AT522539B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran in einem Brennstoffzellensystem Download PDFInfo
- Publication number
- AT522539B1 AT522539B1 ATA50382/2019A AT503822019A AT522539B1 AT 522539 B1 AT522539 B1 AT 522539B1 AT 503822019 A AT503822019 A AT 503822019A AT 522539 B1 AT522539 B1 AT 522539B1
- Authority
- AT
- Austria
- Prior art keywords
- fuel cell
- moisture
- length
- actual
- value
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
- H01M8/04529—Humidity; Ambient humidity; Water content of the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04701—Temperature
- H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
- H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
- H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes wenigstens einer Elektrolytmembran (2, 2a) in wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (1) in einem Brennstoffzellensystem (30), aufweisend die Schritte: Ermitteln von wenigstens einem stapeldimensionsabhängigen Istwert, Vergleichen des wenigstens einen Istwertes mit wenigstens einem stapeldimensionsabhängigen Referenzwert, Ermitteln wenigstens eines stapeldimensionsabhängigen Vergleichswertes zwischen dem Istwert und dem Referenzwert, und Ermitteln des Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolytmembran (2, 2a) anhand des ermittelten Vergleichswertes, wobei der wenigstens eine Istwert eine ermittelte Ist-Länge (L2) des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (1) umfasst, der wenigstens eine Referenzwert eine Referenz-Länge (L1) umfasst, und der wenigstens eine Vergleichswert eine Längendifferenz (ΔL) zwischen der Ist-Länge (L2) und der Referenz-Länge (L1) umfasst, wobei der Feuchtigkeitszustand anhand der ermittelten Längendifferenz (ΔL) ermittelt wird, wobei die Ist-Länge (L2) mittels einer Bilderfassungseinheit (3) optisch erfasst wird, und das Brennstoffzellensystem (30) wenigstens eine Halteeinheit (4) zum druckbeaufschlagten Halten des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (1) sowie eine Kraftmesseinheit (5) zum Messen einer Haltekraft für das druckbeaufschlagte Halten des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (1) in der Halteeinheit (4) aufweist, wobei die Haltekraft, die sich in Abhängigkeit von der Ist-Länge (L2) des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (1) verändert, durch die Kraftmesseinheit (5) gemessen wird und der Feuchtigkeitszustand anhand der gemessenen Haltekraft ermittelt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung (20a; 20b) zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes wenigstens einer Elektrolytmembran (2, 2a) gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Brennstoffzellensystem (30) mit einer erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung (20a; 20b).
Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ERMITTELN EINES FEUCHTIGKEITSZUSTANDES EINER ELEKTROLYTMEMBRAN IN EINEM BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes wenigstens einer Elektrolytmembran in wenigstens einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, mit einer solchen Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung.
[0002] Der Wassergehalt bzw. der Feuchtigkeitszustand einer Elektrolyitmembran eines Brennstoffzellensystems ist entscheidend für einen effizienten Betrieb sowie die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems, da der Membranwiderstand vom Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran abhängt. Im Stand der Technik ist es bekannt, den Feuchtigkeitszustand der ElektroIytmembran mittels Impedanzspektroskopie zu ermitteln. Ein solches System geht beispielsweise aus der US 2012015263 A hervor. Dieses Verfahren erfordert aufgrund der hierfür benötigten Sensorik jedoch einen relativ komplexen Systemaufbau.
[0003] Weitere Verfahren zur Bestimmung einer Feuchtigkeit von Brennstoffzellenstapeln sind beispielsweise aus der US 2017317365 A1 und der US 2002106537 A1 bekannt.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen der Feuchtigkeitszustand einer Elektrolyitmembran möglichst einfach ermittelt werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung zu schaffen.
[0005] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, die Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung gemäß Anspruch 2 sowie das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
[0006] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes wenigstens einer Elektrolyitmembran in wenigstens einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Ermitteln von wenigstens einem stapeldimensionsabhängigen Istwert,
- Vergleichen des wenigstens einen Istwertes mit wenigstens einem stapeldimensionsabhängigen Referenzwert,
- Ermitteln wenigstens eines stapeldimensionsabhängigen Vergleichswertes zwischen dem Istwert und dem Referenzwert, und
- Ermitteln des Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolyitmembran anhand des ermittelten Vergleichswertes.
