DE102013021627A1 - Method for determining humidity of polymer electrolyte membrane of fuel cell for vehicle e.g. motor car, involves determining humidity of membrane based on the change of pressure in fuel cell with respect to time - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Feuchte einer Membran, welche einen Anodenraum von einem Kathodenraum einer Brennstoffzelle trennt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Feuchte einer Membran und ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a method for determining a moisture content of a membrane which separates an anode space from a cathode space of a fuel cell. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system, a device for determining a humidity of a membrane and a vehicle with such a device.
Bei Brennstoffzellen mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran ist eine gewisse Befeuchtung der Membran vorzusehen, um eine möglichst gute Funktion der Brennstoffzelle sicherzustellen.In the case of fuel cells with a polymer electrolyte membrane, a certain moistening of the membrane is to be provided in order to ensure the best possible function of the fuel cell.
Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sogenanntes Flow Field oder Strömungsfeld. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (zum Beispiel 2H2 + O2 → 2H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht beziehungsweise Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist.The basic structure of a polymer electrolyte membrane fuel cell - PEMFC for short - is as follows. The PEMFC contains a membrane-electrode assembly - MEA short, which is composed of an anode, a cathode and a polymer electrolyte membrane arranged between them (also ionomer membrane) - PEM - constructed. In turn, the MEA is interposed between two separator plates, with one separator plate having fuel distribution channels and the other separator plate having channels for the distribution of oxidant and the channels facing the MEA. The channels form a channel structure, a so-called flow field or flow field. The electrodes, anode and cathode, are generally designed as gas diffusion electrodes - in short GDE. These have the function of dissipating the electricity generated in the electrochemical reaction (for example 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) and allowing the reactants, starting materials and products to diffuse through. A GDE consists of at least one gas diffusion layer or gas diffusion layer (GDL for short) and a catalyst layer which faces the PEM and at which the electrochemical reaction takes place. The GDE may also have a gas distribution layer, which adjoins the gas diffusion layer and which faces in the PEMFC a Separatorplatte.
Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich vor allem in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion beziehungsweise Verteilung).Gas diffusion layer and gas distribution layer differ mainly in their pore sizes and thus in the nature of the transport mechanism for a reactant (diffusion or distribution).
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden zum Teil Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.Such a fuel cell can produce high power electrical power at relatively low operating temperatures. Real fuel cells are usually stacked into so-called fuel cell stacks - stacks - to achieve a high power output, instead of the monopolar separator plates bipolar separator plates, so-called bipolar plates are used and form monopolar separator plates only the two terminal terminations of the stack. They are sometimes called end plates and can be structurally different from the bipolar plates.
Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bezüglich einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht zum Beispiel bei geprägten metallischen Teilplatten die zur oben genannten Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum beziehungsweise das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.The bipolar plates are generally composed of two partial plates. These sub-plates have substantially complementary and with respect to a mirror plane mirror-image forms. However, the partial plates do not necessarily have to be mirror images. It is only important that they have at least one common contact surface to which they can be connected. The partial plates have an uneven topography. As a result, the channel structures already mentioned above arise at the surfaces of the partial plates that point away from each other. For example, in the case of embossed metallic partial plates, the channel structure complementary to the above-mentioned channel structure exists on the surfaces of the partial plates facing one another. When the two sub-panels are placed on top of each other, a cavity, which consists of a system of several interconnected tunnels, thus arises between the sub-panels, on their mutually facing surfaces. The cavity or the system of the tunnel is liquid-tight surrounded by a substantially peripheral part of the plates in the edge region joining, with openings for coolant supply and removal are provided so that the cavity for the distribution of a coolant can be used.
Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; Die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.Thus, one of the tasks of a bipolar plate is: the distribution of oxidizing agent and reducing agent; the distribution of coolant and thus the cooling (better tempering) of the fuel cell; The fluidic separation of the individual cells of a stack from each other; Furthermore, the electrical contacting of the series-connected individual cells of a stack and thus the passage of the electric current generated by the individual cells.
