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

The method involves detecting the change of prevailing pressure in a fuel cell (12) with respect to time. The humidity of a polymer electrolyte membrane (18) which separates an anode chamber (14) from a cathode chamber (16) of the fuel cell is determined based on the change of pressure in the fuel cell over time. The change in prevailing pressure in the anode chamber of the fuel cell with respect to time is detected. Independent claims are included for the following: (1) a method for operating a fuel cell system; (2) a device for determining humidity of polymer electrolyte membrane; and (3) a vehicle.

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 patent claim 10. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

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:

1 schematisiert ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, bei welchem die Feuchte einer Membran anhand des Druckabfalls im Anodenraum bestimmt wird; und 1 schematizes a fuel cell system of a vehicle, in which the humidity of a Membrane is determined by the pressure drop in the anode compartment; and

2 einen Graphen, welcher den Druckabfall im Anodenraum veranschaulicht. 2 a graph illustrating the pressure drop in the anode compartment.

Von einem Brennstoffzellensystem 10 für ein Fahrzeug ist ein Brennstoffzellenstapel gezeigt, welcher eine Vielzahl von Brennstoffzellen 12 umfasst. In jeder der Brennstoffzellen 12 ist ein Anodenraum 14 von einem Kathodenraum 16 durch eine Membran 18 getrennt. Die Membran 18 ist als Polymer-Elektrolyt-Membran ausgebildet. Der Anodenraum 14 ist in einen geschlossenen Anodenkreis 20 eingebunden, über welchen das den Anodenraum 14 verlassende Wasserstoffgas, also der Brennstoff, rezirkuliert wird. Hierfür ist im Anodenkreis 20 eine Pumpe 22 vorgesehen. Der im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 durch den Anodenkreis 20 strömende Wasserstoff stammt aus einem Druckbehälter 24. Die übrigen, üblichen Komponenten des Brennstoffzellensystem 10, etwa Komponenten zum Befeuchten der Reaktanden und Einrichtungen zum Beaufschlagen des Kathodenraums 16 der Brennstoffzelle 12 mit Luft als Oxidationsmittel sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.From a fuel cell system 10 for a vehicle, a fuel cell stack is shown which includes a plurality of fuel cells 12 includes. In each of the fuel cells 12 is an anode room 14 from a cathode compartment 16 through a membrane 18 separated. The membrane 18 is designed as a polymer electrolyte membrane. The anode compartment 14 is in a closed anode circuit 20 integrated, over which the anode space 14 leaving hydrogen gas, so the fuel is recirculated. This is in the anode circuit 20 a pump 22 intended. The in operation of the fuel cell system 10 through the anode circuit 20 flowing hydrogen comes from a pressure vessel 24 , The remaining, usual components of the fuel cell system 10 For example, components for moistening the reactants and devices for applying the cathode space 16 the fuel cell 12 with air as the oxidant are not shown for clarity.

Im Anodenkreis 20 ist ein Drucksensor 26 angeordnet. Dieser Drucksensor 26 erfasst den im Anodenkreis 20 und somit auch im Anodenraum 14 herrschenden Druck. Über einen weiteren Drucksensor 28 lässt sich der im Kathodenraum 16 herrschende Druck erfassen.In the anode circuit 20 is a pressure sensor 26 arranged. This pressure sensor 26 recorded in the anode circuit 20 and thus also in the anode compartment 14 prevailing pressure. About another pressure sensor 28 can be in the cathode compartment 16 capture prevailing pressure.

Vorliegend wird in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Drucks im Anodenkreis 20, also anhand der Veränderung des mit dem Drucksensor 26 erfassten Drucks über die Zeit, die Feuchte der Membran 18 bestimmt.In the present case, depending on the time course of the pressure in the anode circuit 20 , So based on the change of the pressure sensor 26 detected pressure over time, the humidity of the membrane 18 certainly.