[0007] Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass durch eine Dimensionsänderung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels überraschend genaue Rückschlüsse über den Feuchtigkeitszustand der Elektrolyitmembran gezogen werden können. Temperatur- und/oder Druckeinflüsse können zwar ebenfalls zu einer Dimensionsänderung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels führen, scheinen jedoch überraschend vernachlässigbar zu sein. Ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug kann mehrere hundert aufei-
nandergestapelte Brennstoffzellenmodule mit einer entsprechenden Anzahl an Elektrolytmembranen aufweisen, wobei der Wassergehalt einer Elektrolytmembran in einem PEM-Brennstoffzellensystem beispielsweise bis zu 50 Gewichtsprozent betragen kann. Durch eine starke Befeuchtung der jeweiligen Elektrolyimembranen kann sich deshalb eine signifikante Dimensionsänderung des gesamten Brennstoffzellenstapels ergeben, welches erfindungsgemäß als Indikator für den Feuchtigkeitszustand der wenigstens einen Elektrolyitmembran genutzt werden kann.
[0008] Im Stand der Technik war es bisher bekannt, dass eine Elektrolytmembran abhängig von ihrem Feuchtigkeitsgehalt eine unterschiedliche Dicke bzw. Dimension aufweist. Vorliegend wurde nun erkannt, dass sich diese Dimensionsänderung auf derart sichtbare Weise auf den zugehörigen Brennstoffzellenstapel auswirkt, dass über die daraus resultierende Stapeldimensionsänderung wiederum auf den Feuchtigkeitszustand der Elektrolyimembran geschlossen werden kann.
[0009] Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf komplexe Sensorik verzichtet werden. Die Stapeldimensionsänderung kann im Rahmen des Verfahrens auf einfache Weise direkt oder indirekt ermittelt werden. Der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel muss für die Ermittlung des Feuchtigkeitszustandes nicht auseinandergebaut werden. Ebensowenig muss an der Elektrolytmembran Sensorik angebracht werden. Eine Ausdehnung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels kann in einem Betrieb des Brennstoffzellensystems kontinuierlich direkt oder indirekt erfasst werden. So kann im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems auf einfache Weise die Steuerung und/oder Regelung des Brennstoffzellensystems angepasst werden.
[0010] Unter dem stapeldimensionsabhängigen Istwert ist ein Wert zu verstehen, der direkt oder indirekt abhängig von der Brennstoffzellenstapeldimension, also beispielsweise direkt oder indirekt abhängig von Länge, Breite und/oder Höhe des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels, unterschiedlich ausfallen kann. Der bereitgestellte wenigstens eine stapeldimensionsabhängige Referenzwert kann im Rahmen des Verfahrens ebenfalls ermittelt werden. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass ein Längenreferenzwert des Brennstoffzellenstapels einer Datenbank entnommen werden kann. Dieser muss eher für jeden Stapel individuell ermittelt werden. Darüber hinaus wird sich der Referenzwert im Laufe einer Stapellebensdauer wohl auch verändern. Folglich ist es sinnvoll, wenn der Referenzwert periodisch neu überprüft und/oder ermittelt wird.
[0011] Der Speicher kann Teil des Brennstoffzellensystems sein, oder in Form eines Netzwerkspeichers bereitgestellt sein. So kann der stapeldimensionsabhängige Referenzwert aus dem Internet geladen bzw. bereitgestellt werden.
[0012] Das Ermitteln des wenigstens einen stapeldimensionsabhängigen Istwertes, das Vergleichen des wenigstens einen Istwertes mit dem wenigstens einen stapeldimensionsabhängigen Referenzwert, das Ermitteln des wenigstens einen stapeldimensionsabhängigen Vergleichswertes bzw. eines entsprechenden Differenzwertes zwischen dem Istwert und dem Referenzwert und/oder das Ermitteln des Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolytmembran anhand des ermittelten Vergleichswertes können mit Hilfe eines Controllers des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Hierfür kann der Controller dezidierte Ermittlungseinheiten und eine Vergleichseinheit aufweisen.
