Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Oxidationsmittel- Massenstroms in einen Energiewandler Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Oxidationsmittelstroms in einen Energiewandler, insbesondere in einen Brennstoffzellenstapel. Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann einen Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen, der eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel wird typischerweise aus einem Druckbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet werden. Dabei kann die Menge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durch ein Ventil verändert werden. Ferner wird dem Brennstoffzellenstapel typischerweise ein Oxidationsmittel, insbesondere Umgebungsluft, zugeführt. Das Oxidationsmittel kann dem Brennstoffzellenstapel über einen Kompressor zugeführt werden, wobei die Menge an zugeführtem Oxidationsmittel durch die Förderkapazität des Kompressors verändert werden kann, z.B. um die elektrische Leistung der Brennstoffzelle zu verändern. Für eine präzise Steuerung und/oder Regelung der von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellten elektrischen Leistung ist typischerweise eine präzise Steuerung und/oder Regelung des Volumen- und/oder Massenstroms an Oxidationsmittel erforderlich, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. In diesem Zusammenhang kann ein physikalischer Massenstromsensor verwendet werden, um den Ist-Massenstrom an Oxidationsmittel zu ermitteln. Die Sensordaten eines physikalischen Massenstromsensors können jedoch, insbesondere bei relativ hohen Massenströmen, relativ stark verrauscht sein, was zu Ungenauigkeiten bei der Regelung des Volumen- und/oder Massenstroms, zu mechanischen Belastungen des Kompressors und/oder zu Beeinträchtigungen der von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellten elektrischen Leistung führen kann.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, in effizienter Weise einen präzisen Schätzwert des Ist-Massenstroms an Oxidationsmittel in einen Energiewandler, insbesondere in einen Brennstoffzellenstapel, zu ermitteln.

Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.

Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Schätzwertes eines Massenstroms von Oxidationsmittel (z.B. Luft) in einen elektrochemischen Energiewandler (insbesondere in einen Brennstoffzellenstapel) beschrieben. Der Oxidationsmittel-Massenstrom kann durch einen Oxidationsmittelförderer (insbesondere durch einen Kompressor) bewirkt werden. Der Oxidationsmittelförderer ist auf einem Oxidationsmittelpfad von einem Einlass für Oxidationsmittel bis zu einer Zuleitung zu dem Energiewandler angeordnet. In einem konkreten Beispiel ist der Oxidationsmittelpfad Teil eines Kathodensub systems eines Brennstoffzellenstapels. Die Vorrichtung ist eingerichtet, anhand von Temperatur- und Drucksensoren Temperatur- und Druck-Messwerte auf dem Oxidationsmittelpfad zu dem Energiewandler zu erfassen. Die Temperatur- und Druck-Messwerte können umfassen: einen Druck-Messwert des Drucks an dem Eingang des Oxidationsmittelförderers; einen Druck-Messwert des Drucks an dem Ausgang des Oxidationsmittelförderers; und/oder einen Temperatur-Messwert der Temperatur an dem Eingang des Oxidationsmittelförderers.

Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, auf Basis der Temperatur- und Druck- Messwerte anhand eines Basis-Schätzmodells einen Schätzwert des durch den Oxidationsmittelförderer geförderten Oxidationsmittel-Massenstroms, insbesondere einen Schätzwert des in den Energiewandler fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms, zu ermitteln.

Das Basis-Schätzmodell kann von ein oder mehreren Eigenschaften des Oxidationsmittelförderers abhängig sein. Die ein oder mehreren Eigenschaften des Oxidationsmittelförderers können z.B. umfassen: die Drehgeschwindigkeit und/oder die Drehzahl des Rotors des Oxidationsmittelförderers (die durch einen entsprechenden Sensor erfasst werden können); und/oder den Querschnitt und/oder den Durchmesser des Oxidationsmittelförderers. Alternativ oder ergänzend kann das Basis-Schätzmodell ein oder mehrere Fitting-Parameter umfassen, für die Parameterwerte (ggf. allein) anhand von Messungen an dem Oxidationsmittelförderer ermittelt wurden.

