DE102015210836A1 - A diagnostic method for determining a condition of a fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels (10), der eine Mehrzahl von Einzelzellen (11) aufweist, jeweils umfassend eine in einem ersten Elektrodenraum (12) angeordnete erste katalytische Elektrode und eine in einem zweiten Elektrodenraum (13) angeordnete zweite katalytische Elektrode, die durch eine ionenleitfähige Membran (14) voneinander getrennt sind. Es ist vorgesehen, dass die Zustandsermittlung eine Ermittlung eines diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms von molekularem Wasserstoff durch die Membran (14) oder einer hierzu äquivalenten Größe umfasst.The invention relates to diagnostic methods for determining a state of a fuel cell stack (10) having a plurality of individual cells (11), each comprising a first catalytic electrode arranged in a first electrode space (12) and a second catalytic one arranged in a second electrode space (13) Electrode, which are separated by an ion-conductive membrane (14). It is provided that the determination of the state comprises a determination of a diffusion and / or permeation-driven stream of molecular hydrogen through the membrane (14) or a variable equivalent thereto.
Description
Die Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels, der eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweist, wobei jede Einzelzelle jeweils eine in einem ersten Elektrodenraum angeordnete erste katalytische Elektrode und eine in einem zweiten Elektrodenraum angeordnete zweite katalytische Elektrode umfasst sowie eine ionenleitfähige Membran, welche die beiden Elektrodenräume voneinander trennt. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen.The invention relates to a diagnostic method for determining a state of a fuel cell stack which has a plurality of individual cells, each individual cell each comprising a first catalytic electrode arranged in a first electrode space and a second catalytic electrode arranged in a second electrode space, and an ionically conductive membrane containing the separates two electrode spaces from each other. The invention further relates to a configured for carrying out the method fuel cell system and a vehicle with such.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist auf einem elektrisch leitfähigen kohlenstoffbasierten Material geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten. In der Regel wird ein Brennstoffzellenstapel (stack) durch eine Vielzahl in Reihe angeordneter Brennstoffzellen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA) for membrane electrode assembly, which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter usually comprise precious metals supported on an electrically conductive carbon-based material, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. Between the individual membrane electrode assemblies bipolar plates (also called flow field plates) are usually arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants, and usually also serve the cooling. In addition, the bipolar plates provide for an electrically conductive contact between the membrane-electrode units. As a rule, a fuel cell stack is formed by a plurality of series-arranged fuel cells whose electrical powers add up.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu 2O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side flux field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air), so that a reduction of O 2 to 2O 2- taking the electrons takes place. At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water.
Brennstoffzellen unterliegen im Laufe ihres Betriebslebens einer zunehmenden Alterung. Diese betrifft einerseits die katalytischen Elektroden infolge einer Agglomeration oder eines Verlusts des katalytischen Materials (zumeist Platin) sowie einer Korrosion des Kohlenstoff basierten Katalysatorträgers. Sämtliche dieser Degradationserscheinungen führen zu einer Abnahme der aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA für electrochemical active surface area). Zudem unterliegen auch die Polymerelektrolytmembranen einer Alterung in Form von einer Materialverdünnung oder sogar-perforation. Auch kann die Protonenleitfähigkeit der Membran und der in den katalytischen Elektroden vorhandenen Ionomere mit der Zeit abnehmen. Die Diagnose von Brennstoffzellen stellt eine Kernaufgabe für die Verbreitung von Brennstoffzellen dar. Während sich einzelne Zellen sehr gut diagnostizieren lassen, beispielsweise mittels Cyclovoltammetrie (CV), ist die Diagnose von Brennstoffzellenstapeln mit einer Vielzahl von Einzelzellen in Reihenschaltung erschwert. So regelt die Cyclovoltammetrie die Spannung und misst den Strom. Bei einer Reihenschaltung von Zellen lässt sich somit nicht die Spannung jeder einzelnen Zelle regeln. Weiterhin überlagern sich verschiedene Effekte, die zu unterschiedlichen Ursachen des gemessenen Stroms führen. Eine Lösung, um die einzelnen Phänomene differenziert zu betrachten und somit verschiedene Zustandsparameter von Elektroden und Membran gesondert zu erfassen, wäre wünschenswert. Fuel cells are subject to increasing aging during their lifetime. This relates on the one hand to the catalytic electrodes as a result of agglomeration or loss of the catalytic material (usually platinum) and corrosion of the carbon-based catalyst support. All of these degradation phenomena lead to a decrease in the active catalytic surface area (ECSA) for electrochemical active surface area. In addition, the polymer electrolyte membranes are also subject to aging in the form of material dilution or even perforation. Also, the proton conductivity of the membrane and the ionomers present in the catalytic electrodes may decrease over time. The diagnosis of fuel cells is a core task for the dissemination of fuel cells. While individual cells can be diagnosed very well, for example by cyclic voltammetry (CV), the diagnosis of fuel cell stacks with a large number of single cells connected in series is difficult. Cyclic voltammetry regulates the voltage and measures the current. In a series connection of cells can thus not regulate the voltage of each cell. Furthermore, different effects overlap, which lead to different causes of the measured current. A solution to consider the individual phenomena differentiated and thus separately detect different state parameters of electrodes and membrane, would be desirable.
