Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ermittlungsvorrichtung für ein

Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem.

Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zum Wassermanagement in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Hierbei gilt es unter anderem, einen

Feuchtigkeitswert einer Elektrolytmembran im Brennstoffzellenstapel des

Brennstoffzellensystems auf einem gewünschten Wert zu halten und insbesondere vor dem Austrocknen zu bewahren. Dazu werden in der Regel verschiedene

Sensoren wie Feuchtigkeitssensoren zur Ermittlung entsprechender Messwerte verwendet. Anhand der Messwerte kann anschließend auf den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran geschlossen werden. Außerdem kann anhand der Messwerte eine Vorhersage zu einem bevorstehenden Feuchtigkeitszustand der

Elektrolytmembran getroffen werden. Ferner ist es bekannt, den

Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran mit Hilfe einer Impedanzspektroskopie zu ermitteln. Hierbei kann anhand eines gemessenen Spannungsabfalls auf den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran geschlossen werden.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der Feuchte in einem

Brennstoffzellensystem kann der US 2012/0148927 A1 entnommen werden. Gemäß dieser Patentanmeldung wird vorgeschlagen, die Feuchte anhand eines

Massengleichgewichts und/oder anhand von Zustandswerten zu Temperaturen, Drücken und/oder Flussraten im Brennstoffzellensystem zu ermitteln.

Die im Stand der Technik bekannten Systeme können dem Wunsch nach einem möglichst einfachen, kostengünstigen und flexibel einsetzbaren System zur

Ermittlung der Feuchte im Brennstoffzellensystem jedoch noch nicht abschließend Rechnung tragen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine entsprechend verbesserte Ermittlungsvorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen. Ferner ist es eine Aufgabe, ein System sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchen eine Elektrolytmembran zuverlässig vor dem Austrockenen geschützt werden kann. Die voranstehenden Aufgaben werden durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere werden die voranstehenden Aufgaben durch die Ermittlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 , das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, das Verfahren gemäß Anspruch 9, das Verfahren gemäß Anspruch 13, das Verfahren gemäß Anspruch 14, das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 15 sowie das Speichermittel gemäß Anspruch 16 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Ermittlungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystem, den erfindungsgemäßen Verfahren, dem

erfindungsgemäßen Com puterprogramm produkt, dem erfindungsgemäßen

Speichermittel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw.

werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine

Ermittlungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem

Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen. Die Ermittlungsvorrichtung umfasst einen virtuellen Feuchtesensor, der einen ersten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Stapelauslass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen dritten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Stapelauslass-Luftmassenfluss- Ermittlungswertes, einen vierten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur

Aufnahme eines Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen sechsten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswertes, einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur

Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck- Ermittlungswertes, und einen neunten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, umfasst. Außerdem weist die Ermittlungsvorrichtung eine Recheneinheit zur Berechnung eines

Feuchtewertes in einem Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines

Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte auf.

Mit Hilfe des virtuellen Feuchtesensors und der erfindungsgemäß aufgenommenen bzw. berücksichtigten Ermittlungswerte lässt sich der gesuchte Feuchtewert relativ genau berechnen. Der berechnete Feuchtewert kann als relative Kathodeneinlass- Feuchte betrachtet werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass mit Hilfe der

vorgenannten Ermittlungswerte auf einen spezifischen, physischen Feuchtesensor zur Bestimmung des Feuchtewertes verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß wird die ohnehin vorhandene Sensorik des Brennstoffzellensystems genutzt, um über den virtuellen Feuchtesensor die ausgewählten Ermittlungswerte zu erlangen, um basierend darauf den Feuchtewert zu berechnen. Die Ermittlungsvorrichtung kann entsprechend als Feuchteberechnungseinheit verstanden werden.