Es kann somit ein Basis-Schätzmodell für den Oxidationsmittelförderer bereitgestellt werden, das im Vorfeld (auf Basis von Messungen an einem Prüfstand des Oxidationsmittelförderers) parametriert wurde. Das Basis- Schätzmodell kann ein analytisches Modell umfassen (wie in diesem Dokument beschrieben). Alternativ oder ergänzend kann das Basis-Schätzmodell ein maschinell erlerntes Modell umfassen (z.B. mit ein oder mehreren künstlichen neuronalen Netzen). Anhand des Basis-Schätzmodells kann (unabhängig und/oder zusätzlich zu einem physikalischen Massenstromsensor) ein Schätzwert für den Oxidationsmittelmassenstrom ermittelt werden. Dabei kann, wie in diesem Dokument beschrieben, ein Schätzwert ṁ _Cmpr des von dem Oxidationsmittelförderer 205 geförderten Massenstroms und/oder ein Schätzwert ṁ _Kat des in den Energiewandler fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann zumindest teilweise oder vollständig das in diesem Dokument beschriebene Basis-Schätzmodell verwendet werden. So kann in effizienter und präziser Weise ein Schätzwert des Oxidationsmittel- Massenstroms ermittelt werden, der (im Vergleich zu einem physikalischen Massenstromsensor) ein relativ hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist.

Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den Oxidationsmittelförderer in Abhängigkeit von dem ermittelten Schätzwert des Oxidationsmittel-Massenstroms zu betreiben, insbesondere um den Oxidationsmittel-Massenstrom auf einen Sollwert einzustellen (z.B. zu regeln). Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den Massenstrom-Messwert eines physikalischen Massenstromsensors auf dem Oxidationsmittelpfad anhand des ermittelten Schätzwertes des Oxidationsmittel -Massenstroms zu überprüfen (z.B. zu plausibilisieren). So kann die Güte der Einstellung des Oxidationsmittel- Massenstroms für einen Energiewandler erhöht werden, wodurch die Leistungsdynamik des Energiewandlers erhöht werden kann.

Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, an einer Sequenz von Zeitpunkten wiederholt, insbesondere periodisch (z.B. mit einer Frequenz von 1Hz oder mehr, oder 10Hz oder mehr, oder 100Hz oder mehr), jeweils aktuelle Temperatur- und Druck-Messwerte zu erfassen und basierend darauf jeweils einen aktuellen Schätzwert des durch den Oxidationsmittelförderer geförderten Oxidationsmittel- Massenstroms, insbesondere einen jeweils aktuellen Schätzwert des in den Energiewandler fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms, zu ermitteln. So kann eine dauerhaft präzise Ermittlung des Oxidationsmittel-Massenstroms ermöglicht werden.

Der Oxidationsmittelförderer kann einen (elektrischen) Motor mit ein oder mehreren Motorlagern umfassen, die mit Oxidationsmittel betrieben werden, das von dem Oxidationsmittelförderer gefördert wurde. Der Oxidationsmittel- Massenstrom zum Betrieb der ein oder mehreren Motorlager kann von einem Abzweigpunkt zwischen dem Ausgang des Oxidationsmittelförderers und dem Energiewandler abgezweigt werden. Ferner kann der Oxidationsmittel- Massenstrom zum Betrieb der ein oder mehreren Motorlager an einem Einspeisepunkt zwischen dem Eingang des Oxidationsmittelförderers und einem Oxidationsmittel-Filter (zur Filterung des Oxidationsmittels) zurück in den Oxidationsmittelpfad eingespeist werden.

Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis von Temperatur- und Druck- Messwerten und anhand eines Ergänzungs-Schätzmodells einen Schätzwert des Oxidationsmittel-Massenstroms zum Betrieb der ein oder mehreren Motorlager zu ermitteln. Das Ergänzungs-Schätzmodell kann dabei von den ein oder mehreren Temperatur- und Druck-Messwerten und/oder von ein oder mehreren Fitting- Parametern abhängen. Die Temperatur- und Druck-Messwerte können umfassen: einen Druck-Messwert in Bezug auf den Druck des Oxidationsmittels an dem Eingang der ein oder mehreren Motorlager; einen Druck-Messwert in Bezug auf den Druck des Oxidationsmittels an dem Ausgang der ein oder mehreren Motorlager; und/oder einen Temperatur-Messwert in Bezug auf die Temperatur des Oxidationsmittels an dem Eingang der ein oder mehreren Motorlager.

Das Ergänzungs-Schätzmodell kann ein analytisches Modell umfassen (wie in diesem Dokument beschrieben). Alternativ oder ergänzend kann das Ergänzungs- Schätzmodell ein maschinell angelerntes Modell umfassen. Die Parameterwerte der ein oder mehreren Fitting-Parameter können durch Messungen ermittelt worden sein. Anhand des Ergänzungs-Schätzmodells kann der Schätzwert ṁ _AirBear ermittelt werden (wie in diesem Dokument beschrieben).

Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, den Schätzwert des in den Energiewandler fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms (insbesondere ṁ _Kat ) auf Basis des Schätzwerts des Oxidationsmittel -Massenstroms zum Betrieb der ein oder mehreren Motorlager zu ermitteln. Der Schätzwert des in den Energiewandler fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms (insbesondere ṁ _Kat ) kann insbesondere auf Basis des Schätzwerts des durch den Oxidationsmittelförderer geförderten Oxidationsmittel-Massenstroms (insbesondere ṁ _Cmpr ) und auf Basis des Schätzwerts des Oxidationsmittel- Massenstroms zum Betrieb der ein oder mehreren Motorlager (insbesondere ṁ _AirBear ) ermittelt werden, z.B. auf Basis der Differenz der beiden Schätzwerte, etwa als ṁ _Kat = ṁ _Cmpr — ṁ _AirBear . So kann der Schätzwert des in den Energiewandler fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms in besonders präziser Weise ermittelt werden.

Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, einen Temperatur-Messwert der Temperatur des Oxidationsmittels an dem Eingang des Oxidationsmittelförderers auf Basis eines Temperatur-Messwertes der Temperatur des Motors zu ermitteln (der durch einen entsprechenden Sensor des Motors ermittelt werden kann). Es kann somit berücksichtigt werden, dass das Oxidationsmittel von den ein oder mehreren Motorlagern an den Eingang des Oxidationsmittelförderers geführt wird (und dabei den effektiven Oxidationsmittel-Massenstrom erwärmt). Die Anpassung des Temperatur- Messwertes kann durch die in diesem Dokument beschriebene Formel bewirkt werden.

Der Schätzwert des durch den Oxidationsmittelförderer geförderten

Oxidationsmittel-Massenstroms (insbesondere ṁ _Cmpr ) kann dann in besonders präziser Weise auf Basis des ermittelten Temperatur-Messwerts der Temperatur des Oxidationsmittels an dem Eingang des Oxidationsmittelförderers (insbesondere auf Basis von ) ermittelt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Schätzwertes eines Massenstroms von Oxidationsmittel in einen elektrochemischen Energiewandler beschrieben, wobei der Oxidationsmittel- Massenstrom durch einen Oxidationsmittelförderer bewirkt wird. Das Verfahren umfasst das Erfassen, anhand von Temperatur- und Drucksensoren, von Temperatur- und Druck-Messwerten auf einem Oxidationsmittelpfad zu dem Energiewandler, auf dem der Oxidationsmittelförderer angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis der Temperatur- und Druck-Messwerte, anhand eines Basis-Schätzmodells eines Schätzwerts des durch den Oxidationsmittelförderer geförderten Oxidationsmittel-Massenstroms, insbesondere eines Schätzwerts des in den Energiewandler fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

Figur 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;

Figur 2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle;

Figur 3 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht;

Figur 4 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Frontansicht;

Figur 5 ein beispielhaftes Kathodensub system eines Brennstoffzellenstapels; und Figur 6 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung eines Schätzwertes für den Massenstrom von Oxidationsmittel in einen Brennstoffzellenstapel.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und präzisen Schätzung des Oxidationsmittel-Massenstroms zu der Kathode eines Brennstoffzellenstapels. Im Folgenden wird spezifisch auf einen Brennstoffzellenstapel und ein Kathodensub system mit einem Kompressor eingegangen. Es sei darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Aspekte allgemein für einen Energiewandler und/oder für einen Oxidationsmittelförderer anwendbar sind.

Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 101 umfasst (wie in Fig. 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff (H ₂ ), niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.

Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP -Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter, insbesondere Drucktank, 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über ein oder mehrere Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellte elektrische Leistung kann von einer (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 gesteuert und/oder geregelt werden. In diesem Zusammenhang kann der Massenstrom an Brennstoff 211 und/oder Oxidationsmittel 212 in den Brennstoffzellenstapel 102 gesteuert und/oder geregelt werden. Der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere durch einen Kompressor, eingestellt und/oder verändert werden.

Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. IV für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung eines Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.

Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen in der Regel jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.

Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und wobei die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.

Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 102 in einer Seitenansicht. Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst Endplatten 301 zwischen denen mehrere Brennstoffzellen 101 angeordnet sind. Die Endplatten 301 können dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zusammenzuhalten bzw. zusammenzudrücken. Wie oben dargelegt, kann eine Brennstoffzelle 101 durch jeweils eine Seite von zwei benachbarten Bipolarplatten 303 gebildet werden. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 303 kann eine Elektrode-Membran-Einheit (Engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 304 angeordnet sein, die ggf. die o.g. Gasdiffusionsschicht umfasset. Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 Leitungen 302 durch die Brennstoff 211 und/oder Oxidationsmittel 212 über die Bipolarplatten 303 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann, und über die ein oder mehreren Reaktionsprodukte (wiederum über die Bipolarplatten 303) aus den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden können.

Die Zugänge zu den einzelnen Leitungen 302 befinden sich zur Reduzierung des Bauraums typischerweise nur an einer Seite eines Brennstoffzellenstapels 102. Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 102 in einer Frontansicht. Insbesondere zeigt Fig. 4 die Endplatte 301 eines Brennstoffzellenstapels 102, an der sich die Zugänge für die unterschiedlichen Leitungen 302 des Brennstoffzellenstapels 102 befinden. Der Brennstoffzellenstapel 102 kann eine Brennstoffzuleitung 401 aufweisen, über die Brennstoff 211 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Oxidationsmittelzuleitung 402 aufweisen, über die Oxidationsmittel 212 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Außerdem kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Reaktionsproduktableitung 403 aufweisen, über die Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen 101 abgeführt werden können (z.B. zusammen mit überschüssigem Oxidationsmittel 212 bzw. Luft). Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Brennstoffableitung 404 aufweisen, über die nicht verbrauchter Brennstoff 211 aus den Brennstoffzellen 101 abgeführt werden kann (z.B. im Rahmen einer Anodenspülung oder im Rahmen einer Brennstoff- Rezirkulation).

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst, wie beispielhaft in Fig. 5 dargestellt, ein Kathodensub system 500 (mit ein oder mehreren kathodenseitigen Komponenten), das von den oxidationsmittelführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Das Kathodensub system 500 kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens einen zum Kathodeneinlass 402 führenden Kathodenversorgungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass 403 wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum 520 im Brennstoffzellenstapel 102, und/oder weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems 500 ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums 520 und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212.

Das Kathodensub system 500 kann auf dem Kathodenversorgungspfad einen Einlass 511 für Oxidationsmittel 212 (z.B. für Umgebungsluft) umfassen. Das Oxidationsmittel 212 kann dann in einem (Luft-) Filter 511 gefiltert werden, bevor das Oxidationsmittel 212 zu dem Oxidationsmittelförderer 205 geleitet wird. Der Oxidationsmittelförderer 205 kann durch einen (elektrischen) Motor 510 angetrieben werden. Der Motor 510 kann ein oder mehrere Motorlager aufweisen, die mit Oxidationsmittel 212 betrieben werden (anstatt mit Schmiermittel), um Verunreinigungen des Kathodensubsystems 500 und/oder des Brennstoffzellenstapels 102 zu vermeiden. Das Oxidationsmittel 212 für den Betrieb des Motors 510 kann über einen Lagerpfad 514 aus dem Kathodenversorgungspfad entnommen werden.

Am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 501 kann ein physikalischer Massenstromsensor 502 angeordnet sein, der eingerichtet ist, Massenstrom-Messwerte in Bezug auf den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Filter 501 zu erfassen. Des

Weiteren können am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 501 ein Temperatursensor 503 und/oder ein Drucksensor 504 angeordnet sein. Der Drucksensor 504 kann eingerichtet sein, Druck- Messwerte in Bezug auf den Druck des Oxidationsmittels 212 am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 zu erfassen. Der Temperatursensor 503 kann eingerichtet sein, Temperatur-Messwerte in Bezug auf die Temperatur des Oxidationsmittels 212 an dem Filter 501 zu erfassen. Wie weiter unten dargelegt, können die Temperatur-Messwerte an dem Filter 501 von der Temperatur des Oxidationsmittels 212 am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 abweichen (aufgrund des Oxidationsmittel- Massenstroms aus den ein oder mehreren Lagern des Motors 510 des Oxidationsmittelförderers 205).