[0013] Das Verfahren wird, wie vorstehend bereits erwähnt, insbesondere zur Durchführung in einem PEM-Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt.
[0014] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren der wenigstens eine Istwert eine ermittelte Ist-Länge des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels umfasst, der wenigstens eine Referenzwert eine Referenz-Länge umfasst, und der wenigstens eine Vergleichswert eine Längendifferenz zwischen der Ist-Länge und der Referenz-Länge umfasst, wobei der Feuchtigkeitszustand anhand der ermittelten Längendifferenz ermittelt wird. In diesem Fall kann der Feuchtigkeitszustand der wenigstens einen Elektrolyitmembran unter direkter Verwendung einer Stapeldimensionsänderung schnell und einfach ermittelt werden. So kann beispielsweise festgestellt werden, dass die wenigstens eine Elektrolyitmembran einen kritischen Feuchtigkeitszustand erreicht, sobald die Längendifferenz größer als eine vordefinierbare Referenzdif-
ferenz ist. Dies kann in beide Ausdehnungsrichtungen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels betrachtet werden. D.h., wird anhand der ermittelten Längendifferenz erkannt, dass die IstLänge um einen vorbestimmbaren Wert bzw. eine entsprechende Länge kürzer als die ReferenzLänge ist, kann darauf geschlossen werden, dass die wenigstens eine Elektrolyitmembran zu trocken ist. Wird anhand der ermittelten Längendifferenz erkannt, dass die Ist-Länge um einen vorbestimmbaren Wert länger als die Referenz-Länge ist, kann darauf geschlossen werden, dass die wenigstens eine Elektrolytmembran zu feucht ist. Unter der Ist-Länge kann selbstverständlich auch eine Ist-Breite, eine Ist-Höhe oder eine andere Dimension bzw. ein anderes Maß des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels verstanden werden. Selbiges trifft für die entsprechende Referenz-Länge zu. Ferner ist es möglich, dass zusätzlich zur Ist-Länge eine Ist-Breite und/oder eine Ist-Höhe des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels ermittelt werden. In diesem Fall kann der Feuchtigkeitszustand anhand einer ermittelten Längendifferenz, einer ermittelten Höhendifferenz und/oder einer ermittelten Breitendifferenz ermittelt werden. Dadurch kann eine noch genauere Aussage zum Feuchtigkeitszustand der wenigstens einen Elektrolytmembran getroffen werden. Die Ermittlung der wenigstens einen Ist-Länge kann vorzugsweise kontinuierlich, beispielsweise mit einer Frequenz von wenigstens 1 Hz, durchgeführt werden.
[0015] Ferner ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Ist-Länge mittels einer Bilderfassungseinheit optisch erfasst wird. Damit kann die Ist- Länge und mithin der Feuchtigkeitszustand der wenigstens einen Elektrolyitmembran besonders einfach ermittelt werden. Die Bilderfassungseinheit kann nicht nur einfach, sondern auch nachträglich in ein bestehendes Brennstoffzellensystem integriert werden. Die Längenänderung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels kann durch die Bilderfassungseinheit auf einfache Weise, wie vorstehend beschrieben, kontinuierlich ermittelt werden. Die Längenänderung ist durch die Bilderfassungseinheit beispielsweise interferometrisch oder elektromagnetisch feststellbar. Es kann auch vorgesehen sein, dass diese akustisch festgestellt wird. Die Bilderfassungseinheit kann z. B. in Form einer Kamera bereitgestellt werden oder eine Kamera zum Erfassen der jeweiligen Längen aufweisen. Neben der Ist-Länge kann durch die Bilderfassungseinheit auch noch eine Ist-Breite und/oder eine Ist-Höhe des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels erfasst werden. Hierzu kann die Bilderfassungseinheit wenigstens eine Kamera, zur Erfassung der jeweiligen Längen in drei Dimensionen, wenigstens zwei Kameras, aufweisen. D.h., durch die Bilderfassungseinheit können eine Ist-Länge, eine Ist-Breite und/oder eine Ist-Höhe des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels erfasst werden und wie vorstehend beschrieben zur Ermittlung des Feuchtigkeitszustandes des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels verwendet werden. Es scheint, dass eine Längenänderung in Stapelrichtung, d. h. normal auf die Membranfläche, am relevantesten ist und die anderen Längenänderungen nur eine untergeordnete Rolle spielen.