Der virtuelle Feuchtesensor benötigt keine separaten, physischen Bauteile. Damit kann der virtuelle Feuchtesensor kostengünstig, gewicht- sowie platzsparend in einem Brennstoffzellensystem implementiert werden. Darüber hinaus können der virtuelle Feuchtesensor sowie die gesamte Ermittlungsvorrichtung flexibel in bestehende Brennstoffzellensysteme integriert werden.

Unter dem Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert der relativen Feuchte, genauer gesagt einer relativen Feuchte eines Fluids, am

Kathodenauslass zu verstehen. Unter dem Stapelauslass-Wassermassenfluss- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses bzw.

Wassermassenstromes am Stapelauslass zu verstehen. Unter dem Stapelauslass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses am Stapelauslass bzw. am Brennstoffzellenstapelauslass zu verstehen. Unter dem Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses am Systemeinlass bzw. an einem

Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen. Unter dem Systemeinlass- Luftmassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses bzw. Luftmassenstromes am Systemeinlass bzw. am Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen. Unter dem Systemeinlass kann ein Bereich des

Brennstoffzellensystems verstanden werden, durch welchen Umgebungsluft in das Brennstoffzellensystem, insbesondere zum Kathodenabschnitt des

Brennstoffzellenstapels, eingebracht wird. Unter dem Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert einer Temperatur, insbesondere einer Fluidtemperatur, am Kathodeneinlass verstanden werden. Unter einem

Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert einer Temperatur, insbesondere einer Fluidtemperatur, am Kathodenauslass verstanden werden. Unter einem Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert eines Druckes, insbesondere eines Fluiddruckes, am Kathodeneinlass verstanden werden. Unter einem Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswert kann ein ermittelter Wert eines Druckes, insbesondere eines Fluiddruckes, am

Kathodenauslass verstanden werden. Die Werte können mit Hilfe von vorhandenen Sensoren oder Rechenmodellen ermittelt und am virtuellen Feuchtesensor bereitgestellt werden.

Im Rahmen der Erfindung kann die Ermittlungsvorrichtung ein virtuelles

Sensorsystem mit mehreren virtuellen Sensoren, zu welchen der virtuelle

Feuchtesensor gezählt werden kann, umfassen. Zur Berechnung des Feuchtewertes bzw. zur Übertragung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit steht der virtuelle Feuchtesensor mit der Recheneinheit in Signalverbindung. Die Recheneinheit kann in Form eines Computers, einer CPU oder eines anderen, geeigneten Prozessors ausgestaltet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass eine Ermittlungsvorrichtung einen virtuellen Systemeinlasssensor umfasst, der einen ersten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, einen zweiten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes, einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und einen vierten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswertes, aufweist. Die Recheneinheit ist in diesem Fall zur Berechnung des Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand dieser aufgenommenen Ermittlungswerte, also anhand des aufgenommenen Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, des aufgenommenen Umgebungsdruck- Ermittlungswertes, des aufgenommenen Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes sowie des aufgenommenen Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, konfiguriert. Damit können ein präziser Systemeinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswert berechnet und der Feuchtewert im Kathodeneinlassbereich entsprechend genau ermittelt werden. Unter dem Umgebungstemperatur- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert der Umgebungstemperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Unter dem Umgebungsdruck- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert des Umgebungsdrucks in der Umgebung des Brennstoffzellensystems zu verstehen. Unter dem Umgebungsfeuchte- Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert der Umgebungsfeuchte, insbesondere der relativen Umgebungsfeuchte, in der der Umgebung des Brennstoffzellensystems, insbesondere in der Luft in der Umgebung des Brennstoffzellensystems, zu verstehen. Unter dem Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Luftmassenflusses am Systemeinlass bzw. an einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystemeinlass zu verstehen.