Imanashi et al. (
Brightman et al. (
Die zuvor vorgestellten Diagnosemethoden zielen in erster Linie auf die Erfassung des Zustands der katalytischen Elektroden ab. Eine Betrachtung des Zustands der Membran erfolgt hierbei nicht. The diagnostic methods presented above are aimed primarily at detecting the state of the catalytic electrodes. A consideration of the condition of the membrane does not take place here.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das eine Beurteilung des Alterungszustands der Polymerelektrolytmembran einer Brennstoffzelle erlaubt. Das Verfahren soll insbesondere auch auf einen Brennstoffzellenstapel im verpressten Zustand anwendbar sein (in situ) und idealerweise auch im Rahmen einer Onboard-Diagnostik durchführbar sein. The invention is based on the object of proposing a method which allows an assessment of the aging state of the polymer electrolyte membrane of a fuel cell. In particular, the method should also be applicable to a fuel cell stack in the compressed state (in situ) and, ideally, also be feasible in the context of on-board diagnostics.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a method having the features of
Die Erfindung betrifft somit ein Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels, der eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweist. Jede Einzelzelle umfasst eine in einem ersten Elektrodenraum angeordnete erste katalytische Elektrode und eine in einem zweiten Elektrodenraum angeordnete zweite katalytische Elektrode sowie eine ionenleitfähige Membran, welche den ersten und den zweiten Elektrodenraum voneinander trennt. Erfindungsgemäß umfasst die Zustandsermittlung eine Ermittlung eines diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms von molekularem Wasserstoff durch die Membran oder einer zum Stoffstrom äquivalenten Größe.The invention thus relates to a diagnostic method for determining a condition of a fuel cell stack having a plurality of single cells. Each individual cell comprises a first catalytic electrode arranged in a first electrode space and a second catalytic electrode arranged in a second electrode space and an ion-conducting membrane which separates the first and the second electrode spaces from one another. According to the invention, the state determination comprises a determination of a diffusion-driven and / or permeation-driven stream of molecular hydrogen through the membrane or of an equivalent size to the stream.
Dabei wird im Rahmen der Erfindung unter einer zum Stoffstrom äquivalenten Größe eine solche Größe verstanden, welche eine Berechnung des Stoffstroms erlaubt, insbesondere sich proportional zum Stoffstrom verhält. In the context of the invention, a variable equivalent to the material flow is understood to mean a quantity which allows a calculation of the material flow, in particular, is proportional to the flow of material.
Es wurde herausgefunden, dass der Stoffstrom von Wasserstoff durch die Membran ein Zustandsparameter darstellt, der den Alterungszustand von Polymerelektrolytmembranen sehr gut beschreibt. Obwohl die Membran die Betriebsgase in den beiden Elektrodenräumen voneinander trennen soll, gelangt dennoch molekularer Wasserstoff durch die Membran, im Falle des Normalbetriebs der Brennstoffzelle von dem brennstoffseitigen Anodenraum in den luftseitigen Kathodenraum. Mit zunehmender Alterung der Membran nimmt der Stoffstrom über die Membran zu. Der Stoffstrom entsteht einerseits durch Diffusion infolge unterschiedlicher Partialdrücke (p*) zwischen Anoden- und Kathodenseite (p*An ≠ p*Kat). Da üblicherweise der Wasserstoffpartialdruck auf der Anodenseite größer ist, gelangt somit Wasserstoff infolge von Diffusion von der Anoden- zur Kathodenseite. Zusätzlich kann der Stoffstrom infolge von Permeation auftreten, das heißt bedingt durch eine Differenz des Absolutdrucks in den beiden Elektrodenräumen (pAn ≠ pKat). Sofern ein Permeationsstrom vorliegt, das heißt der Permeationsstrom ist ungleich Null, lässt sich auf sogenannten Lochfraß in der Membran schließen. It has been found that the flow of hydrogen through the membrane is a conditional parameter that very well describes the state of aging of polymer electrolyte membranes. Although the membrane is to separate the operating gases in the two electrode spaces from each other, yet molecular hydrogen passes through the membrane, in the case of normal operation of the fuel cell from the fuel-side anode compartment into the air-side cathode compartment. As the membrane ages, the flow of material across the membrane increases. On the one hand, the material flow is due to diffusion due to different partial pressures (p *) between the anode and cathode sides (p * An ≠ p * Kat ). Since usually the hydrogen partial pressure on the anode side is greater, thus hydrogen passes as a result of diffusion from the anode to the cathode side. In addition, the material flow can occur as a result of permeation, that is, due to a difference in the absolute pressure in the two electrode spaces (p An ≠ p cat ). If a permeation stream is present, ie the permeation flow is not equal to zero, it is possible to conclude what is known as pitting in the membrane.