[0016] Darüber hinaus ist es bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Halteeinheit zum druckbeaufschlagten Halten des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels sowie eine Kraftmesseinheit zum Messen einer Haltekraft für das druckbeaufschlagte Halten des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels in der Halteeinheit aufweist, wobei die Haltekraft, die sich in Abhängigkeit von der Ist-Länge des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels verändert, durch die Kraftmesseinheit gemessen wird und der Feuchtigkeitszustand anhand der gemessenen Haltekraft ermittelt wird. Damit wird ein einfaches Verfahren zur indirekten Ermittlung des Feuchtigkeitszustandes des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels bereitgestellt. Unter der Halteeinheit können Platten verstanden werden, welche den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel über Federmittel in der gewünschten Position halten und dadurch eine Dimensionsänderung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels erlauben. Die Kraft, die sich bei einer Ausdehnung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels auf die Federn und/oder die Platten erhöht, kann gemessen und anschließend als Indikator für die Dimensionsänderung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels sowie den entsprechenden Feuchtigkeitszustand der wenigstens einen Elektrolyitmembran verwendet werden. D.h., wird beispielsweise festgestellt, dass die gemessene Haltekraft geringer als eine vordefinierbare Referenz-Haltekraft ist, kann darauf geschlossen werden, dass die wenigstens eine Elektrolyitmembran zu trocken ist. Wird festgestellt, dass die gemessene Haltekraft höher als eine vordefinierbare Referenz-Haltekraft ist, kann darauf geschlossen werden, dass die wenigstens eine Elektrolyt-
membran zu feucht ist. Mit anderen Worten, der entsprechende Feuchtigkeitszustand kann anhand eines Vergleichs zwischen der gemessenen Ist-Haltekraft und einer Referenz-Haltekraft bzw. anhand einer daraus resultierenden Haltekraftdifferenz ermittelt werden. Die erfindungsgemäße Kraftmessung wird zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Dimensions- bzw. Längenauswertung durchgeführt. Die Haltekraft kann auf einfache Weise kontinuierlich, beispielsweise mit einer Frequenz von wenigstens 1Hz, durchgeführt werden. Es gibt auch Stacks, welche insbesondere mit starren Spannvorrichtungen auf eine konstante Länge oder auf eine (annähernd) konstante Kraft eingestellt werden. Manche Stacks ändern also die Länge nicht, nur die Kraft auf die Spannvorrichtung wird stärker.
[0017] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes wenigstens einer Elektrolytmembran in wenigstens einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem gemäß einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren zur Verfügung gestellt. Die Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung weist einen Controller zum Vergleichen des wenigstens einen Istwertes mit dem wenigstens einen stapeldimensionsabhängigen Referenzwert, zum Ermitteln des wenigstens einen stapeldimensionsabhängigen Vergleichswertes zwischen dem Istwert und dem Referenzwert, und zum Ermitteln des Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolyitmembran anhand des ermittelten Vergleichswertes, auf. Damit bringt eine erfindungsgemäße Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
[0018] Eine erfindungsgemäße Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung weist eine mit dem Controller in Signalverbindung stehende Bilderfassungseinheit zum Ermitteln der Ist-Länge und/oder der Referenz-Länge des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels auf. Wie vorstehend bereits beschrieben, kann die Bilderfassungsvorrichtung wenigstens eine Kamera an wenigstens einer Position aufweisen. D.h., die Bilderfassungsvorrichtung kann mehrere Kameras an unterschiedlichen Positionen aufweisen, um beispielsweise auf die vorstehend beschriebene Weise eine IstLänge, eine Ist-Breite sowie eine Ist-Höhe des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels für die Ermittlung des Feuchtigkeitszustandes zu erfassen.