Das Kathodensub system 500 kann ferner einen Drucksensor 505 am Ausgang 513 des Oxidationsmittelförderers 205 aufweisen. Der Drucksensor 505 kann eingerichtet sein, Druck-Messwerte in Bezug auf den Druck des

Oxidationsmittels 212 am Ausgang 513 des Oxidationsmittelförderers 205 zu erfassen. Das Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittel-Kühler 509 zu dem Kathodenraum 520 gefördert werden. Am Ausgang des Oxidationsmittel- Kühlers 509 kann ferner eine Abzweigung von Oxidationsmittel 212 zu dem Lagerpfad 514 angeordnet sein. Von dem Massenstrom des Oxidationsmittels 212 am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 509 kann somit ein (relativ großer) Teil in den Kathodenraum 520 und ein (dazu komplementärer) Teil zu den ein oder mehreren Lagern des Motors 510 des Oxidationsmittelförderers 205 geführt werden.

Am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 509 kann ein Temperatursensor 507 angeordnet sein, der eingerichtet ist, Temperatur-Messwerte in Bezug auf die Temperatur des Oxidationsmittels 212 am Ausgang des Oxidationsmittel- Kühlers 509 und/oder am Eingang zu den ein oder mehreren Lagern des Motors 510 zu erfassen.

Die Reaktionsproduktableitung 403 aus dem Kathodenraum 520 kann zu dem Auslass 519 des Kathodensubsystems 500 geleitet werden. Ferner kann das Kathodensub system 500 einen Bypasspfad 515 für Oxidationsmittel 212 aufweisen, der von dem Ausgang 513 des Oxidationsmittelförderers 205 zu dem Auslass 519 des Kathodensubsystems 500 verläuft, um überschüssiges Oxidationsmittel 212 (z.B. bei Start-Up des Brennstoffzellenstapels 102) direkt aus dem Kathodensubsystems 500 leiten zu können. Auf dem Bypasspfad 515 kann ein physikalischer Massenstromsensor 506 (zur Messung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 auf dem Bypasspfad 515) und/oder ein Bypass-Ventil 508 (zur Steuerung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 auf dem Bypasspfad 515) angeordnet sein. Wenn das Bypass-Ventil 508 geöffnet ist, fließt ein Teil des Oxidationsmittels 212 am Ausgang 513 des Oxidationsmittelförderers 205 in die Zuleitung 516 zu dem Oxidationsmittel -Kühl er 509 und ein komplementärer Teil in den Bypasspfad 515.

Zur Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 in den Kathodenraum 520 können die Massenstrom-Messwerte des physikalischen Massenstromsensors 502 verwendet werden, um den Istwert des Massenstroms zu ermitteln. Die Massenstrom-Messwerte sind jedoch insbesondere bei relativ hohen Massenstromwerten typischerweise relativ stark verrauscht, was zu einer Beeinträchtigung der Genauigkeit und/oder der Dynamik der Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms, und somit zu einer Beeinträchtigung der Leistungs- Dynamik des Brennstoffzellenstapels 102 führt. Die (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 kann eingerichtet sein, unter Verwendung eines Basis-Schätzmodells des Oxidationsmittelförderers 205 einen Schätzwert ṁ _Cmpr des Oxidationsmittel-Massenstroms durch den Oxidationsmittelförderer 205 zu ermitteln. Ein beispielhaftes Basis-Schätzmodell ist dabei wobei p ^ref ein Referenzdruck (z.B. p ^ref = 1bar) und T ^ref eine Referenztemperatur (z.B. T ^ref = 298.15/f) sind (durch die Referenzbedingungen definiert werden). Der normierte Massenstrom kann ermittelt werden, als wobei d _Cmpr der Durchmesser des Oxidationsmittelförderers 205 ist, wobei die Dichte des Oxidationsmittels 205 bei den Referenzbedingungen ist (z.B. ), wobei Φ _Cmpr der normalisierte Massenstrom ist, wobei

Ψ _Cmpr ein dimensionsloser Parameter zur Beschreibung des Oxidationsmittelförderers 205 ist, wobei k _i , mit i = 1, ... ,3, Fitting-Parameter sind, wobei U _c die äußere Geschwindigkeit des Rotors des Oxidationsmittelförderers 205 ist und wobei die normierte Drehgeschwindigkeit des Oxidationsmittelförderers 205 ist. Der Durchmesser des Oxidationsmittelförderers 205 kann z.B. d _Cmpr = 0.06m sein.

