燃料电池利用燃料与氧气发生化学反应生成水来产生电能。为此，燃料电池包括作为核心部件的所谓膜-电极-组件（membraneelectrodeassembly，简写为mea），其是由传导离子（通常为传导质子）的膜和分别布置在该膜两侧的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。催化电极主要包括负载的贵金属，特别是铂。另外，可以在所述膜-电极-组件的两侧在电极的背离膜的侧面上布置气体扩散层（gdl）。通常，燃料电池由多个堆叠的mea形成，其电功率相加。在各个膜-电极-组件之间，通常布置双极板（也称为流场板或隔板），其确保具有运行介质（即，反应物）的单个电池的供应，并且通常也用于冷却。另外，双极板提供与膜-电极-组件的导电接触。
在燃料电池的运行中，燃料（阳极运行介质），特别是氢气h2或含氢气的气体混合物，通过双极板在阳极侧的开放流场（flussfeld）输送到阳极，其中h2电化学氧化成质子h+，从而释放电子（h2→2h++2e-）。经由将反应室彼此气密性分开并且电隔离的电解质或膜，质子从阳极室（水结合地或无水地）传输到阴极室。在阳极上提供的电子通过电线传导至阴极。经由双极板在阴极侧的开放流场，将作为阴极运行介质的氧气或含氧气的气体混合物（例如空气）输送到阴极，以便o2还原为o2-，从而吸收电子（1/2o2+2e-→o2-）。同时，阴极室中的氧阴离子与通过膜传输的质子反应形成水（o2-+2h+→h2o）。
在燃料电池的运行中，阳极运行介质，即燃料，相对于产生的电流以化学计量过量供应。出于这个原因，离开燃料电池的阳极废气仍含有相当大量的燃料，例如氢气。为了不将其未加利用地从系统中排出，阳极废气通常通过再循环管线返回到新供应的阳极运行介质。然而，由于通过燃料电池的聚合物电解质膜的扩散过程，氮气和水从阴极侧移动到燃料电池的阳极室，使得这些杂质组分积累在阳极气体中。出于这个原因，需要定期地用纯燃料对阳极室进行扫气，并从系统中排出“老化的”阳极气体。再循环率以及扫气过程的控制需要获悉流过阳极室和/或再循环的体积流量以及在阳极运行介质中的氮气含量或氢气含量。在此，应当尽可能地避免传感器，从而必须借助模型确定它们的值。这需要组合使用两种模型。困难在于，在用于确定体积流量的模型中，至少间接地需要未知的氮气-或氢气浓度，并且反过来在用于确定氮气-或氢气浓度的模型中需要未知的体积流量。
在de102009019836a1中描述了用于确定阳极气体的氢气浓度和再循环体积流量的操作方法。在该方法中，使用再循环送气机的综合特征曲线（kennfeld）和燃料电池组的压力损耗特征曲线。在重复的过程中，首先确定氢气浓度的任意值，并且根据其确定再循环体积流量的中间值。根据体积流量的中间值，计算氢气浓度的中间值，并且重复这些步骤，直至氢气浓度的模型化中间值不再显著地偏离前一循环的中间值。该方法包括复杂的燃料电池模型以及侧喷射送气机模型，并且无法适应系统的变化。
无论以哪种模型或综合特征曲线来实施用于确定两个未知的运行参数的方法，问题在于部件的综合特征曲线在部件的使用寿命期间发生变化，或者无法考虑制造公差对综合特征曲线的影响。例如，燃料电池组或再循环送气机的压力损耗由于制造公差而彼此不同，并且由于老化而在部件的使用寿命期间发生变化。这些变化或偏差会导致模型错误，从而导致无法准确地测定未知的目标值。另外，已知的模型非常复杂，并且有时需要额外的测量值。
本发明的目的在于，提供一种简单且可靠的方法，使用该方法可以确定借助根据挤压器原理运行的输送装置通过燃料电池的阳极室或阴极室再循环输送的气体混合物的气体组分的含量或组成。
所述目的通过具有独立权利要求的特征的方法以及燃料电池系统而实现。