[0019] Unter einer Bilderfassungseinheit wird im Rahmen der Erfindung auch eine Erfassungseinheit verstanden, welche zu einer interferometrischen, elektromagnetischen und/oder akustischen Erfassung einer Längenänderung angeordnet und ausgebildet ist.
[0020] Außerdem weist eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung eine mit dem Controller in Signalverbindung stehende Kraftmesseinheit zum Messen einer Haltekraft für das druckbeaufschlagte Halten des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels in der Halteeinheit auf. Die Kraftmesseinheit kann als direkte Kraftmesseinheit für eine direkte Kraftmessung, oder als indirekte Kraftmesseinheit für eine indirekte Kraftmessung ausgestaltet sein. Ferner kann die Kraftmesseinheit als Einkomponenten-Kraftmesseinheit für eine Einkomponenten-Kraftmessung oder als Mehrkomponenten-Kraftmesseinheit für eine Mehrkomponenten-Kraftmessung ausgestaltet sein.
[0021] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, das wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, eine Anodenzuführleitung zum Zuführen eines Anodenfluids zum Anodenabschnitt, eine Kathodenzuführleitung zum Zuführen eines Kathodenfluids zum Kathodenabschnitt, sowie eine wie vorstehend im Detail beschriebene Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung aufweist. Damit bringt auch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
[0022] Bei einer Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein Brennstoffzellensystem eine Anpassungsvorrichtung zum Anpassen einer relativen Feuchte, eines Drucks und/oder einer Temperatur des Kathodenfluids zum Kathodenabschnitt anhand des ermittelten Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolyimembran aufweist. Damit kann auf schnelle und einfache Weise auf eine zu feuchte oder zu trockene Elektrolytmembran reagiert werden.
[0023] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
[0024] Es zeigen jeweils schematisch: [0025] Figur 1 eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
[0026] Figur 2 einen Brennstoffzellenstapel in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform einer Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung,
[0027] Figur 3 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform.
[0028] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0029] In Fig. 1 ist schematisch eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung 20a zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolyimembran 2, 2a in einem Brennstoffzellenstapel 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist einen Anodenabschnitt 7 und einen Kathodenabschnitt 8 auf, wobei die Elektrolyitmembran 2, 2a sandwichartig zwischen dem Anodenabschnitt 7 und dem Kathodenabschnitt 8 angeordnet ist.
[0030] In Fig. 1 sind eine Elektrolyitmembran 2 in einem ersten Feuchtigkeitszustand und eine Elektrolytmembran 2a in einem zweiten Feuchtigkeitszustand dargestellt. Die Elektrolyitmembran 2a im zweiten Feuchtigkeitszustand weist eine höhere Feuchtigkeit als die Elektrolyitmembran 2 im ersten Feuchtigkeitszustand auf. Entsprechend ist die Elektrolyiumembran 2a im zweiten Feuchtigkeitszustand dicker bzw. länger als die Elektrolyitmembran 2 im ersten Feuchtigkeitszustand.
[0031] Die Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung 20a weist einen Controller 6 zum Vergleichen des ersten Feuchtigkeitszustandes, der als stapeldimensionsabhängiger Referenzwert betrachtet werden kann, mit dem zweiten Feuchtigkeitszustand, der als stapeldimensionsabhängiger Istwert betrachtet werden kann, auf. Gemäß Fig. 1 befindet sich die Elektrolytmembran 2 im ersten Feuchtigkeitszustand in einem Sollzustand. D.h., der Feuchtigkeitszustand bzw. ein entsprechender Wassergehalt der Elektrolyitmembran 2 befindet sich auf einem gewünschten Referenzwert. Dieser Wert muss nicht ermittelt werden, sondern kann durch den Controller 6 beispielsweise auch von einem Speicher gelesen werden.