Ferner ist es möglich, dass eine erfindungsgemäße Ermittlungsvorrichtung einen virtuellen Stapelsensor umfasst, der einen ersten Stapelsensor- Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswertes, einen zweiten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur

Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass- Temperatur-Ermittlungswertes, einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, einen fünften

Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswertes, und einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, aufweist. Die Recheneinheit ist zur Berechnung des Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes anhand dieser Ermittlungswerte, also anhand des aufgenommenen Kathodeneinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, des Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswertes, des Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, des

Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, des Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswertes sowie des Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, konfiguriert. Damit können ein präziser Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert berechnet und der Feuchtewert im Kathodeneinlassbereich entsprechend genau ermittelt werden. Unter dem Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert ist ein ermittelter Wert eines Wassermassenflusses am Kathodeneinlass zu verstehen.

Außerdem ist es bei einer Ermittlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Recheneinheit zur Berechnung des Kathodeneinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes anhand der gemäß dem ersten Aspekt aufgenommenen Ermittlungswerte konfiguriert ist. Damit kann eine Feedback- Schleife geschaffen werden, mit welcher eine effiziente Ermittlung des

Feuchtewertes ermöglicht wird.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass zu einem Zeitpunkt Null mit Initialwerten gerechnet wird und/oder diese als Startwerte angenommen werden. Diese können dann von einem vorherigen Abschalten des Systems gespeichert werden. Für den Betrieb ist dies durch das Verwenden von Verzögerern geregelt, da sowohl Gas als auch Wasser erst durch die einzelnen Pfade strömen müssen und nicht unmittelbar vom Systemeingang zum Kathodeneingang gelangen können.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein

Brennstoffzellensystem mit einer, wie vorstehend im Detail beschriebenen,

Ermittlungsvorrichtung zur Ermittlung eines Feuchtewertes im

Kathodeneinlassbereich stromaufwärts des Kathodenabschnitts des

Brennstoffzellenstapels zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ermittlungsvorrichtung beschrieben worden sind.

Von Vorteil ist es dabei, wenn das Brennstoffzellensystem einen Systemeingang aufweist, wobei stromabwärts des Systemeingangs ein Luftbefeuchter angeordnet ist. Insbesondere ist dem Luftbefeuchter ein virtueller Feuchtesensor zugeordnet.

Der Luftbefeuchter kann als aktiver Luftbefeuchter oder als passiver Luftbefeuchter ausgebildet sein.

Günstig ist es, wenn der Brennstoffzellenstapel stromabwärts des Luftbefeuchters ist.

Vorteilhaft ist es auch, wenn das Brennstoffzellensystem eine Rückführleitung aufweist, durch welche vom Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels Kathodenabgas und somit Wasserbestandteile in den Luftbefeuchter rückführbar sind.

Vorteilhaft ist es, wenn ein Bypass vorgesehen ist, wobei der Luftbefeuchter durch den Bypass umgehbar ist.

Um die nasse Luft, welche von dem Kathodenabschnitt kommt, am Luftbefeuchter vorbeizuleiten, kann der Bypass eine stromabwärts des Luftbefeuchters und stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnete Verbindung zu der

Rückführleitung hersteilen.

Dabei ist der Luftbefeuchter insbesondere als passiver Luftbefeuchter ausgebildet. Dabei wird bevorzugt das Signal zum Ansteuern eines entsprechenden Ventils im virtuellen Sensor implementiert und verarbeitet. Über den Bypass ist eine

Befeuchtung steuerbar, wodurch eine Wassermenge, welche von der Kathode in den Luftbefeuchter gelangt, beinflussbar ist, weil der Bypass nasse Luft, welche von der Kathode kommt, am Befeuchter vorbei leitet. Weiter ist dadurch trockene Luft, welche vom Systemeinlass in den Luftbefeuchter strömen würde, mit bereits befeuchteter Luft von einem Luftbefeuchterausgang vermischbar wird. Dies hat beides einen Einfluss auf die relative Feuchte am Kathodeneingang.