Hierbei nutzt man die Erkenntnis, dass die Membran 18 je nach Wassergehalt unterschiedlich durchlässig für Wasserstoff und andere Gase ist. Bei hohem Wassergehalt der Membran 18 liegt diese nämlich in einem gequollenen Zustand vor, welcher mit einer erhöhten Dicke einhergeht. Je feuchter und dicker also die Membran 18 ist, desto schlechter diffundiert beispielsweise der Wasserstoff durch diese hindurch.Here one uses the knowledge that the membrane 18 depending on the water content is different permeable to hydrogen and other gases. At high water content of the membrane 18 this is namely in a swollen state, which is associated with an increased thickness. The moister and thicker the membrane 18 For example, the poorer the hydrogen diffuses through it.

Aus jeweiligen Werten des im Anodenraum 14 vorliegenden und mittels des Drucksensors 26 erfassten Drucks kann entsprechend ein Druckgradient bestimmt werden, welcher Rückschlüsse auf die Feuchte der Membran 18 zulässt. Um dies zu bewerkstelligen, ist der Drucksensor 26 mit einer Auswerteeinrichtung 30 gekoppelt. Diese erfasst die Veränderung der im Anodenraum 14 und Kathodenraum 16 herrschenden Drücke als Funktion der Zeit.From respective values of the anode compartment 14 present and by means of the pressure sensor 26 detected pressure can be determined according to a pressure gradient, which conclusions about the humidity of the membrane 18 allows. To accomplish this, the pressure sensor is 26 with an evaluation device 30 coupled. This detects the change in the anode space 14 and cathode compartment 16 prevailing pressures as a function of time.

Entsprechende Druckverläufe sind in einem in 2 gezeigten Graphen 32 dargestellt. Zunächst wird das Brennstoffzellensystem 10 derart betrieben, dass sich im Normalbetrieb im Anodenraum 14 ein im Wesentlichen konstanter Druck einstellt. Entsprechend weist eine Kurve 34, welche im Graphen 32 den zeitlichen Verlauf des Drucks im Anodenraum 14 darstellt, einen ersten Bereich 36 auf, in welchem der Druck im Wesentlichen konstant ist. Der Druck ist auf einer Ordinate 38 des Graphen 32 aufgetragen und die Zeit auf einer Abszisse 40.Corresponding pressure gradients are in an in 2 shown graphs 32 shown. First, the fuel cell system 10 so operated that in normal operation in the anode compartment 14 sets a substantially constant pressure. Accordingly, a curve 34 which in the graph 32 the time course of the pressure in the anode compartment 14 represents a first area 36 in which the pressure is substantially constant. The pressure is on an ordinate 38 of the graph 32 plotted and the time on an abscissa 40 ,

In einem Zeitpunkt 42 wird ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 10 eingeleitet. Entsprechend fördert die Pumpe 22 keinen Wasserstoff mehr durch den Anodenkreis 20. Der Wasserstoff beginnt, zunächst sehr rasch und dann zunehmend langsamer durch die Membran 18 zu diffundieren. Ein entsprechender Druckabfall ist in einem weiteren Bereich 44 der Kurve 34 ersichtlich.At a time 42 will shut down the fuel cell system 10 initiated. Accordingly, the pump promotes 22 no more hydrogen through the anode circuit 20 , The hydrogen begins, at first very rapidly and then progressively slower through the membrane 18 to diffuse. A corresponding pressure drop is in another area 44 the curve 34 seen.

Der Abfall des Drucks im Anodenraum 14 kann mit Hilfe eines Druckgradienten beschrieben werden. Dieser im Bereich 44 der Kurve 34 grafisch veranschaulichte Druckgradient ist abhängig vom Konzentrationsunterschied der Gase, welche im Anodenraum 14 und im Kathodenraum 16 vorliegen und von der Dicke der Membran 18.The drop in pressure in the anode compartment 14 can be described by means of a pressure gradient. This in the field 44 the curve 34 Graphically illustrated pressure gradient is dependent on the concentration difference of the gases, which in the anode compartment 14 and in the cathode compartment 16 and the thickness of the membrane 18 ,

Dies lässt sich anhand einer Formel:

Figure DE102013021627A1_0002
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 18 ist.This can be explained by a formula:
Figure DE102013021627A1_0002
illustrate. Here, the term on the left side of the equation describes the pressure gradient which is a function of the concentration difference ΔcH 2 of the hydrogen, the concentration difference ΔcN 2 of the nitrogen, the concentration difference ΔcO 2 of the oxygen, the concentration difference ΔCH 2 O g of the gaseous water and the thickness δ M of the membrane 18 is.