根据本发明的方法，所述气体组分的含量根据输送装置的几何参数和运行参数以及根据气体混合物的热力学状态值（p，t）来确定。所有这些参数或状态值是指本来已知的数据或值，其在目前的燃料电池系统中本来可以获得。因此，所述方法仅仅基于现有/已知的值和非常简单的模型而能够足够准确地确定例如再循环阳极运行气体的组成。
在一个优选的实施方案中，输送装置的几何参数包括由其在壳体和转子之间封闭的并因此可输送的体积，以及与构造相关的间隙损耗，该间隙损耗减小了输送的体积。在一个实施方案中，输送装置的运行参数包括其转速、其电压及其电流。由后两个参数可以确定电功率输入。在另一个实施方案中，所述气体混合物的热力学状态值包括其压力及其温度，特别是在输送装置入口处的压力和温度和在输送装置出口处的压力和温度。
根据所述方法的一个有利实施方案，所述气体组分的含量以所述输送装置每次旋转所挤压的体积的函数来确定，该体积优选以作为几何参数的由所述输送装置封闭的体积和作为运行参数的所述输送装置的转速的函数来确定。因此，在一级近似中，由所述输送装置输送的体积流量可以确定为封闭的体积和转速的乘积。
根据一个扩展实施方案，所述输送装置每次旋转所挤压的体积还以输送装置的间隙损耗的函数来测定。该间隙损耗在此可以由输送装置的综合特征曲线根据跨输送装置的压力差来确定。虽然间隙损耗也略微取决于气体组成，但它可以理解为以非常好的近似度与压力差呈线性的间隙损耗，从而在考虑所述间隙损耗时仅仅必须添加一个常数因子。通过考虑间隙损耗，可以更准确地测定输送装置每次旋转所挤压的体积。
在所述方法的一个实施方案中，所述气体组分的含量以通过输送装置输送的体积流量的函数来确定，该体积流量根据由所述输送装置封闭的体积、输送装置的转速和间隙损耗来测定。因此，仅仅由已知参数可以测定所输送的体积流量。
根据所述方法的另一个实施方案，所述气体组分的含量根据输送装置的电功率输入和/或输送装置以体积功形式消耗的功率输出来确定。所述电功率输入在此可以以简单的方式以输送装置的电压和电流的函数来确定。通过输送装置的电功率输入和功率输出可以容易地测定比较值，这些比较值可以彼此独立地确定，并且特别地可以在重复方法的情况下彼此进行比较。
优选地，所述输送装置以体积功形式的功率输出以由输送装置输送的体积流量的函数来确定，该体积流量又可以以上述方式来测定。
在本发明方法的一个特定实施方案中，包括以下步骤：
-测定输送装置的期望电功率输入或输送装置以体积功形式的期望功率输出，分别用于假定的气体组分的含量或与此相关的值（例如气体密度）；
-测定输送装置的实际电功率输入和/或基于此的（以体积功形式的）实际功率输出；
-比较期望电功率输入或期望功率输出与实际电功率输入或实际功率输出；和
-根据两个相比较的功率之间的差值校正气体组分的含量或与此相关的值。
在第一步骤中的期望功率输出可以根据输送装置的几何参数以及气体混合物的热力学状态值，特别是根据体积流量来确定。在第一步骤中的输送装置的期望电功率输入可以由输送装置的期望功率输出和总效率来测定。期望功率输入或-输出的测定分别用于假定的气体组分含量（或与此相关的值）。在第二步骤中的实际电功率输入可以由测量的电压和测量的电流来测定，并且输送装置的实际功率输出（轴功率）可以通过输送装置的总效率由实际电功率输入来确定。
换句话说，一方面，输送装置的期望功率根据气体组分的假定含量或与此相关的值（即起始值）来测定，和另一方面，输送装置的实际功率基于电运行参数来测定。以这种方式，可以独立地分别测定两个可比较的特征值，由它们的差值可以确认或校正所假定的气体组分含量。
优选地，利用气体组分含量的校正值或与其相关的值重复所述比较，直至实际电功率输入或-输出与期望功率输入或-输出充分匹配。
根据再另一个实施方案，在所述燃料电池的气体组分含量或气体组成充分已知的运行时刻，进行在所述方法中使用的模型和/或综合特征曲线的检测和任选校正。例如，在燃料电池启用之后或在较长时间停用之后，气体组成和因此气体密度是充分已知的，并且可以用作校准的起始点。在此，也可以以上述方式确定功率参数并相互比较。根据两个相互比较的输送装置的功率参数之间的偏差值，可以进行校准/匹配，或者当偏差变得过大时可以确认输送装置发生故障。