Die Befeuchtung der Membran erfolgt in der Regel über die der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgase. Jedoch bereitet es in einem Brennstoffzellensystem mit Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen Schwierigkeiten, die Feuchte der Membran zu bestimmen. Die Feuchte direkt messende Sensoren sind aufwändig und erlauben dennoch nicht immer verlässliche Aussagen zur Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems. So lassen beispielsweise Taupunktsensoren, welche an gasführenden Leitungen stromaufwärts und stromabwärts des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, es nicht zu, zuverlässigen Aussagen über die Feuchtigkeit im Innenraum des Brennstoffzellenstapels zu machen.The moistening of the membrane is generally carried out via the fuel cell supplied reaction gases. However, in a fuel cell system with polymer electrolyte membrane fuel cells, it is difficult to determine the humidity of the membrane. The moisture directly measuring sensors are complex and still do not always allow reliable information about moisture in a fuel cell stack of the fuel cell system. For example, dew point sensors located on gas-carrying lines upstream and downstream of the fuel cell stack do not allow to make reliable statements about the humidity in the interior of the fuel cell stack.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein besonders einfaches und zuverlässiges Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen. Object of the present invention is therefore to provide a particularly simple and reliable method and apparatus of the type mentioned, a vehicle with such a device and a method for operating a fuel cell system.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1, a method having the features of patent claim 7, a device having the features of patent claim 9 and a vehicle having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Veränderung eines in der Brennstoffzelle herrschenden Drucks über die Zeit erfasst. Abhängig von der Veränderung des Drucks über die Zeit wird die Feuchte der Membran bestimmt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Membran, wie sie als Polymer-Elektrolyt-Membran in einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommt, Wasser aufnehmen und dadurch anschwellen kann. Folglich erhöht sich mit zunehmender Wasseraufnahme eine Dicke der Membran. Die vom Wassergehalt der Membran abhängige Dicke hat einen entscheidenden Einfluss darauf, wie schnell sich der in dem Anodenraum oder dem Kathodenraum der Brennstoffzelle herrschende Druck ändern kann. Das im Anodenraum oder Kathodenraum vorliegende Medium kann nämlich durch die Membran diffundieren. Je höher jedoch der Wassergehalt oder die Feuchte der Membran ist, desto dicker ist sie und desto schlechter diffundieren Gase durch die Membran hindurch.In the method according to the invention, a change in a pressure prevailing in the fuel cell is detected over time. Depending on the change in pressure over time, the humidity of the membrane is determined. This is based on the finding that a membrane, such as is used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, can absorb water and thereby swell. Consequently, as the water absorption increases, a thickness of the membrane increases. The thickness, which depends on the water content of the membrane, has a decisive influence on how fast the pressure prevailing in the anode space or the cathode space of the fuel cell can change. Namely, the medium present in the anode space or cathode space can diffuse through the membrane. However, the higher the water content or the moisture of the membrane, the thicker it is and the worse the gases will diffuse through the membrane.
Befindet sich also die Membran in einem gequollenen Zustand, in welchem sie eine besonders große Dicke aufweist, so ist eine andere Veränderung des Drucks über die Zeit feststellbar als bei trockener und somit dünner Membran. Bei feuchter Membran liegt also ein geringerer Druckgradient vor als bei trockener Membran. Indem der Zusammenhang zwischen dem Wassergehalt, der Dicke und der Barrierewirkung der Membran berücksichtigt wird, lässt sich die Feuchte der Membran besonders einfach und zuverlässig bestimmen. Da die Veränderung des in der Brennstoffzelle herrschenden Drucks mit einem einfachen und herkömmlichen Drucksensor erfasst werden kann, ist ein besonders simples und kostengünstiges Verfahren realisiert, welches eine zuverlässige Abschätzung des Feuchtehaushalts der Membran und somit der Brennstoffzelle zulässt.Thus, if the membrane is in a swollen state in which it has a particularly large thickness, then another change in the pressure over time can be detected than with a dry and thus thinner membrane. With a moist membrane there is thus a lower pressure gradient than with a dry membrane. By taking into account the relationship between the water content, the thickness and the barrier effect of the membrane, the moisture content of the membrane can be determined particularly easily and reliably. Since the change in the pressure prevailing in the fuel cell pressure can be detected with a simple and conventional pressure sensor, a particularly simple and inexpensive method is realized, which allows a reliable estimate of the moisture balance of the membrane and thus the fuel cell.
Auf eine komplizierte Messtechnik zum direkten Erfassen der Feuchte kann verzichtet werden. Die Kenntnis der Feuchte der Membran kann beim Betrieb eines die Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellensystems genutzt werden. Beispielsweise kann der Trocknungsgrad der Membran bestimmt werden. Wird festgestellt, dass die Membran zu feucht ist, so kann die Membran getrocknet werden. Auf diese Weise kann dafür gesorgt werden, dass bei einem Inbetriebnehmen des Brennstoffzellensystems nicht kondensierendes oder gefrorenes Wasser Probleme bereitet. Insbesondere zur Optimierung eines Gefrierstarts des Brennstoffzellensystems ist daher das Verfahren vorteilhaft einsetzbar. Jedoch kann auch bei zu trockener Membran diese gezielt vor dem Inbetriebnehmen des Brennstoffzellensystems befeuchtet werden.On a complicated measurement technique for the direct detection of moisture can be dispensed with. The knowledge of the humidity of the membrane can be used in the operation of a fuel cell system having the fuel cell. For example, the degree of dryness of the membrane can be determined. If it is found that the membrane is too moist, the membrane can be dried. In this way it can be ensured that when starting up the fuel cell system non-condensing or frozen water causes problems. In particular, for optimizing a freeze-start of the fuel cell system, therefore, the method is advantageously used. However, even if the membrane is too dry, it can be moistened specifically before the fuel cell system is put into operation.