Bei bekannter Gaszusammensetzung im Anodenraum 14 und im Kathodenraum 16 zum Zeitpunkt 42 ist die Dicke der Membran 18 der bestimmende Faktor für den Druckgradienten, welcher sich im Anodenraum 14 einstellt. Durch Erfassen des sich nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 10 und dem Beenden der Rezirkulation im Anodenkreis 20 ändernden Drucks im Anodenraum 14 können so einfach und präzise Aussagen über die Feuchte der Membran 18 getroffen werden. Die Druckänderung ist nämlich abhängig von der Membrandicke, und diese wiederum vom Wassergehalt der Membran 18.With known gas composition in the anode compartment 14 and in the cathode compartment 16 at the time 42 is the thickness of the membrane 18 the determining factor for the pressure gradient, which is in the anode compartment 14 established. By detecting the itself after switching off the fuel cell system 10 and stopping the recirculation in the anode circuit 20 changing pressure in the anode compartment 14 So easy and precise statements about the humidity of the membrane 18 to be hit. The pressure change is dependent on the membrane thickness, and this in turn on the water content of the membrane 18 ,

Eine weitere in 2 gezeigte Kurve 46 veranschaulicht den im Kathodenraum 16 vorliegenden Druck. Dieser ist im Wesentlichen konstant, da sich im Kathodenraum 16 unmittelbar nach Abschalten eines üblicherweise zum Verdichten der Luft verwendeten Kompressors der Umgebungsdruck einstellt. Aufgrund der raschen Diffusion des Wasserstoffs durch die Membran 18, welche schneller erfolgt als die Diffusion von Sauerstoff in den Anodenraum 14, stellt sich im Anodenraum 14 kurzzeitig ein Druck unterhalb des im Kathodenraum 16 vorliegenden Drucks ein (vgl. 2).Another in 2 shown curve 46 illustrates the in the cathode compartment 16 present pressure. This is essentially constant since in the cathode compartment 16 set immediately after switching off a compressor commonly used for compressing the air compressor, the ambient pressure. Due to the rapid diffusion of hydrogen through the membrane 18 , which is faster than the diffusion of oxygen into the anode compartment 14 , turns in the anode compartment 14 briefly a pressure below that in the cathode compartment 16 present pressure (see. 2 ).

Sind für die unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 10 die jeweiligen Gaszusammensetzungen im Anodenraum 14 und Kathodenraum 16 bekannt, so kann einfach, kostengünstig und zuverlässig anhand des Druckgradienten auf die Feuchte beziehungsweise den Wassergehalt der Membran 18 geschlossen werden. Eine solche Bestimmung der Feuchte der Membran 18 bietet sich insbesondere an, wenn das Brennstoffzellensystem 10 heruntergefahren wird, also beim sogenannten Shutdown des Brennstoffzellensystem 10.Are for the different operating conditions of the fuel cell system 10 the respective gas compositions in the anode compartment 14 and cathode compartment 16 known, it can be simple, inexpensive and reliable on the basis of the pressure gradient on the moisture or the water content of the membrane 18 getting closed. Such a determination of the humidity of the membrane 18 is particularly suitable if the fuel cell system 10 shut down, so in the so-called shutdown of the fuel cell system 10 ,