Zudem wird ein Verfahren zum Berechnen eines Feuchtewertes in einem

Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines

Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem geschaffen. Das

erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

Aufnahme eines Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswertes, eines

Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, eines Stapelauslass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Systemeinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswertes, eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswertes, eines Kathodenauslass- Temperatur-Ermittlungswertes, eines Kathodeneinlass-Druck- Ermittlungswertes, und eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes durch einen virtuellen Feuchtesensor, und Berechnen des Feuchtewertes anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit.

Damit bringt ein solches Verfahren ebenfalls die mit Bezug auf die

Ermittlungsvorrichtung beschrieben Vorteile mit sich.

Bei dem Verfahren ist es möglich, dass zum Berechnen des Feuchtewertes in dem Kathodeneinlassbereich anhand der aufgenommenen Ermittlungswerte durch die Recheneinheit folgende Schritte durchgeführt werden:

Bestimmen von Differenzwerten zwischen dem Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert und dem Stapelauslass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert, dem Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswert und dem Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert, dem Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert und dem Kathodenauslass- Temperatur-Ermittlungswert und /oder dem Kathodeneinlass-Druck- Ermittlungswert und dem Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswert; und

Bestimmen des Feuchtewertes in dem Kathodeneinlassbereich basierend auf dem Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert und wenigstens einem der Differenzwerte.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass ein

Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, ein Umgebungsdruck-Ermittlungswert, ein Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und ein Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswert durch einen virtuellen Systemeinlasssensor aufgenommen werden, und der Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert anhand dieser

Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit berechnet wird. Ferner ist es möglich, dass ein Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, ein

Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass-Temperatur- Ermittlungswert, ein Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, ein Kathodenauslass- Druck-Ermittlungswert und ein Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch einen virtuellen Stapelsensor aufgenommen werden, und der Kathodenauslass- Feuchte-Ermittlungswert anhand dieser Ermittlungswerte durch eine Recheneinheit berechnet wird. Darüber hinaus kann anhand der einleitend zum Verfahren beschriebenen Ermittlungswerte der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswert durch die Recheneinheit berechnet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des

Brennstoffzellenstapels anhand eines Feuchtewertes in einem

Kathodeneinlassbereich stromaufwärts eines Kathodenabschnitts eines

Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, wobei der Feuchtewert gemäß einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren berechnet wird. Erfindungsgemäß kann die Vorhersage des Feuchtigkeitszustandes einfach, kostengünstig, platz- und gewichtssparend realisiert werden.

Außerdem wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Kontrolle der

Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem anhand eines vorhergesagten

Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren vorhergesagt wird. Mit Hilfe eines solchen Verfahrens können bevorstehende Probleme wie eine Austrocknung der Elektrolytmembran rechtzeitig erkannt werden. Anschließend können entsprechend frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Flierzu können das Brennstoffzellensystem bzw. die einzelnen Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems entsprechend eingestellt werden. D. h., das Brennstoffzellensystem kann anhand des

vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes der Elektrolytmembran auf einen

vordefinierbaren Sollzustand eingestellt werden. Damit kann die Elektrolytmembran rechtzeitig vor dem Austrocknen sowie einem unerwünschten Feuchtigkeitszustand geschützt werden.

Weiterhin wird ein Com puterprogramm produkt zur Verfügung gestellt, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren auszuführen. Zudem kann ein Speichermittel mit einem darauf gespeicherten Com puterprogramm produkt bereitgestellt werden. Das Speichermittel kann als Controller mit einem darin installierten, erfindungsgemäßen

Computerprogrammprodukt zur Verfügung gestellt werden. Damit bringen ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt und ein erfindungsgemäßes Speichermittel ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.

Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in je der geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem compu terlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsel laufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Spei

cher/Prozessor abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte derart programmieren, dass die gewünschten Funk tionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogrammprodukt in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden bzw. sein, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Das Computerpro grammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Flardware, oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Flardware-Komponenten, realisiert werden bzw. sein.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der

nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der

Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen

erfindungswesentlich sein.

Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 ein Brennstoffzellensystem mit einer darin installierten

Ermittlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 ein Brennstoffzellensystem mit einer darin installierten Ermittlungsvorrich tung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 3 einen virtuellen Feuchtesensor gemäß einer bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 4 einen virtuellen Systemeinlasssensor gemäß einer bevorzugten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 5 einen virtuellen Stapelsensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Figur 6 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer ersten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 2 mit einer darin installierten Ermittlungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 2 weist einen Systemeingang 6, einen stromabwärts des Systemeingangs 6 angeordneten Luftbefeuchter 3 und einen stromabwärts des Luftbefeuchters 3 angeordneten Brennstoffzellenstapel 4 auf. Der

Brennstoffzellenstapel 4 weist einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt auf, wobei zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt eine

Elektrolytmembran (nicht dargestellt) angeordnet ist. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Systemeingang 6 ein virtueller

Systemeinlasssensor 8 zugeordnet. Dem Luftbefeuchter 3 ist ein virtueller

Feuchtesensor 7 zugeordnet. Dem Brennstoffzellenstapel 4 ist ein virtueller

Stapelsensor 9 zugeordnet. Der Systemeinlasssensor 8, der Feuchtesensor 7 und der Stapelsensor 9 stehen jeweils in Signalverbindung mit einer Recheneinheit 10 des Brennstoffzellensystems 2. In der Recheneinheit 10 ist ein

Computerprogrammprodukt 11 installiert.

In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 2‘ mit einer Ermittlungsvorrichtung V gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform. Unterscheidungsmerkmal ist eine Rückführleitung 12, durch welche vom Kathodenabschnitt des

Brennstoffzellenstapels 4 Kathodenabgas und somit Wasserbestandteile in den Luftbefeuchter 3 rückgeführt werden können.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist jeweils eine System Übersicht dargestellt, deren Subsysteme anschließend mit Bezug auf die Figuren 3 bis 5 im Detail erläutert werden.

Der in Fig. 3 dargestellte virtuelle Feuchtesensor 7 weist einen ersten

Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7a zur Aufnahme eines Kathodenauslass- Feuchte-Ermittlungswertes, einen zweiten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7b zur Aufnahme eines Stapelauslass-Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen dritten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7c zur Aufnahme eines

Stapelauslass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen vierten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang 7d zur Aufnahme eines Systemeinlass-Wassermassenfluss- Ermittlungswertes, einen fünften Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7e zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, einen sechsten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7f zur Aufnahme eines Kathodeneinlass- Temperatur-Ermittlungswertes, einen siebten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7g zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen achten Feuchtesensor-Ermittlungswerteingang 7h zur Aufnahme eines

Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswertes, und einen neunten Feuchtesensor- Ermittlungswerteingang 7i zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswertes, auf.

Der virtuelle Feuchtesensor 7 weist außerdem einen Signalausgang 7k zur

Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Feuchtesensor 7 aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 einen Feuchtewert in einem Kathodeneinlassbereich 5

stromaufwärts des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels 4 berechnen.

Das Bestimmen von Differenzwerten kann rechnerisch erfolgen, beispielsweise durch Bildung einer Differenz zwischen absoluten Beträgen eines Wertepaares aufgenommener Ermittlungswerte, die in Bezug auf denselben Parameter jeweils am Kathodeneinlass und am Kathodenauslass ermittelt werden. Das Bestimmen des Feuchtewertes in dem Kathodeneinlassbereich kann ebenfalls rechnerisch erfolgen, indem die Recheneinheit 10 den Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert in ein Verhältnis zu einem Faktor setzt. Dem Faktor liegt eine Funktion zugrunde, deren Funktionsvariablen wenigstens einen der aufgenommenen Ermittlungswerte, insbesondere einen Differenzwert, der aus den in Bezug auf denselben Parameter aufgenommenen Ermittlungswerten bestimmt ist, und gegebenenfalls einen absoluten Temperaturwert umfassen.