Das zuverlässige Bestimmen der Feuchte der Membran wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer eines die Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapels aus. Auch kann bei Kenntnis der Feuchte der Membran die für einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems vorzusehende Zeitdauer besonders gering gehalten werden.The reliable determination of the humidity of the membrane has an advantageous effect on the service life of a fuel cell stack having the fuel cell. Even with knowledge of the humidity of the membrane, the time to be provided for a cold start of the fuel cell system can be kept particularly low.
Bevorzugt wird die Veränderung des im Anodenraum der Brennstoffzelle herrschenden Drucks über die Zeit erfasst. Der Anodenraum ist nämlich üblicherweise Teil eines geschlossenen Kreislaufs, in welchem der Brennstoff rezirkuliert wird. Es brauchen also bei einem üblichen Brennstoffzellensystem keine gesonderten Absperreinrichtungen vorgesehen zu werden, um den Anodenraum derart zu verschließen, dass sich der Druckabfall gut erfassen lässt. Zudem diffundiert der im Anodenraum vorliegende Brennstoff besonders leicht durch die Membran hindurch. Ein Druckabfall im Anodenraum der Brennstoffzelle ist daher besonders einfach zu erfassen.The change in the pressure prevailing in the anode compartment of the fuel cell is preferably detected over time. Namely, the anode compartment is usually part of a closed circuit in which the fuel is recirculated. Thus, in a conventional fuel cell system, no separate shut-off devices need to be provided in order to close off the anode space in such a way that the pressure drop can be detected well. In addition, the fuel present in the anode compartment diffuses particularly easily through the membrane. A pressure drop in the anode compartment of the fuel cell is therefore particularly easy to detect.
Besonders deutlich und somit besonders leicht erfassbar ist eine Veränderung des Drucks im Anodenraum der Brennstoffzelle, wenn der Brennstoff im Anodenraum zunächst mit Überdruck vorliegt, also mit einem Druck oberhalb des atmosphärischen Drucks.Particularly noticeable and therefore particularly easily detectable is a change in the pressure in the anode compartment of the fuel cell when the fuel is initially present in the anode compartment at overpressure, that is, at a pressure above the atmospheric pressure.
Entsprechend hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine den Brennstoff in den Anodenraum fördernde Pumpeinrichtung abgeschaltet wird und die Veränderung des Drucks im Anodenraum nach dem Abschalten der Pumpeinrichtung erfasst wird.Accordingly, it has been shown to be advantageous if a pump device which conveys the fuel into the anode compartment is switched off and the change in the pressure in the anode compartment is detected after the pump device has been switched off.
Ein Überdruck im Anodenraum lässt sich jedoch auch einstellen, indem zunächst ein Absperrelement geöffnet wird, welches ein Druckbehältnis verschließt, in welchem der Brennstoff bevorratet ist. Entsprechend kann eine Beaufschlagung des Anodenraums mit aus dem Druckbehältnis stammendem Brennstoff durch Schließen des Absperrelements unterbunden werden, wobei die Veränderung des Drucks im Anodenraum nach dem Schließen des Absperrelements erfasst wird. Bei einer solchen zeitgesteuerten oder gepulsten Betätigung des Absperrelements lässt sich der Druckabfall im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems und somit noch vor einem Herunterfahren wiederholt erfassen.However, an overpressure in the anode chamber can also be adjusted by first opening a shut-off element which closes a pressure container in which the fuel is stored. Accordingly, an admission of the anode chamber with fuel originating from the pressure vessel can be prevented by closing the shut-off element, wherein the change in the pressure in the anode chamber is detected after closing the shut-off element. With such a timed or pulsed actuation of the shutoff, the pressure drop can be normal Operation of the fuel cell system and thus repeatedly capture before a shutdown.
