung der Genauigkeit der in S5 angewandten Modelle unter Erhalt eines gewichteten Werts p_N2,w des Stickstoffpartialdrucks. Die Gewichtung wird anhand von 5 erläutert.
Für die Gewichtung wird für jedes der in S5 zur Bestimmung des modellierten Stickstoffpartialdrucks p_N2,m verwendeten Modelle ein Gewichtungsfaktor W ermittelt, hier also ein erster Gewichtungsfaktor W₄ und ein zweiter Gewichtungsfaktor W₅. Die Gewichtungsfaktoren berücksichtigen wiederum die Genauigkeit des betreffenden Modells in Abhängigkeit von aktuellen Betriebs- oder Umgebungsparametern, diesmal in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit zur Bestimmung des Stickstoffpartialdrucks. So ist das Modell der Strömungsmaschine unter Verwendung der Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien bei hohen elektrischen Lasten (Stromstärken) des Brennstoffzellenstapels 10 ungenau. Dabei hängt die Schwelle insbesondere von der Größe der Brennstoffzelle, den Betriebsbedingungen und der Strahlpumpencharakteristik ab und kann beispielsweise bei Stromstärken > 537 A liegen. Somit wird der erste Gewichtungsfaktor W₄ aus einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Stromstärke I_FC ermittelt (obere Zeile in 5). Das Stapeldifferenzdruckmodell hingegen liefert für die meisten Betriebspunkte hinreichend zutreffende Wert für den Stickstoffpartialdruck. Lediglich bei sehr geringen Leistungen bzw. wenn die Leistung der Fördereinrichtung 25 gegen Null geht, wird eine zunehmende Ungenauigkeit festgestellt. Smit kann (in erster Näherung) für den Gewichtungsfaktor W₅ ein konstanter Wert beispielsweise von 1,0 ermittelt werden (untere Zeile in 5).
Unter Anwendung der so erhaltenen Gewichtungsfaktoren W₄ und W₅ wird dann der gewichtete Stickstoffpartialdruck p_N2,w berechnet.
Anschließend erfolgt in der Abfrage S7 ein Vergleich des gewichteten Stickstoffpartialdruck p_N2,w aus S6 mit dem Startwert p_N2,s für den Stickstoffpartialdruck. Insbesondere wird überprüft ob eine Differenz zwischen den beiden Werten größer ist als eine vorbestimmte Mindestabweichung Δ. Sofern die Abfrage verneint wird, das heißt, beide Werte stimmen weitgehend überein, geht das Verfahren zu Schritt S8 über. Hier wird der modellierte Stickstoffpartialdruck p_N2,m als Istwert p_N2 des Stickstoffgehalts und der modellierte Volumenstrom V̇_m als Istwert des Volumenstroms V̇ festgelegt. Diese Istwerte werden unmittelbar zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 1, beispielsweise als Ausgabewerte des Anodenzustandsmodells 52 in 2 verwendet.
Weichen andernfalls der gewichtete Stickstoffpartialdruck p_N2,w und der Startwert p_N2,s fortwährend über die vorbestimmte Abweichung Δ voneinander ab, wird die Abfrage in S7 bejaht und das Verfahren geht zu Schritt S9 über. Hier wird der Startwert p_N2,s adaptiert, um ihn besser an die Ist-Situation anzupassen. Hierzu wird beispielsweise nach Ablauf einer Überschreitungsdauer der Startwert um die Hälfte des Abstands des gewichteten Stickstoffpartialdrucks p_N2,w zur Mindestabweichung Δ geändert. Dadurch können Abweichungen im N₂-Diffusionsmodell, das in Schritt S1 verwendet wird korrigiert werden und gleichzeitig ein stetiger Verlauf des Stickstoffpartialdrucks gewährleistet werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel / Brennstoffzelle
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
211: Messstelle (Drucksensor, Temperatursensor)
22: Anodenabgaspfad
221: Messstelle (Drucksensor, Temperatursensor)
23: Drucktank
231: Absperrventil
232: Druckregelventil
24: Rezirkulationsleitung
25: Fördereinrichtung/Strömungsmaschine
27: Wasserabscheider
28: Spülleitung
29: Spülventil
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Turbine
35: Wastegate-Leitung
36: Stellmittel
37: Befeuchter
50: Steuereinrichtung
51: Sollwertbestimmungsmodul
52: Anodenzustandsmodell
p_N2: erster Betriebsparameter, Stickstoffpartialdruck
p_N2,s: Startwert des ersten Betriebsparameters
p_N2,m: modellierter Zwischenwert des ersten Betriebsparameters
p_N2,w: gewichteter Wert des ersten Betriebsparameters
Δp_P: Differenzdruck über Strömungsmaschine
Δp_Anode: Differenzdruck über Brennstoffzellenstapel
V: zweiter Betriebsparameter, Volumenstrom
V̇_m: modellierter Zwischenwert des zweiten Betriebsparameters
V̇_w: gewichteter Wert des zweiten Betriebsparameters
T: Temperatur
p: Druck
ρ: Dichte des Anodengases
u: Drehzahl der Strömungsmaschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007032528 A1 [0007]