Der in Fig. 4 dargestellte virtuelle Systemeinlasssensor 8 weist einen ersten

Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang 8a zur Aufnahme eines

Umgebungstemperatur-Ermittlungswertes, einen zweiten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang 8b zur Aufnahme eines Umgebungsdruck-Ermittlungswertes, einen dritten Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingang 8c zur Aufnahme eines Umgebungsfeuchte-Ermittlungswertes, und einen vierten Systemeinlasssensor- Ermittlungswerteingang 8d zur Aufnahme eines Systemeinlass-Luftmassenfluss- Ermittlungswertes, auf. Der virtuelle Systemeinlasssensor 8 weist außerdem einen Signalausgang 8e zur Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Systemeinlasssensor 8

aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 den Systemeinlass- Wassermassenfluss-Erm ittlungswert berechnen.

Der in Fig. 5 gezeigte virtuelle Stapelsensor 9 weist einen ersten Stapelsensor- Ermittlungswerteingang 9a zur Aufnahme eines Kathodeneinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswertes, einen zweiten Stapelsensor- Ermittlungswerteingang 9b zur Aufnahme eines Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswertes, einen dritten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9c zur

Aufnahme eines Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswertes, einen vierten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9d zur Aufnahme eines Kathodeneinlass- Druck-Ermittlungswertes, einen fünften Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9e zur Aufnahme eines Kathodenauslass-Druck-Ermittlungswertes, und einen sechsten Stapelsensor-Ermittlungswerteingang 9f zur Aufnahme eines Systemeinlass- Luftmassenfluss-Ermittlungswertes, auf. Der virtuelle Stapelsensor 9 weist außerdem einen Signalausgang 9g zur Übermittlung der aufgenommenen Ermittlungswerte an die Recheneinheit 10 auf. Anhand der durch den Stapelsensor 9 aufgenommenen Ermittlungswerte kann die Recheneinheit 10 den Kathodenauslass-Feuchte- Ermittlungswert sowie den Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert berechnen.

Mit Bezug auf Fig. 6 soll ein Verfahren zum Berechnen des Feuchtewertes im

Kathodeneinlassbereich 5 erläutert werden. Hierzu werden in einem ersten Schritt S1 zunächst der Kathodenauslass-Feuchte-Ermittlungswert, der Stapelauslass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der Stapelauslass-Luftmassenfluss- Ermittlungswert, der Systemeinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der

Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Temperatur- Ermittlungswert, der Kathodenauslass-Temperatur-Ermittlungswert, der

Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, und der Kathodenauslass-Druck- Ermittlungswert mittels des virtuellen Feuchtesensors 7 aufgenommen bzw. erkannt. In einem zweiten Schritt S2 werden anschließend anhand dieser aufgenommenen bzw. berücksichtigten Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 der Feuchtewert sowie der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert berechnet.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere

Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.

So können im Rahmen des Verfahrens der Umgebungstemperatur-Ermittlungswert, der Umgebungsdruck-Ermittlungswert, der Umgebungsfeuchte-Ermittlungswert und der Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch den virtuellen

Systemeinlasssensor 8 aufgenommen werden. Der Systemeinlass- Wassermassenfluss-Ermittlungswert kann anschließend anhand dieser

Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 berechnet werden.

Außerdem können der Kathodeneinlass-Wassermassenfluss-Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Temperatur-Ermittlungswert, der Kathodenauslass-Temperatur- Ermittlungswert, der Kathodeneinlass-Druck-Ermittlungswert, der Kathodenauslass- Druck-Ermittlungswert und der Systemeinlass-Luftmassenfluss-Ermittlungswert durch den virtuellen Stapelsensor 9 aufgenommen werden. Der Kathodenauslass- Feuchte-Ermittlungswert kann anschließend anhand dieser Ermittlungswerte durch die Recheneinheit 10 berechnet werden.