Eine besonders genaue Aussage über die Feuchte der Membran lässt sich treffen, wenn eine beim Beginn des Erfassens der Veränderung des Drucks in der Brennstoffzelle vorliegende Gaszusammensetzung beim Bestimmen der Feuchte der Membran berücksichtigt wird. Insbesondere die Konzentrationsunterschiede von im Anodenraum und Kathodenraum vorhandenen Gasen etwa von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasser haben nämlich einen Einfluss auf die Veränderung des Drucks mit der Zeit. Bevorzugt ist daher beim Beginn des Erfassens der Veränderung des Drucks die Gaszusammensetzung sowohl im Anodenraum als auch im Kathodenraum bekannt. Dann lässt sich nämlich eine besonders einfache Korrelation der Membrandicke als bestimmendem Faktor für den Druckgradienten und der Veränderung des Drucks über die Zeit für die Bestimmung der Feuchte nutzen.A particularly accurate statement about the humidity of the membrane can be made when a gas composition present at the beginning of detecting the change in pressure in the fuel cell is taken into account in determining the humidity of the membrane. In particular, the differences in concentration of existing in the anode compartment and cathode compartment gases such as hydrogen, oxygen, nitrogen and water namely have an impact on the change in pressure over time. Preferably, therefore, at the beginning of detecting the change in pressure, the gas composition is known both in the anode compartment and in the cathode compartment. In that case, it is possible to use a particularly simple correlation of the membrane thickness as a determining factor for the pressure gradient and the change in pressure over time for the determination of the moisture.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird die Feuchte der Membran zumindest einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt. Hierbei wird die Membran vor einem Inbetriebnehmen des Brennstoffzellensystems befeuchtet, falls eine Feuchte der Membran geringer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Es kann also bei zu trockener Membran gezielt dafür gesorgt werden, dass bei einem darauffolgenden Neustart oder Wiederstart des Brennstoffzellensystems die Feuchte der Membran einen Betrieb des Brennstoffzellensystems mit möglichst hohem Wirkungsgrad zulässt.In the method according to the invention for operating a fuel cell system, the humidity of the membrane of at least one fuel cell of the fuel cell system is determined by means of the method according to the invention. In this case, the membrane is moistened before starting up the fuel cell system, if a humidity of the membrane is less than a predetermined threshold. If the membrane is too dry, it can thus be specifically ensured that the humidity of the membrane permits operation of the fuel cell system with the highest possible degree of efficiency in the event of a subsequent restart or restart of the fuel cell system.
Des Weiteren kann die Membran nach einem Herunterfahren oder während eines Herunterfahrens des Brennstoffzellensystem mit einem trockenen Medium beaufschlagt werden, falls eine Feuchte der Membran größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorliegen. Dann sind nämlich zu feuchte Bedingungen in der Brennstoffzelle ungünstig, da durch gefrorenes Wasser die Beaufschlagung des Anodenraums und des Kathodenraums sowie der Katalysatoren mit dem Brennstoff beziehungsweise dem Oxidationsmittel erschwert sein kann. Daher ist es zur Vorbereitung eines darauffolgenden Kaltstarts oder Gefrierstarts vorteilhaft, eine zu feuchte Membran beim Herunterfahren gezielt zu trocknen.Furthermore, the membrane can be acted upon by a shutdown or during a shutdown of the fuel cell system with a dry medium, if a humidity of the membrane is greater than a predetermined threshold. This is particularly advantageous when temperatures are below freezing. In that case, too humid conditions in the fuel cell are unfavorable, because through frozen water the admission of the anode space and the cathode space as well as the catalysts with the fuel or the oxidizing agent can be made more difficult. Therefore, to prepare for a subsequent cold start or freeze start, it is advantageous to specifically dry a membrane that is too damp when it is shut down.
Als Medium zum Trocknen der Membran kann insbesondere Umgebungsluft eingesetzt werden, welche unter Umgehung eines Befeuchters in den Kathodenraum der Brennstoffzelle eingebracht wird. Zusätzlich oder alternativ kann eine Trocknung auf der Anodenseite der Brennstoffzelle stattfinden, indem frischer, trockener Wasserstoff in den Anodenraum der Brennstoffzelle eingebracht und zugleich in einem Wasserabscheider eines Anodenkreises gesammeltes Wasser abgelassen wird.In particular ambient air can be used as the medium for drying the membrane, which is introduced into the cathode space of the fuel cell while bypassing a humidifier. Additionally or alternatively, a drying on the anode side of the fuel cell take place by fresh, dry hydrogen introduced into the anode compartment of the fuel cell and at the same time in a water separator of an anode circuit collected water is discharged.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Feuchte einer Membran umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle, bei welcher die Membran einen Anodenraum von einem Kathodenraum der Brennstoffzelle trennt. Die Vorrichtung umfasst Mittel zum Erfassen einer Veränderung eines in der Brennstoffzelle herrschenden Drucks über die Zeit und eine Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, abhängig von der Veränderung des Drucks über die Zeit die Feuchte der Membran zu bestimmen.The device according to the invention for determining a moisture content of a membrane comprises at least one fuel cell, in which the membrane separates an anode space from a cathode space of the fuel cell. The device comprises means for detecting a change in the pressure prevailing in the fuel cell over time and an evaluation device. The evaluation device is designed to determine the humidity of the membrane over time, depending on the change in pressure.