Die Parameter Ψ _Cmpr zur Beschreibung des Oxidationsmittelförderers 205 können ermittelt werden, durch wobei c _p,Air = 1015 J /(kg · K) und wobei γ _Air = 1.4. Der Parameter Ma _Cmpr kann berechnet werden durch wobei die Gas-Konstante des Oxidationsmittels 212 z.B. R _Air = 288.19 J/(kg · K) ist. Die Anpassungsparameter können experimentell durch Messungen an dem Oxidationsmittelförderer 205 ermittelt werden, z.B. als

Die normierte Drehgeschwindigkeit kann aus Basis der

Drehgeschwindigkeit n _Cmpr des Oxidationsmittelförderers 205 ermittelt werden

(die durch einen Sensor erfasst werden kann), als Wie weiter oben dargelegt, kann der Oxidationsmittelförderer 205 einen Motor 510 mit ein oder mehreren Motorlagern umfassen, die mit Oxidationsmittel 212 betrieben werden, das von dem Oxidationsmittelförderer 205 gefördert wurde. Es kann somit ein Anteil des Oxidationsmittel -Massenstroms am Ausgang 513 des Oxidationsmittelförderers 205 für den Lagerpfad 514 zu den ein oder mehreren Lagern abgezweigt werden. Der Massenstrom ṁ _AirBear auf dem Lagerpfad 514 kann anhand eines Ergänzungs-Schätzmodells der ein oder mehreren Lager ermittelt werden, z.B. als wobei der Druck des Oxidationsmittels 212 an dem Eingang der ein oder mehreren Lager ist, wobei der Druck des Oxidationsmittels 212 an dem Ausgang der ein oder mehreren Lager ist, wobei die Temperatur des Oxidationsmittels 212 an dem Eingang der ein oder mehreren Lager ist, und wobei der experimentell ermittelte Fitting-Parameter C _AirBear z.B. C _AirBear = 8.76 · 10 ^-6 m ² ist. Dabei kann angenommen werden, dass dem von dem Drucksensor 505 gemessenen entspricht, und/oder dass dem von dem Drucksensor 504 gemessenen Wert entspricht.

Wie weiter oben dargelegt, wird für das Modell des Oxidationsmittelförderers 205 der Wert der Temperatur des Oxidationsmittels 212 an dem Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 benötigt. Aufgrund der Tatsache, dass der Massenstrom am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 eine Mischung aus dem Oxidationsmittel -Massenstrom durch den Filter 501 und dem Oxidationsmittel-Massenstrom aus den ein oder mehreren Lagern ist, kann die Temperatur des Oxidationsmittels 212 an dem Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 von dem durch den Temperatursensor 503 gemessenen Temperatur-Messwert abweichen. Die Temperatur des Oxidationsmittels 212 an dem Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 kann ermittelt werden, als wobei die Temperatur des Oxidationsmittel-Massenstroms am Ausgang der ein oder mehreren Lager des Motors 510 des Oxidationsmittelförderers 205 ist. Es kann somit eine gewichtete Mittelung der Temperatur-Messwerte und durchgeführt werden, um die Temperatur zu ermitteln. Die Gewichte hängen dabei von dem jeweiligen Anteil an dem gesamten Oxidationsmittel-Massenstrom am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 ab. Die Temperatur kann mit der gemessenen Temperatur des Motors 510 gleichgesetzt werden, ist der Massenstrom-Messwert des Massenstromsensors 502. ist der Schätzwert des Oxidationsmittel -Massenstroms auf dem Lagerpfad 514.

Die Vorrichtung 103 kann somit eingerichtet sein, auf Basis der Temperatur- und/oder Druck-Messwerte von ein oder mehreren Sensoren 503, 504, 505, 507 einen Schätzwert ṁ _Cmpr des Oxidationsmittel-Massenstroms durch den Oxidationsmittelförderer 205 zu ermitteln. Ferner kann ein Schätzwert ṁ _AirBear des davon abgezweigten Oxidationsmittel -Massenstroms für den Lagerpfad 514 ermittelt werden. Basierend darauf, insbesondere basierend auf der Differenz kann der Oxidationsmittel-Massenstrom in den Kathodenraum 520 ermittelt werden. So kann, insbesondere bei relativ hohen Massenstromwerten, eine präzise Steuerung und/oder Regelung des Oxidationsmittel-Massenstroms ṁ _Kat in einen Brennstoffzellenstapel 102 ermöglicht werden. Die Vorrichtung 103 kann eingerichtet sein, den Massenstrom -Messwert des physikalischen Massenstromsensors 502 mit einem Massenstrom- Schwellenwert ṁ _thres zu vergleichen. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung 103 eingerichtet sein, die Drehzahl und/oder die Drehgeschwindigkeit des Oxidationsmittelförderers 205 mit einem entsprechenden Schwellenwert zu vergleichen. Die Verwendung der Drehzahl und/oder der Drehgeschwindigkeit ist typischerweise aufgrund des relativ geringen Sensorrauschens vorteilhaft. Wenn und/oder wenn die Drehzahl bzw. die Drehgeschwindigkeit kleiner als oder gleich wie der Schwellenwert ist, kann der Massenstrom-Messwert zur Steuerung und/oder Regelung des Oxidationsmittel-Massenstroms verwendet werden. Andererseits, wenn und/oder wenn die Drehzahl bzw. die Drehgeschwindigkeit größer als der Schwellenwert ist, kann (alternativ oder ergänzend) der Schätzwert ṁ _Cmpr des Oxidationsmittel-Massenstroms zur Steuerung und/oder Regelung des Oxidationsmittel-Massenstroms verwendet werden. So kann eine besonders robuste, präzise und dynamische Steuerung und/oder Regelung des Oxidationsmittel-Massenstroms ermöglicht werden.