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens umfasst die Ermittlung des Stoffstroms von molekularem Wasserstoff die Erfassung eines elektrischen Pumpstroms, welcher erforderlich ist, um dem diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstrom von molekularem Wasserstoff durch die Membran entgegenzuwirken. Hier stellt somit der erfasste elektrische Pumpstrom die zum Stoffstrom äquivalente Größe dar. Der elektrische Pumpstrom korreliert unmittelbar mit der Größe des H2-Stoffstroms durch die Membran. Zudem lässt er sich über die in Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellenstapeln vorhandene elektrische Schaltung unmittelbar erfassen. In a preferred embodiment of the method, the determination of the molecular stream of molecular hydrogen comprises the detection of an electrical pumping current which is required to counteract the diffusion and / or permeation-driven stream of molecular hydrogen through the membrane. Here, therefore, the detected electrical pumping current represents the equivalent size to the material flow. The electrical pumping current correlates directly with the size of the H 2 -offowstream through the membrane. In addition, it can be detected directly via the electrical circuit present in fuel cells or fuel cell stacks.
Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Stoffstroms von Wasserstoff durch die Membran beziehungsweise des elektrischen Pumpstroms der erste Elektrodenraum mit Wasserstoff und der zweite Elektrodenraum mit einem Inertgas beaufschlagt oder liegt bereits betriebspunktbedingt in einem solchen Zustand vor. Unter diesen Bedingungen fungiert die zweite Elektrode als Arbeitselektrode und die erste Elektrode als Wasserstoffreferenzelektrode beziehungsweise Gegenelektrode. (Alle vorliegenden Spannungsangaben beziehen sich daher auf die Halbzellspannung gegenüber der Wasserstoffreferenzelektrode.) Dabei ist es zunächst unerheblich, ob es sich bei der als „erste Elektrode“ beziehungsweise „zweite Elektrode“ bezeichneten Elektrode um die Kathode oder Anode der Brennstoffzelle im Normalbetrieb handelt. In diesem Zustand wird dem Brennstoffzellenstapel ein Strom aufgeprägt, derart, dass die zweite katalytische Elektrode auf Anodenpotential geschaltet ist, sodass im zweiten Elektrodenraum vorliegender, zuvor molekular durch die Membran gewanderter Wasserstoff oxidiert wird und die entstehenden Protonen sodann zurück in den ersten Elektrodenraum wandern. Der hierfür erforderliche Pumpstrom wird gemessen. Auf diese Weise lässt sich in verfahrenstechnisch einfacher Weise der elektrische Pumpstrom ermitteln, welcher aufgewendet werden muss, um dem diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstrom von Wasserstoff durch die Membran entgegenzuwirken. Preferably, to determine the material flow of hydrogen through the membrane or the electric pumping current of the first electrode chamber with hydrogen and the second electrode chamber is acted upon with an inert gas or is already due to the operating point in such a state. Under these conditions, the second electrode acts as a working electrode and the first electrode as a hydrogen reference electrode or counter electrode. (All present voltage specifications therefore refer to the half-cell voltage with respect to the hydrogen reference electrode.) It is initially irrelevant whether the electrode referred to as "first electrode" or "second electrode" is the cathode or anode of the fuel cell in normal operation. In this state, a current is impressed on the fuel cell stack, such that the second catalytic electrode is switched to anode potential, so that in the second electrode space existing, molecularly previously migrated through the membrane hydrogen is oxidized and then the resulting protons migrate back into the first electrode space. The required pumping current is measured. In this way, the electric pumping current can be determined in a procedurally simple manner, which must be used to counteract the diffusion and / or permeation-driven flow of hydrogen through the membrane.