Der Druckgradient kann jedoch auch bei einem gepulsten Beaufschlagen des Anodenraums 14 mit Wasserstoff erfasst werden. Bei einem solchen gepulsten Anodenbetrieb wird ein den Druckbehälter 24 verschließendes Ventil kurzzeitig geöffnet. Folglich stellt sich im Anodenraum 14 ein erhöhter Druck ein, der dann bis zum erneuten Öffnen des Ventils wieder abnimmt. Der stationäre Zustand, in welchem der Wasserstoff im Anodenkreis 20 nicht mehr rezirkuliert wird, stellt sich also üblicherweise beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 und beim pulsartigen Anodenbetrieb ein. Die Feuchte der Membran 18 kann jedoch auch im Ruhezustand des Brennstoffzellensystems 10, also in einem sogenannten Stand-By-Modus erfasst werden, in welchem die Pumpe 22 nicht betrieben und das den Druckbehälter 24 verschließende Ventil nicht erneut geöffnet wird.However, the pressure gradient can also be at a pulsed loading of the anode compartment 14 be detected with hydrogen. In such a pulsed anode operation becomes a pressure vessel 24 closing valve briefly open. Consequently, in the anode space arises 14 an increased pressure, which then decreases again until the valve opens again. The stationary state in which the hydrogen in the anode circuit 20 is no longer recirculated, so usually turns off when switching off the fuel cell system 10 and in pulsed anode operation. The humidity of the membrane 18 However, it can also be in the idle state of the fuel cell system 10 , So be detected in a so-called stand-by mode, in which the pump 22 not operated and that the pressure vessel 24 closing valve is not reopened.

Ist anhand des Druckgradienten, welcher von den Partialdrücken der Gase im Anodenraum 14 und Kathodenraum 16 sowie der Dicke der Membran 18 abhängig ist, die Feuchte der Membran 18 bestimmt, so kann diese Information für den weiteren Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 genutzt werden.Is based on the pressure gradient, which of the partial pressures of the gases in the anode compartment 14 and cathode compartment 16 and the thickness of the membrane 18 depends, the humidity of the membrane 18 determines, so this information for the further operation of the fuel cell system 10 be used.

Beispielsweise kann in Vorbereitung auf einen erneuten Start, also ein erneutes Inbetriebnehmen des Brennstoffzellensystems 10, bei zu trockener Membran 18 diese gezielt befeuchtet werden. Bei zu feuchter Membran 18 kann nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 eine gezielte Trocknung erfolgen, etwa durch ein Durchspülen mit frischem Wasserstoff und/oder durch Beaufschlagen des Kathodenraums 16 mit an einem Befeuchter des Brennstoffzellensystems 10 vorbeigeleiteter, also nicht befeuchteter Luft.For example, in preparation for a restart, so a re-commissioning of the fuel cell system 10 , if the membrane is too dry 18 These are specifically moistened. If the membrane is too moist 18 can after switching off the fuel cell system 10 a targeted drying done, such as by flushing with fresh hydrogen and / or by applying the cathode compartment 16 with at a humidifier of the fuel cell system 10 bypassed, so not humidified air.

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)