模型的校正可以包括例如重新确定在数学模型中使用的模型常数或者在该方法中使用的特征曲线的校正。这样的特征曲线校正可以包括例如偏移移位和/或变化的斜率等。
在所述方法的一个实施方案中，再循环的气体混合物是指通过燃料电池的阳极室输送的阳极运行气体。特别地，所述气体组分的含量是指在阳极运行气体中的燃料含量（例如，氢气含量）或氮气含量。在燃料电池的阳极室中的氮气-或燃料含量的数据特别是用于控制阳极气体再循环，例如用于控制输送机和/或扫气阀，以便由于过度氮气富集而进行扫气过程。如本文所使用的术语“含量”包括描述在气体混合物中的对象组分的定量存在的任何值，如体积分数，质量分数，摩尔分数，分压，体积-或重量基的浓度等。
根据一个实施方案，所述方法还包括根据气体组分的含量或与其相关的值来控制燃料电池的运行。在此可以进行控制，特别是用于控制在燃料电池的阳极供应内的阳极气体再循环。这可以包括控制输送装置或阳极气体扫气管线的扫气阀。
本发明还涉及一种包括燃料电池的燃料电池系统，其中设置该燃料电池系统，以实施根据本发明的用于确定在通过燃料电池的阳极室或阴极室再循环输送的气体混合物中的气体组分的含量的方法。为此目的，该系统尤其可以包括控制装置，其中存储相应的计算机可读算法。此外，该控制装置还可以包括用于实施所需的模型、综合特征曲线等。
本发明的另一个方面涉及具有这种燃料电池系统的车辆。该车辆优选是指电动车辆，其中由燃料电池系统产生的电能用于供应牵引电动机和/或牵引电池。
根据从属权利要求中提到的其余特征，本发明的其他优选实施方案将变得显而易见。
除非在个别情况下另有说明，否则本申请中提及的本发明的各种实施方案可以有利地彼此组合。
下面将参考附图在具体实施例中说明本发明。其中：
图1示出了根据一个优选实施方案的燃料电池系统的框图，
图2示出了根据本发明的一个实施方案的用于确定通过图1的燃料电池阳极室再循环输送的气体混合物中的氢气-和/或氮气含量的方法的流程图；和
图3示出了用于校正/校准在图2方法中使用的模型的方法的流程图。
图1示出了根据本发明的一个优选实施方案的整体用100标记的燃料电池系统。该燃料电池系统100是未进一步显示的具有牵引电动机的车辆（特别是电动车辆）的一部分，该牵引电动机通过燃料电池系统100提供电能。
所述燃料电池系统100包括作为核心部件的燃料电池组10（在本发明中也只称为燃料电池），该燃料电池组具有多个以堆叠形式布置的单个电池11，它们通过交替堆叠的膜-电极-组件（mea）14和双极板15而形成（参见局部放大图）。每个单个电池11因此分别包括一个mea14以及在其两侧上布置的催化电极（即，阳极和阴极），其中mea具有在此未进一步显示的能够传导离子的聚合物电解质膜或其他固体电解质，该催化电极可以催化燃料电池反应的各个分反应并且作为涂层形成在所述膜上。所述阳极-和阴极电极具有催化材料，例如铂，该催化材料通过负载的形式存在于具有大的比表面积的能够导电的载体材料（例如碳基材料）上。在双极板15和阳极之间因此形成阳极室12，和在阴极和下一个双极板之间形成阴极室13。双极板15用于将运行介质输送到阳极室和阴极室12、13，并且还构成各个燃料电池11之间的电连接。任选地，可以在膜-电极-组件14和双极板15之间布置气体扩散层。
为了给燃料电池组10提供运行介质，燃料电池系统100一方面具有阳极供应20和另一方面具有阴极供应30。