Die Auswerteeinrichtung kann hierfür beispielsweise über eine Kommunikationsstrecke mit einem Drucksensor gekoppelt sein, welcher den Druck in der Brennstoffzelle, insbesondere den Druck im Anodenraum erfasst.For this purpose, the evaluation device can be coupled, for example, via a communication path with a pressure sensor, which detects the pressure in the fuel cell, in particular the pressure in the anode chamber.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung, wobei es sich bei dem Fahrzeug insbesondere um ein Kraftfahrzeug handeln kann.The invention also relates to a vehicle having such a device, wherein the vehicle may in particular be a motor vehicle.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Feuchte und für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und für das erfindungsgemäße Fahrzeug.The advantages and preferred embodiments described for the method according to the invention for determining the moisture and for the method according to the invention for operating a fuel cell system also apply to the device according to the invention and to the vehicle according to the invention.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention. Thus, embodiments are also included and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, however, emerge and can be produced by separated combinations of features from the embodiments explained.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. Showing:
Von einem Brennstoffzellensystem
Im Anodenkreis
Vorliegend wird in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Drucks im Anodenkreis
Hierbei nutzt man die Erkenntnis, dass die Membran
Aus jeweiligen Werten des im Anodenraum
Entsprechende Druckverläufe sind in einem in
In einem Zeitpunkt
Der Abfall des Drucks im Anodenraum
Dies lässt sich anhand einer Formel: veranschaulichen. Hierbei beschreibt der Term auf der linken Seite der Gleichung den Druckgradienten, welcher eine Funktion des Konzentrationsunterschieds ΔcH2 des Wasserstoffs, des Konzentrationsunterschieds ΔcN2 des Stickstoffs, des Konzentrationsunterschieds ΔcO2 des Sauerstoffs, des Konzentrationsunterschieds ΔCH2Og des gasförmig vorliegenden Wassers sowie der Dicke δM der Membran
Bei bekannter Gaszusammensetzung im Anodenraum
Eine weitere in
Sind für die unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems
Der Druckgradient kann jedoch auch bei einem gepulsten Beaufschlagen des Anodenraums
Ist anhand des Druckgradienten, welcher von den Partialdrücken der Gase im Anodenraum
Beispielsweise kann in Vorbereitung auf einen erneuten Start, also ein erneutes Inbetriebnehmen des Brennstoffzellensystems
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 1212
- Brennstoffzellefuel cell
- 1414
- Anodenraumanode chamber
- 1616
- Kathodenraumcathode space
- 1818
- Membranmembrane
- 2020
- Anodenkreisanode circuit
- 2222
- Pumpepump
- 2424
- Druckbehälterpressure vessel
- 2626
- Drucksensorpressure sensor
- 2828
- Drucksensorpressure sensor
- 3030
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 3232
- Graphgraph
- 3434
- KurveCurve
- 3636
- BereichArea
- 3838
- Ordinateordinate
- 4040
- Abszisseabscissa
- 4242
- Zeitpunkttime
- 4444
- BereichArea
- 4646
- KurveCurve
Claims (10)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE201310021627 DE102013021627A1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Method for determining humidity of polymer electrolyte membrane of fuel cell for vehicle e.g. motor car, involves determining humidity of membrane based on the change of pressure in fuel cell with respect to time |
Applications Claiming Priority (1)
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DE201310021627 DE102013021627A1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Method for determining humidity of polymer electrolyte membrane of fuel cell for vehicle e.g. motor car, involves determining humidity of membrane based on the change of pressure in fuel cell with respect to time |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=50821519
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DE (1) | DE102013021627A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016120574A1 (en) | 2016-10-27 | 2018-05-03 | Audi Ag | System and method for determining the moisture content of a swellable membrane |
WO2023169749A3 (en) * | 2022-03-10 | 2023-11-09 | Robert Bosch Gmbh | Method of operating an electrolyser for production of hydrogen and oxygen |
-
2013
- 2013-12-18 DE DE201310021627 patent/DE102013021627A1/en not_active Withdrawn
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---|---|---|---|---|
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