Verfahren zum Bestimmen einer Feuchte einer Membran (18), welche einen Anodenraum (14) von einem Kathodenraum (16) einer Brennstoffzelle (12) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung eines in der Brennstoffzelle (12) herrschenden Drucks über die Zeit erfasst wird und abhängig von der Veränderung des Drucks über die Zeit die Feuchte der Membran (18) bestimmt wird.Method for determining a humidity of a membrane ( 18 ) containing an anode space ( 14 ) from a cathode compartment ( 16 ) a fuel cell ( 12 ), characterized in that a change in one in the fuel cell ( 12 ) is detected over time and, depending on the change in pressure over time, the humidity of the membrane ( 18 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des im Anodenraum (14) der Brennstoffzelle (12) herrschenden Drucks über die Zeit erfasst wird.Method according to claim 1, characterized in that the change in the anode space ( 14 ) of the fuel cell ( 12 ) of prevailing pressure over time is detected. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoff in den Anodenraum (14) fördernde Pumpeinrichtung (22) abgeschaltet und die Veränderung des Drucks im Anodenraum (14) nach dem Abschalten der Pumpeinrichtung (22) erfasst wird.A method according to claim 2, characterized in that a fuel in the anode space ( 14 ) conveying pump device ( 22 ) and the change in pressure in the anode compartment ( 14 ) after switching off the pumping device ( 22 ) is detected. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beaufschlagung des Anodenraums (14) mit aus einem Druckbehältnis (24) stammendem Brennstoff durch Schließen eines Absperrelements unterbunden wird, wobei die Veränderung des Drucks im Anodenraum (14) nach dem Schließen des Absperrelements erfasst wird.A method according to claim 2 or 3, characterized in that an admission of the anode space ( 14 ) with a pressure vessel ( 24 ) is prevented by closing a shut-off element, wherein the change in the pressure in the anode compartment ( 14 ) is detected after closing the shutoff. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine beim Beginn des Erfassens der Veränderung des Drucks in der Brennstoffzelle (12) vorliegende Gaszusammensetzung beim Bestimmen der Feuchte der Membran (18) berücksichtigt wird. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that at the beginning of detecting the change in the pressure in the fuel cell ( 12 ) gas composition in determining the humidity of the membrane ( 18 ) is taken into account. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Drucks während eines Herunterfahrens eines die Brennstoffzelle (12) aufweisenden Brennstoffzellensystems (10) erfasst wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the change in pressure during a shutdown of a fuel cell ( 12 ) fuel cell system ( 10 ) is detected. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), bei welchem die Feuchte der Membran (18) zumindest einer Brennstoffzelle (12) des Brennstoffzellensystems (10) anhand eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bestimmt wird, wobei die Membran (18) vor einem Inbetriebnehmen des Brennstoffzellensystems (10) befeuchtet wird, falls eine Feuchte der Membran (18) geringer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.Method for operating a fuel cell system ( 10 ), in which the humidity of the membrane ( 18 ) at least one fuel cell ( 12 ) of the fuel cell system ( 10 ) is determined by a method according to any one of claims 1 to 6, wherein the membrane ( 18 ) before commissioning the fuel cell system ( 10 ) is humidified if a moisture of the membrane ( 18 ) is less than a predetermined threshold. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (18) nach einem Herunterfahren oder während eines Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems (10) mit einem trockenen Medium, insbesondere mit Umgebungsluft und/oder Wasserstoff, beaufschlagt wird, falls eine Feuchte der Membran (18) größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.Method according to claim 7, characterized in that the membrane ( 18 ) after a shutdown or during a shutdown of the fuel cell system ( 10 ) is acted upon with a dry medium, in particular with ambient air and / or hydrogen, if a moisture of the membrane ( 18 ) is greater than a predetermined threshold. Vorrichtung zum Bestimmen einer Feuchte einer Membran (18), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (12), bei welcher die Membran (18) einen Anodenraum (14) von einem Kathodenraum (16) der Brennstoffzelle (12) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel (26, 28) zum Erfassen einer Veränderung eines in der Brennstoffzelle (12) herrschenden Drucks über die Zeit und eine Auswerteeinrichtung (30) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, abhängig von der Veränderung des Drucks über die Zeit die Feuchte der Membran (18) zu bestimmen.Device for determining a humidity of a membrane ( 18 ), with at least one fuel cell ( 12 ), in which the membrane ( 18 ) an anode space ( 14 ) from a cathode compartment ( 16 ) of the fuel cell ( 12 ), characterized in that the device comprises means ( 26 . 28 ) for detecting a change in one in the fuel cell ( 12 ) prevailing pressure over time and an evaluation device ( 30 ), which is designed, depending on the change in pressure over time, the humidity of the membrane ( 18 ). Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung nach Anspruch 9.Vehicle, in particular motor vehicle, with a device according to claim 9.
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WO2023169749A3 (en) * 2022-03-10 2023-11-09 Robert Bosch Gmbh Method of operating an electrolyser for production of hydrogen and oxygen

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