Wie bereits weiter oben dargelegt, regelt die Luftmassenstromregelung in einem Brennstoffzellensystem 100 den Luftmassenstrom typischerweise über die Änderung der Drehzahl bzw. der Drehgeschwindigkeit des Kompressors 205. Dabei sollte die Regelung in einem Fahrzeug darauf ausgelegt sein, die Dynamik des Kompressors 205 maximal auszunutzen, um bestmöglich auf schnelle Laständerungen während der Fahrt des Fahrzeugs reagieren zu können. Zum Abgleich von Soll- und Ist-Wert kann ein physikalischer Massenstromsensor 502 verwendet werden, der vor dem Kompressor 205 verbaut ist. Dabei kann das relativ starke Rauschen des Sensorsignals des Massenstromsensors 502 bei hohen Lasten zu einer relativ häufigen Be- und Entschleunigung des Kompressors 205 führen. Als relativ großer elektrischer Verbraucher von elektrischer Leistung in dem Brennstoffzellensystem 100 führt die relativ häufige Änderung der Kompressor-Drehzahl zu relativ starken Schwankungen in der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems 100. Die Verwendung von Signalfiltern zur Reduzierung des Sensorrauschens (wie z.B. die Verwendung eines gleitenden Mittelwerts) führt typischerweise dazu, dass die Dynamik des Massenstromsignals des Massenstromsensors 502 verfälscht wird.

Die Luftmassenstrom-Regelung basiert typischerweise allein auf dem Massenstromsensor 502, wodurch es bei einem Ausfall des Sensors 502 keine Möglichkeit mehr gibt, weiterhin den Luftmassenstrom zu regeln. Ferner gibt es keine Möglichkeit, die Sensorwerte des Massenstromsensors 502 auf Plausibilität zu überprüfen, da aus Platz- und Kostengründen meist kein zweiter physikalischer Sensor verbaut werden kann. Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ermöglichen die Ermittlung eines Schätzwertes des Oxidationsmittel- Massenstroms, der als Ersatz, als Ergänzung und/oder zur Plausibilisierung der Messwerte des Massenstromsensors 502 verwendet werden können.

Es kann somit ein virtueller Sensor (zur Ermittlung eines Schätzwertes des Oxidationsmittel-Massenstroms) zusätzlich oder alternativ zu dem physikalischen Massenstromsensor 502 verwendet werden. Das (Schätz-) Modell des virtuellen Sensors basiert auf physikalischen Wirkprinzipien, wodurch das Modell unabhängig vom Betriebszustand und vom Systemaufbau ist, und durch Messungen am Komponentenprüfstand (des Kompressors 205) parametriert werden kann. Die verwendeten physikalischen Sensoren 503, 504, 505, 507 zur Berechnung des Schätzwertes des virtuellen Sensors besitzen typischerweise ein deutlich größeres Signal -Rausch- Verhältnis als der physikalische Massenstromsensor 502, wodurch auch der virtuelle Massenstromsensor (d.h. der Schätzwert des Oxidationsmittel-Massenstroms) ein deutlich vergrößertes Signal- Rausch- Verhältnis aufweist. Während der virtuelle Sensor zur Regelung des Oxidationsmittel-Massenstroms verwendet wird, kann der physikalische Sensor 502 (ggf. nur) zur Plausibilisierung der Schätzwerte verwendet werden. Als Basis-Modell kann das in diesem Dokument beschriebene semi-empirische Kompressor-Modell verwendet werden, das z.B. empirisch ermittelte Fitting- Parameter aufweist. Ferner kann ein Ergänzungs-Modell für den Luftmassenstrom durch das Luftlager des Kompressors 205 verwendet werden. Zur Berechnung des virtuellen Sensorwertes können die Werte von physikalischen Drucksensoren 504, 505, Temperatursensoren 503, 507 und/oder einem Drehzahl sensor verwendet werden. Diese Sensoren weisen typischerweise deutlich weniger Signalrauschen auf als der physikalische Massenstromsensor 502. Die Param etrierung des (Basis)-Modells kann über Messungen am Kompressor-Prüfstand durchgeführt werden.