[0032] Der Controller 6 ist ferner zum Ermitteln eines stapeldimensionsabhängigen Vergleichswertes zwischen dem Istwert und dem Referenzwert konfiguriert. Außerdem ist der Controller 6 zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes der Elektrolyitmembran 2, 2a anhand des ermittelten Vergleichswertes ausgestaltet. D.h., anhand des ermittelten Vergleichswertes kann der Controller 6 beispielsweise erkennen, ob die Elektrolyitmembran 2, 2a zu trocken oder zu feucht ist.
[0033] Gemäß Fig. 1 wird der Istwert in Form einer Ist-Länge L2 des Brennstoffzellenstapels 1 ermittelt und der Referenzwert wird in Form einer Referenz-Länge L1 ermittelt. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Referenz-Länge L1 auch aus einem Speicher gelesen werden. Der Vergleichswert entspricht entsprechend einer Längendifferenz AL zwischen der Ist-Länge L2 und der Referenz-Länge L1, wobei der Feuchtigkeitszustand anhand der ermittelten Längendifferenz AL ermittelt wird.
[0034] Zur Ermittlung der Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 1 weist die in Fig. 1 dargestellte Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung 20a eine mit dem Controller 6 in Signalverbindung stehende Bilderfassungseinheit 3 in Form einer Kamera zum Ermitteln der Ist-Länge L2 sowie der Referenz-Länge L1 des Brennstoffzellenstapels 1 auf.
[0035] Mit Bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 wird eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung 20b gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Neben den in Fig. 1 dargestellten Funktionsbauteilen weist die Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung 20b gemäß der zweiten Ausführungsform eine mit dem Controller 6 in Signalverbindung stehende Kraftmesseinheit 5 zum Messen einer Halte-
kraft für ein druckbeaufschlagtes Halten des Brennstoffzellenstapels 1 in der Halteeinheit 4 auf. Anhand von Fig. 2 kann erkannt werden, wie die Federeinheiten 12 durch eine erhöhte Feuchtigkeit in der Elektrolytmembran 2a und ein dadurch erzeugtes Anschwellen des Brennstoffzellenstapels 1 auf der rechten Seite stärker zusammengedrückt werden als auf der linken Seite, auf welcher die Elektrolyitmembran 2 einen geringeren Wassergehalt als auf der rechten Seite aufweist. Durch die in Fig. 3 dargestellte Kraftmesseinheit 5 kann die Haltekraft, die sich in Abhängigkeit von der Ist-Länge L2 des Brennstoffzellenstapels 1, wie in Fig. 2 dargestellt, verändert, gemessen werden. Anschließend kann der Feuchtigkeitszustand der Elektrolyitmembran 2, 2a anhand der gemessenen Haltekraft ermittelt werden.
[0036] In Fig. 3 ist ferner ein Brennstoffzellensystem 30 dargestellt, das einen Brennstoffzellenstapel 1 mit einem Anodenabschnitt 7 und einem Kathodenabschnitt 8, eine Anodenzuführleitung 9 zum Zuführen eines Anodenfluids zum Anodenabschnitt 7, eine Kathodenzuführleitung 10 zum Zuführen eines Kathodenfluids zum Kathodenabschnitt 8, und die vorstehend beschriebene Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung 20b aufweist. Das Brennstoffzellensystem 30 weist ferner eine Anpassungsvorrichtung 11 zum Anpassen einer relativen Feuchte, eines Drucks und/oder einer Temperatur des Kathodenfluids zum Kathodenabschnitt 8 anhand des ermittelten Feuchtigkeitszustandes der Elektrolyitmembran 2, 2a auf.
[0037] Erfindungsgemäß werden die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Varianten miteinander kombiniert.