Mit anderen Worten, anhand von Signalen des Luftmassenflusses am

Systemeingang 6, sowie den Drücken, den Temperaturen und der relativen

Feuchtewerte am Brennstoffzellenstapel 4 kann der Wassermassenanteil des Luftstromes im Kathodenpfad berechnet werden. Die relative Luftfeuchtigkeit am Kathodenauslass sowie der Wassermassenfluss am Systemeingang 6 werden als ergänzende Eingangssignale für den virtuellen Feuchtesensor verwendet. Der Feuchteübergang kann anschließend dynamisch über Parameter des

Luftbefeuchters 3 wie eine Membrandicke, eine Membranfläche und/oder eine Membrandichte des Luftbefeuchters 3 sowie die relativen Feuchten auf der trockenen und der feuchten Seite des Luftbefeuchters 3 ermittelt werden. Mithilfe der explizit ausgewählten Temperaturwerte, Druckwerte und Massenflusswerte kann der Wert der relativen Feuchte am Kathodeneingang relativ genau berechnet werden. Der gesamte Massenfluss an Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 2, 2‘ wird im Brennstoffzellensystem 2, 2‘ durch das einströmende Wasser, das erzeugte Wasser und den Teil des Wassers, der zur Anode diffundiert, berechnet. Als zusätzlicher Signaleingang kann neben der erzeugten Wassermasse auch eine

Stromanforderung an das System verwendet werden.

Das Verfahren kann in einem Befeuchtermodell außerdem einfach zu einem System mit externer Befeuchtung mittels Wasserinjektion adaptiert werden. Das

Befeuchtermodell ist insbesondere derart aufgebaut, dass dieses nicht auf eine passive Befeuchtung beschränkt ist, sondern dieses auch auf Systeme mit einer aktiven Befeuchtung anwendbar ist.

Zudem kann das Verfahren auch zur Vorhersage eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels 4 anhand des Feuchtewertes im Kathodeneinlassbereich 5 stromaufwärts des Kathodenabschnitts des

Brennstoffzellenstapels 4 im Brennstoffzellensystem 2 weiterentwickelt werden, wobei der Feuchtewert, wie vorstehend beschrieben, berechnet wird. Darüber hinaus ist es möglich, dass ein Verfahren zur Kontrolle der Feuchtigkeit in einem

Brennstoffzellensystem 2 anhand eines vorhergesagten Feuchtigkeitszustandes in einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels 4 durchgeführt wird, wobei der Feuchtigkeitszustand durch ein, wie vorstehend beschriebenes, Verfahren

vorhergesagt wird.

Die erfindungsgemäße Berechnung des Feuchtewertes kann ferner abhängig von der aktuellen Leistungsanforderung des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. D. h., wird viel Leistung benötigt kann von einem entsprechend erhöhten Lufteingang ausgegangen werden.

Abhängig von diesem Leistungsbedarf oder Strombedarf steigt auch die produzierte Wassermenge im Brennstoffzellenstapel 4, was sich auf die Menge an Wasser, die die Kathode verlässt und in den Befeuchter fließt, niederschlägt. Dies hat im

Befeuchter eine bessere Befeuchtung und damit wieder eine höhere Luftfeuchte am Kathodeneingang zur Folge. Bezugszeichenliste

1 , 1 ' Ermittlungsvorrichtung

2, 2' Brennstoffzellensystem

3 Luftbefeuchter

4 Brennstoffzellenstapel

5 Kathodeneinlassbereich

6 Systemeingang

7 Virtueller Feuchtesensor

7a-7i Feuchtesensor-Ermittlungswerteingänge

8 Virtueller Systemeinlasssensor

8a-8d Systemeinlasssensor-Ermittlungswerteingänge

9 Virtueller Stapelsensor

9a-9g Stapelsensor-Ermittlungswerteingang

10 Recheneinheit

11 Computerprogrammprodukt

12 Rückführleitung