阳极供应20包括阳极供应路径21，其用于将阳极运行介质（燃料），例如氢气输送到燃料电池组10的阳极室12。为此，阳极供应路径21与具有燃料电池组10的阳极入口的燃料存储器23连接。在燃料电池组10的阳极侧12上的阳极运行压力可以通过在阳极供应路径21中的调节器24来调整。阳极供应20还包括阳极废气路径22，其将阳极室12中的阳极废气通过燃料电池组10的阳极出口排出。此外，阳极供应20具有再循环管线25，其将阳极废气路径22与阳极供应路径25连接。燃料的再循环是常见的，以便将大部分化学计量过量使用的燃料返回所述电池组并且加以利用。在再循环管线25中布置再循环输送装置26，通过其可以调整再循环的体积流量。另外，将阳极废气路径22与扫气管线27连接，该扫气管线在显示的实施例中并入阴极废气路径32，从而使得阳极废气和阴极废气通过共同的废气设备排出。在一个替代的实施方案中，扫气管线27也可以并入环境中。扫气阀28（其在该实施例中与水分离器组合）可以一方面通过扫气管线27排出阳极废气和另一方面分离冷凝的水。
阴极供应30包括阴极供应路径31，其将含氧气的阴极运行介质（特别是从环境中吸取的空气）输送到燃料电池组10的阴极室13。阴极供应30还包括阴极废气路径32，其将阴极废气（特别是废空气）从燃料电池组10的阴极室13（在此与阳极废气一起）排出，并且将它们任选地输送到未显示的废气设备。为了输送和压缩阴极运行介质，在阴极供应路径31中布置压缩机33。在所显示的具体实施例中，压缩机33构成为主要以电动机驱动的压缩机，其驱动通过配备有相应的功率电子器件（leistungselektronik）35的电动机34进行。
压缩机33还可以通过在阴极废气路径32中布置的涡轮机36（任选地具有可变的涡轮机几何形状）借助共同的轴（未显示）的支持而进行驱动。
根据显示的具体实施例，阴极供应30还可以具有废气门管线37，其将阴极供应管线31与阴极废气管线32连接，即构成燃料电池组10的旁路。废气门管线37可以使过量的空气质量流量流过燃料电池组10而不关闭压缩机33。布置在废气门管线37中的调节器38用于控制绕过燃料电池组10的阴极运行介质的量。另外的调节器可以布置在管线21、22、27、31和32中，以便能够将燃料电池组10与环境隔离。燃料电池系统100的所有调节器可以构成为可控或不可控的阀或活门。
燃料电池系统100还可包括加湿器39。一方面，加湿器39布置在阴极供应路径31中，使得其可以被阴极运行气体穿过。另一方面，它布置在阴极废气路径32中，使得其可以被阴极废气穿过。加湿器39通常具有多个水蒸汽可渗透的膜，其形成为平面状的或中空纤维的形式。在此，相对干燥的阴极运行气体（空气）流过膜的一侧和相对潮湿的阴极废气（废气）流过另一侧。在阴极废气中较高的水蒸气分压的驱动下，水蒸气穿过膜进入阴极运行气体，以这种方式使得阴极运行气体加湿。
也可以在阴极废气路径32中安装水分离器，特别是安装在涡轮机36的上游，以便冷凝和排出由燃料电池反应产生的产物水。
在燃料电池组10的正常运行中，通常运行相对于产生的电流化学计量过量的阳极运行气体（在此例如氢气）。因此，通过阳极废气路径22离开燃料电池组10的阳极废气包含相当大量的氢气，其在正常运行中经由再循环管线25通过输送装置26（在此构成为挤压机器）流入阳极供应路径21中，并且由此再循环。然而，由于通过膜-电极-组件14的膜使得氮气和燃料电池反应的产物水由阴极室13扩散到燃料电池10的阳极室12中，所以这些组分富集在阳极气体中，从而使得氢气的含量降低和氮气的含量增加。由于这个原因，当氮气含量太高或氢气含量过低时，打开扫气阀28并且用燃料箱23中的纯氢气对阳极室12进行扫气。
为了控制系统100的扫气阀28、再循环输送装置26以及其他部件，图1中的燃料电池系统100还包括汇集各种测量参数的控制装置50。用于再循环控制的目的，控制装置50包括存储的和计算机可读的算法用于确定在通过燃料电池10的阳极室12再循环输送的阳极气体中的燃料（在此为氢气）含量yh2。用于相同的目的，输送装置26的运行参数（即，其转速n、其电压u和其电流i）汇集在控制装置50中。此外，通过合适的传感器测量再循环气体混合物的热力学状态值，并且提供给控制装置50。这些包括气体混合物的入口温度t1和出口温度t2以及入口压力p1和出口压力p2，它们在输送装置26的上游或下游获取。此外，控制装置50包含关于输送装置26的各种几何参数的信息，即由其封闭的体积v以及关于依赖于跨输送装置26的压力差δp的间隙损耗ξ的信息。根据测定的在再循环气体混合物中的氢气（或氮气）的含量，控制装置50相应地控制扫气阀28和输送装置26。