[0038] 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.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Brennstoffzellenstapel 2, 2a Elektrolytmembran
3 Bilderfassungseinheit
4 Halteeinheit
5 Kraftmesseinheit
6 Controller
7 Anodenabschnitt
8 Kathodenabschnitt
9 Anodenzuführabschnitt 10 Kathodenzuführabschnitt 11 Anpassungsvorrichtung 12 Federeinheit
20a, 20b Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung
30 Brennstoffzellensystem L1 Referenz-Länge
L2 Ist-Länge
AL Längendifferenz
Claims (4)
1. Verfahren zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes wenigstens einer Elektrolyimembran (2, 2a) in wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (1) in einem Brennstoffzellensystem (30), aufweisend die Schritte:
- Ermitteln von wenigstens einem stapeldimensionsabhängigen Istwert,
- Vergleichen des wenigstens einen Istwertes mit wenigstens einem stapeldimensionsabhängigen Referenzwert,
- Ermitteln wenigstens eines stapeldimensionsabhängigen Vergleichswertes zwischen dem Istwert und dem Referenzwert, und
- Ermitteln des Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolyitmembran (2, 2a) anhand des ermittelten Vergleichswertes,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Istwert eine ermittelte Ist-Länge (L2) des wenigstens einen Brennstoff-
zellenstapels (1) umfasst, der wenigstens eine Referenzwert eine Referenz-Länge (L1) um-
fasst, und der wenigstens eine Vergleichswert eine Längendifferenz (AL) zwischen der Ist-
Länge (L2) und der Referenz-Länge (L1) umfasst, wobei der Feuchtigkeitszustand anhand
der ermittelten Längendifferenz (AL) ermittelt wird, wobei die Ist-Länge (L2) mittels einer Bil-
derfassungseinheit (3) optisch erfasst wird, und das Brennstoffzellensystem (30) wenigstens
eine Halteeinheit (4) zum druckbeaufschlagten Halten des wenigstens einen Brennstoffzel-
lenstapels (1) sowie eine Kraftmesseinheit (5) zum Messen einer Haltekraft für das druckbe-
aufschlagte Halten des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (1) in der Halteeinheit (4)
aufweist, wobei die Haltekraft, die sich in Abhängigkeit von der Ist-Länge (L2) des wenigs-
tens einen Brennstoffzellenstapels (1) verändert, durch die Kraftmesseinheit (5) gemessen
wird und der Feuchtigkeitszustand anhand der gemessenen Haltekraft ermittelt wird.
2. Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung (20a, 20b) zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes wenigstens einer Elektrolyitmembran (2, 2a) in wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (1) in einem Brennstoffzellensystem gemäß einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend einen Controller (6) zum Vergleichen des wenigstens einen Istwertes mit dem wenigstens einen stapeldimensionsabhängigen Referenzwert, zum Ermitteln des wenigstens einen stapeldimensionsabhängigen Vergleichswertes zwischen dem Istwert und dem Referenzwert, und zum Ermitteln des Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolytmembran (2, 2a) anhand des ermittelten Vergleichswertes gekennzeichnet durch eine mit dem Controller (6) in Signalverbindung stehende Bilderfassungseinheit (3) zum Ermitteln der Ist-Länge (L2) und/oder der Referenz-Länge (L1) des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (1) und eine mit dem Controller (6) in Signalverbindung stehende Kraftmesseinheit (5) zum Messen einer Haltekraft für das druckbeaufschlagte Halten des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (1) in der Halteeinheit (4).
3. Brennstoffzellensystem (30), aufweisend wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (1) mit einem Anodenabschnitt (7) und einem Kathodenabschnitt (8), eine Anodenzuführleitung (9) zum Zuführen eines Anodenfluids zum Anodenabschnitt (7), eine Kathodenzuführleitung (10) zum Zuführen eines Kathodenfluids zum Kathodenabschnitt (8), und eine Feuchtigkeitsermittlungsvorrichtung (20a; 20b) nach Anspruch 2.
4. Brennstoffzellensystem (30) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Anpassungsvorrichtung (11) zum Anpassen einer relativen Feuchte, eines Drucks und/oder einer Temperatur des Kathodenfluids zum Kathodenabschnitt (8) anhand des ermittelten Feuchtigkeitszustandes der wenigstens einen Elektrolytmembran (2, 2a).