Durch die Luftmassenstromregelung basierend auf dem Schätzwert des Massenstroms kann der Leistungseintrag durch den Kompressor 205 stabilisiert werden, wodurch die Dynamik des Brennstoffzellensystems 100 erhöht werden kann.

Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 600 zur Ermittlung eines Schätzwertes eines Massenstroms von Oxidationsmittel 212 in einen elektrochemischen Energiewandler 102 (insbesondere in einen Brennstoffzellenstapel), wobei der Oxidationsmittel- Massenstrom durch einen Oxidationsmittelförderer 205 (insbesondere durch einen Kompressor) bewirkt wird. Das Verfahren 600 kann ferner darauf ausgelegt sein, den Oxidationsmittel -Massenstrom in den Energiewandler 102 (auf Basis des ermittelten Schätzwertes) zu steuern und/oder zu regeln.

Das Verfahren 600 umfasst das Erfassen 601, anhand von Temperatur- und Drucksensoren 503, 504, 505, 507, von Temperatur- und Druck-Messwerten auf dem Oxidationsmittelpfad zu dem Energiewandler 102, auf dem der Oxidationsmittelförderer 205 angeordnet ist. Der Oxidationsmittelpfad kann von einem Einlass 511 für Oxidationsmittel 212 bis zu einer Zuleitung 402 zu dem Energiewandler 102 verlaufen. Die Temperatur- und Drucksensoren 503, 504, 505, 507 können auf dem Oxidationsmittelpfad angeordnet sein. Der Oxidationsmittelpfad kann Teil des in diesem Dokument beschriebenen Kathodensub systems 500 eines Brennstoffzellenstapels 102 sein.

Das Verfahren 600 umfasst ferner das Ermitteln 602, auf Basis der Temperatur- und Druck-Messwerte, anhand eines Basis-Schätzmodells (für den Oxidationsmittelförderer 205) eines Schätzwerts des durch den Oxidationsmittelförderer 205 geförderten Oxidationsmittel-Massenstroms (z.B. ṁ _Cmpr ), insbesondere eines Schätzwerts des in den Energiewandler 102 fließenden Oxidationsmittel-Massenstroms (z.B. ṁ _Kat ).

Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann der Oxidationsmittel-Massenstrom eines Brennstoffzellenstapels 102 in effizienter und präziser Weise geschätzt werden, wodurch die Leistungsdynamik des Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Bezugszeichenliste

100 Brennstoffzellensystem

101 Brennstoffzelle

102 Brennstoffzellenstapel

103 (Steuer-) Vorrichtung

110 Druckbehälter

112 Brennstoffleitung

201 Anode

202 Kathode

203 Separator

204 Kontaktteil (Elektrode)

205 Oxidationsmittelförderer

211 Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)

212 Oxidationsmittel (insbesondere Luft)

301 Endplatte

302 Leitung

303 Bipolarplatte

304 Elektrode-Membran-Einheit

401 Brennstoffzuleitung

402 Oxidationsmittelzuleitung

403 Reaktionsproduktableitung

404 Anodenab gasl eitung

500 Kathodensub system

501 Oxidationsmittelfilter

502 physikalischer Massenstromsensor

503 Temperatursensor

504 Drucksensor

505 Drucksensor

506 physikalischer Massenstromsensor

507 Temperatursensor 508 Bypass- Ventil

509 Oxidationsmittel-Kühler

510 Motor (Oxidationsmittelförderer)

511 Einlass (Kathodensub system) 512 Eingang (Oxidationsmittelförderer)

513 Ausgang (Oxidationsmittelförderer)

514 Lagerpfad

515 Bypasspfad (Oxidationsmittel)

516 Zuleitung zum Oxidationsmittel-Kühler 519 Auslass (Kathodensub system)

520 Kathodenraum

600 Verfahren zur Ermittlung des Oxidationsmittel-Massenstroms

601-602 Verfahrensschritte