用于测定在再循环气体混合物中的氢气（或氮气）的含量的相应方法，借助图2的流程图的具体实施例来阐述。
所述方法例如从在车辆停止后启动燃料电池系统100时开始。在s1中，假定待确定的气体组分或气体组合物的含量的初始值，例如氢气含量yh2，氮气含量yn2或阳极气体的气体密度ρgas。由于这些值可以相互转换，因此选择这些值中的哪一个作为起点并不重要。例如，在燃料电池系统100启动的即刻，设定氢气含量为100%（yh2=1.0），由此得到氮气含量的值为0％（yn2=0.0），和气体密度ρgas对应于氢气的气体密度。
在随后的步骤s2中，读取输送装置26的转速n、电压u和电流i以及入口-和出口压力p1和p2和入口-和出口温度t1和t2的当前值。
在步骤s3中，以在输送装置的转子和壳体之间被其封闭的体积v、转速n以及间隙损耗ξ的函数，计算由输送装置26输送的体积流量
在步骤s4中，根据方程式4，输送装置26的电功率输入pel由测量的电压u和电流强度i的乘积确定。由此确定的电功率输入对应于实际的功率输入pel,ist。
在步骤s5中，确定对于假定的气体密度ρgas期望的输出功率pv，其由输送装置26以体积功（压缩功，“作用于气体的功”）的形式产生。输出功率pv可以根据方程式5表示为质量流量ṁ与输送装置26的入口和出口处的气体的比焓的差值δh的乘积。使用根据方程式6的密度定义，输出功率pv根据方程式7以在s1中假定的气体密度ρgas、在s3中确定的体积流量
然后在步骤s6中，输出功率pw（轴功率）根据方程式10由在s4中确定的输送装置26的电功率输入pel和机械效率ηmech（其取自作为压力差δp的函数的综合特征曲线）以及输送装置26的电效率ηel来确定。
然后在步骤s7中进行调试，其中将s5中的对于假定的气体密度ρgas期望的输出功率pv与输出功率pw进行比较。特别地，检测两者的差值δp的量是否（显著地）偏离零，其中考虑一定的公差。如果是这样，也就是说，根据假定的气体密度ρgas期望的输出功率pv显著地偏离由电功率输入pel测定的轴功率pw，则在s7中的请求是肯定的并且继续进入步骤s8。在s8中，使用上述方程式根据功率差δp来重新确定气体密度ρgas。所述方法从s8返回到步骤s5，在s5中使用重新确定的气体密度ρgas重新计算期望的输出功率pv并且在s7中使用输出功率pw重新进行调试。
如果在s7中的请求是否定的，也就是说，根据气体密度ρgas期望的输出功率pv与由电功率输入pel待期望的输出功率pw充分匹配，这意味着最后获得的气体密度ρgas对应于再循环的气体混合物的实际密度。在这种情况下，所述方法继续进行到步骤s9，其中计算氢气的含量yh2。为此，从方程式11开始，气体混合物的气体密度ρgas根据该方程式对应于气体混合物中的所有气体组分的含量与它们的密度的乘积之和，其中所有气体组分的含量之和根据方程式12等于1。根据方程式13求解得到氢气的含量yh2。
假设气体混合物饱和有水蒸气，即相对湿度为100％，则水含量yh2o取自在模型中留存的图表。（替代地，可以作为基于模型的值由运行条件推导出水含量yh2o。）同样地，氢气、水蒸气和氮气的密度作为压力和温度的函数留存在模型中，从而只有上述确定的气体密度ρgas作为起始值进入计算。
应当理解，替代在步骤s7中的输出功率的比较，也可以相互比较相应的输入功率，即，在s4中确定的当前输入功率pel和由在s5中测定的期望输出功率pv通过使用效率ηmech（δp）和ηel测定的、待期望的电输入功率。此外，替代氢气含量或除此另外地，还可以确定氮气含量。