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50382/2019A AT522539B1 (de) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran in einem Brennstoffzellensystem |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50382/2019A AT522539B1 (de) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran in einem Brennstoffzellensystem |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT522539A1 AT522539A1 (de) | 2020-11-15 |
| AT522539B1 true AT522539B1 (de) | 2021-04-15 |
Family
ID=73149528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA50382/2019A AT522539B1 (de) | 2019-04-26 | 2019-04-26 | Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran in einem Brennstoffzellensystem |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT522539B1 (de) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020106537A1 (en) * | 2000-05-23 | 2002-08-08 | Kazuo Saito | Fuel cell system and method of controlling the same |
| US20090117419A1 (en) * | 2005-11-07 | 2009-05-07 | Nec Corporation | Dry-state detecting method and electronic device system for fuel cell, and power control method therefor |
| US20170317365A1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-11-02 | Ford Global Technologies, Llc | Method for operating a fuel cell system |
-
2019
- 2019-04-26 AT ATA50382/2019A patent/AT522539B1/de active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020106537A1 (en) * | 2000-05-23 | 2002-08-08 | Kazuo Saito | Fuel cell system and method of controlling the same |
| US20090117419A1 (en) * | 2005-11-07 | 2009-05-07 | Nec Corporation | Dry-state detecting method and electronic device system for fuel cell, and power control method therefor |
| US20170317365A1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-11-02 | Ford Global Technologies, Llc | Method for operating a fuel cell system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT522539A1 (de) | 2020-11-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2784454B1 (de) | Wägezellendiagnostik | |
| EP1677070B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Durchbiegung eines Verbindungselements | |
| EP2707208B1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum kalibrieren und abgleichen einer messeinrichtung einer tablettenpresse | |
| DE60204568T2 (de) | Verfahren zur einstellung der bahn einer abkantpresse | |
| DE102018113429A1 (de) | Verfahren zur Kraftmessung an einem Geogitter | |
| WO2013174573A1 (de) | Dichtleistensystem | |
| WO2009071602A2 (de) | Sensornetzwerk und zustandsüberwachungvorrichtung für ein luftfahrzeug sowie zustandsüberwachungsverfahren | |
| AT522539B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran in einem Brennstoffzellensystem | |
| DE112017001022T5 (de) | Verfahren, system und computerprogrammprodukt für eine zustandsüberwachung eines durchgängigen elements, das sich in einer faserstoffbahn- oder papierveredelungsmaschine bewegt | |
| DE3007452A1 (de) | Verfahren zur steuerung oder regelung des auf eine materialbahn ausgeuebten druckes im walzenspalt eines walzwerkes, insbesondere eines kalanders, und walzwerk mit einer vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens | |
| DE3141767A1 (de) | Kraftwandler | |
| DE102014013197A1 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Bewertung des Zustands des Wasserhaushalts | |
| DE102010018417B4 (de) | Verfahren zum Herstellen von stapelförmigen Bauteilen | |
| DE19931227C2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung und/oder Kalibrierung eines Differenzdruckmeßsystems | |
| DE102007041977B4 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Pressen blattartiger Materialstapel beim Beschneiden in einer Schneidemaschine | |
| CH693826A5 (de) | Vorrichtung an Kettenwirkmaschinen zum Positionieren eines Fadenfuehrers. | |
| DE112011102502B4 (de) | Anordnung, Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Klingendrucks | |
| DE202009005394U1 (de) | Fliess-Schneider mit Vorrichtung zur Messung der Schnittkräfte beim Schneiden von Papier, Pappe o.dgl. | |
| DE60223491T2 (de) | Verfahren und System zur Steuerung der Papierformation | |
| DE10043142A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines stoffdichtegeregelten Stoffauflaufs | |
| DE102022104103B3 (de) | Verfahren zum Betreiben eines mindestens ein Farbwerk einer Bogendruckmaschine regelnden Farbreglers | |
| WO1998025117A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur prüfung der standfestigkeit von stehend verankerten masten | |
| DE102023111645B3 (de) | Prüfvorrichtung für die Deformation einer Batteriezelle und Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls mit mehreren geprüften Batteriezellen | |
| DE102018201520A1 (de) | Sensoreinrichtung zum Erfassen eines elektrisch leitfähigen Mediums und Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinrichtung | |
| DE102012109662A1 (de) | Kraftmesseinrichtung |