DE 102012105327 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Anodenversorgung (20) zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases zu dem Brennstoffzellenstapel (10) und Abführung eines Anodenabgases aus demselben, wobei die Anodenversorgung (20) ein Rezirkulationssystem (24, 25) zur Rückführung des Anodenabgases zum Brennstoffzellenstapel (10) aufweist, wobei im Verfahren ein erster Betriebsparameter (p_N2), der eine Zusammensetzung des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführten Gases charakterisiert, sowie ein zweiter Betriebsparameter (V), der ein Volumen- oder Massenstrom des rezirkulierten oder dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführten Gases charakterisiert, bestimmt werden und der Brennstoffzellenstapel (10) in Abhängigkeit von dem ersten und/oder zweiten Betriebsparameter betrieben wird, wobei die Bestimmung des ersten und zweiten Betriebsparameters die Schritte aufweist: (a) Vorgabe eines Startwerts (p_N2,s) für den ersten Betriebsparameter, (b) Modellieren eines Zwischenwerts (V̇_m) für den zweiten Betriebsparameter in Abhängigkeit des Startwerts (p_N2,s) für den ersten Betriebsparameter und unter Anwendung mindestens zweier Modelle, (c) Gewichtung des modellierten Zwischenwerts (V̇_m) für den zweiten Betriebsparameter durch Berücksichtigung der Genauigkeit der mindestens zwei in Schritt (b) angewandten Modelle unter Erhalt eines gewichteten Werts (V̇_w) für den zweiten Betriebsparameter, (d) Modellieren eines Zwischenwerts (p_N2,m) für den ersten Betriebsparameter in Abhängigkeit des gewichteten Werts (V̇_w) für den zweiten Betriebsparameter unter Anwendung mindestens zweier Modelle, und (e) Gewichtung des modellierten Zwischenwerts (p_N2,m) für den ersten Betriebsparameter durch Berücksichtigung der Genauigkeit der mindestens zwei in Schritt (d) angewandten Modelle unter Erhalt eines gewichteten Werts (p_N2,w) für den ersten Betriebsparameter.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte: (f) Vergleich des gewichteten Werts (p_N2,w) und des Startwerts (p_N2,s) für den ersten Betriebsparameter, (g) Adaptieren des Startwerts (p_N2,s), wenn eine Mindestabweichung (Δ) zwischen dem gewichteten Wert (p_N2,w) und dem Startwert (p_N2,s) des ersten Betriebsparameters vorliegt, und erneutes Durchführen der Schritte (b) bis (d).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in den Schritten (c) und (e) durchgeführten Gewichtungen die Genauigkeit der verwendeten Modelle in Abhängigkeit von aktuellen Betriebs- oder Umgebungsparametern berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei in Schritt (b) und/oder Schritt (d) angewandten Modelle ein Modell einer in dem Rezirkulationssystem angeordneten Strömungsmaschine (25), insbesondere Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien der Strömungsmaschine (25) für verschiedene Gaszusammensetzungen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gewichtung des Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien-Modells für den zweiten Betriebsparameter in Schritt (c) in Abhängigkeit von einem Differenzdruck (Δp_P) über die Strömungsmaschine (25) erfolgt und/oder die Gewichtung des Druckzahl-Lieferzahl-Kennlinien-Modells für den ersten Betriebsparameter in Schritt (e) in Abhängigkeit von einer elektrischen Last des Brennstoffzellenstapels (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei in Schritt (b) und/oder Schritt (d) angewandten Modelle ein Modell des Brennstoffzellenstapels (10) umfassen, insbesondere ein Differenzdruckmodell, das den zweiten Betriebsparameter (V) als Funktion eines über den Brennstoffzellenstapel (10) vorliegenden Differenzdrucks (Δp_Anode) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Gewichtung des Differenzdruckmodells für den zweiten Betriebsparameter in Schritt (c) in Abhängigkeit von einem Differenzdruck (Δp_Anode) über den Brennstoffzellenstapel (10) erfolgt und/oder das Differenzdruckmodell für den ersten Betriebsparameter in Schritt (e) mit konstanter Gewichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei in Schritt (b) angewandten Modelle ein Modell für eine an einer Mündungsstelle einer Rezirkulationsleitung (24) in einen Anodenversorgungspfad (21) angeordneten Strahlpumpe (25) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Gewichtung des Strahlpumpenmodells für den zweiten Betriebsparameter in Schritt (c) in Abhängigkeit von einer elektrischen Last des Brennstoffzellenstapels (10) erfolgt.
Brennstoffzellensystem (1) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10), eine Anodenversorgung (20) zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases zu dem Brennstoffzellenstapel (10) und Abführung eines Anodenabgases aus demselben, wobei die Anodenversorgung (20) ein Rezirkulationssystem (24, 25) zur Rückführung des Anodenabgases zum Brennstoffzellenstapel (10) aufweist, sowie eine Steuereinrichtung (50), die zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.