只要输送装置/挤压机器26的总效率ηges保持不变，所述模型具有足够的精确度。然而，在实践中，在输送装置的使用寿命期间的其总效率ηges可能变化，特别是当机械效率ηmech变化时。总效率ηges根据方程式14由电效率ηel、热力学效率ηther和机械效率ηmech的全部组成，其中热力学效率ηther根据方程式15由跨输送装置26的等熵焓差δhisen和多变焓差δhpoly的函数得到。
所述方法还可以用于实施在方法中使用的模型和/或综合特征曲线的检测和任选校正以及输送装置26的诊断。将参考图3在一个具体实施例中阐述相应的方法。
根据图3的诊断-和校准方法起始于步骤s1，气体组成和因此气体密度ρgas充分已知的运行时刻。这例如是燃料电池10启动的即刻，在这种情况下的阳极运行气体的100%由氢气组成，或者在长期停止状态之后，在这种情况下由于扩散过程而可能在阳极室12中充满纯空气气氛。
接下来的步骤s2至s6对应于图2中的那些，这里不再具体地阐述。
然而，不同于在图2中，将在s5中的根据气体密度ρgas期望的输出功率pv和基于电功率输入pel测定的输出功率pw之间的功率差δp与阈值g1和g2进行比较。因此，在s10的请求中首先询问，所测定的功率差δp是否高于第一阈值g1。如果不是这种情况，则系统的校准完成，其中所使用的模型和综合特征曲线，特别是s6中的效率依赖性是足够准确的。在这种情况下，所述方法结束于步骤s11。
另一方面，如果在s10中发现功率差δp超过第一阈值g1，则在接下来的s12请求中检查，δp是否处于第一阈值g1和更高的第二阈值g2之间。如果是这种情况，偏差仍然在可接受的范围内，但需要校准所使用的模型，特别是总效率ηges。这在步骤s13中进行。
然而，如果在s12中的请求是否定的，也就是说，δp高于g2，则所述方法继续进行到步骤s14。例如，过度偏差可能表明输送装置26的机械轴承损坏，这导致机械效率ηmech和因此总效率ηges的急剧恶化。在这种情况下，系统的校准不再可能，并且确定发生故障，该故障例如存储在车辆的故障存储器中和/或在视觉或声学上显示为故障消息。
附图标记列表
100燃料电池系统
10燃料电池组/燃料电池
11单个电池
12阳极室
13阴极室
14膜-电极-组件（mea）
15双极板（隔板，流场板）
20阳极供应
21阳极供应路径
22阳极废气路径
23燃料箱
24调节器
25再循环管线
26再循环输送装置/挤压机器
27扫气管线
28扫气阀
30阴极供应
31阴极供应路径
32阴极废气路径
33压缩机
34电动机
35功率电子器件
36涡轮机
37废气门管线
38调节器
39加湿器
50控制装置
v输送装置/挤压机器的封闭体积
ξ间隙损耗
а间隙损耗因子
n输送装置/挤压机器的转速
u输送装置/挤压机器的电压
i输送装置/挤压机器的电流
t1输送装置/挤压机器入口处的气体混合物温度
t2输送装置/挤压机器出口处的气体混合物温度
p1输送装置/挤压机器入口处的压力
p2输送装置/挤压机器出口处的压力
δp跨输送装置/挤压机器的压力差
pel输送装置/挤压机器的电功率输入
pv输送装置/挤压机器的由于对气体混合物的体积功而提供的期望输出功率（由气体密度确定）
pw输送装置/挤压机器的由于对气体混合物的体积功而提供的实际输出功率/轴功率（由电功率输入和效率确定）
ṁ质量流量
δh比焓差
r常规气体常数，r=8.314j/(kmol)
ηges输送装置/挤压机器的总效率
ηel输送装置/挤压机器的电效率
ηth输送装置/挤压机器的热力学效率
ηmech输送装置/挤压机器的机械效率
ρ密度
ρgas气体混合物的密度
yh2气体混合物中氢气的含量/分压/摩尔分数
yn2气体混合物中氮气的含量/分压/摩尔分数
yh2o气体混合物中水蒸气的含量/分压/摩尔分数