In bevorzugter Ausführung wird der Strom spannungs- oder stromgeführt aufgeprägt, derart, dass ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf (die Sollspannung) ein Spannungsmaximum durchläuft und der Strom zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums gemessen wird. Vorteil dieser Ausführung ist, dass zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums der Spannungsgradient dU/dt gleich Null ist und somit der kapazitive Strom, der zum Aufbau einer kapazitiven Doppelschicht an den Elektroden fließt, gleich Null ist. Somit wird der gemessene Strom nicht durch den kapazitiven Strom beeinflusst. Insbesondere wird jeweils der Strom erfasst, wenn individuelle Zellspannungen einzelner, jeweils eine oder mehrere Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels umfassende Diagnoseeinheiten ein Spannungsmaximum durchlaufen. Dabei kann eine Diagnoseeinheit jeweils eine oder mehrere Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels umfassen. Diese Vorgehensweise erlaubt eine Diagnose individueller Diagnoseeinheiten oder sogar Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels.In a preferred embodiment, the current is impressed voltage or current, such that a predetermined temporal voltage curve (the target voltage) passes through a voltage maximum and the current is measured at the time of the maximum voltage. The advantage of this design is that at the time of the voltage maximum, the voltage gradient dU / dt is equal to zero, and thus the capacitive current which flows at the electrodes to build up a capacitive double layer is equal to zero. Thus, the measured current is not affected by the capacitive current. In particular, the current is detected in each case when individual cell voltages of individual diagnostic units, each comprising one or more individual cells of the fuel cell stack, pass through a voltage maximum. In this case, a diagnostic unit in each case comprise one or more individual cells of the fuel cell stack. This approach allows diagnosis of individual diagnostic units or even single cells of the fuel cell stack.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die Aufprägung des Stroms derart, dass das Spannungsmaximum möglichst schnell, insbesondere spätestens nach 5 s, vorzugsweise spätestens nach 3,5 s und besonders bevorzugt spätestens nach 2 s nach Beginn der Stromaufprägung erreicht wird. Auf diese Weise wird die Messung besonders robust und präzise. Mit Beginn der Aufladung der Doppelschichten verändert sich nämlich der zunächst recht stationäre Konzentationsgradient und damit der H2-Stoffstrom. Da dieser und der zugehörige Rück-Pumpstrom für jede Zelle anders ein kann, die Zellen aber in Reihe geschaltet sind und daher der Gesamtstrom in jeder Zelle gleich ist, werden die Doppelschichten unterschiedlich schnell geladen, das heißt die Spannungen divergieren. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer der Anteil des Pumpstroms am aufgeprägten Gesamtstrom ist. Je langsamer also geladen wird, desto größer ist dieser Anteil, desto inhomogener verhält sich der Stapel und desto schwieriger wird es, die unten genannten Spannungsgrenzen einzuhalten. Durch das schnelle Erreichen des Spannungsmaximums wird der Anteil des Pumpstroms bis zu diesem Zeitpunkt gering gehalten.According to a further preferred embodiment of the invention, the impressing of the current takes place in such a way that the maximum voltage is reached as quickly as possible, in particular at the latest after 5 seconds, preferably at the latest after 3.5 seconds and particularly preferably after 2 seconds after the beginning of the current application. In this way the measurement becomes particularly robust and precise. With the start of the charging of the bilayers, the initially quite stationary concentration gradient and thus the H 2 material flow changes. Since this and the associated back pump current can be different for each cell, but the cells are connected in series and therefore the total current in each cell is the same, the bilayers are charged at different rates, that is, the voltages diverge. This effect is stronger, the greater the proportion of the pumping current on the impressed total current. The slower it is loaded, the larger this proportion, the more inhomogeneous the stack behaves and the harder it is to comply with the voltage limits mentioned below. By quickly reaching the maximum voltage, the proportion of pumping current is kept low until this time.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Strom spannungsgeführt aufgeprägt wird, derart, dass ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf zumindest zeitweise eine Halbzellspannung im Bereich von 0,4 bis 0,8 Volt, insbesondere von 0,4 bis 0,6 Volt, annimmt und der Strom in diesem Spannungsbereich gemessen wird. Durch Überschreiten der unteren Grenze von 0,4 Volt pro Zelle wird erreicht, dass an den Elektroden kein Adsorbat von Wasserstoff mehr vorliegt, sodass der gemessene Strom nicht durch den für die Wasserstoffoxidation des H-Adsorbats aufgewendete Strommenge verfälscht wird. Die Einhaltung der oberen Grenze der Halbzellenspannung von 0,8 Volt, insbesondere von 0,6 Volt, verhindert, dass es zu einer Oxidation des katalytischen Materials der Elektroden kommt und somit zu einer Degradation derselben.Furthermore, it is preferably provided that the current is impressed in a voltage-controlled manner such that a predetermined temporal voltage curve at least temporarily assumes a half-cell voltage in the range from 0.4 to 0.8 volts, in particular from 0.4 to 0.6 volts, and the current measured in this voltage range. Exceeding the lower limit of 0.4 volts per cell ensures that no adsorbate of hydrogen is present at the electrodes, so that the measured current is not distorted by the amount of electricity used for the hydrogen oxidation of the H adsorbate. Compliance with the upper limit of the half-cell voltage of 0.8 volts, in particular 0.6 volts, prevents oxidation of the catalytic material of the electrodes and thus degradation thereof.
Besonders bevorzugt werden die beiden zuvor genannten Maßnahmen kombiniert, das heißt, es wird ein Spannungsverlauf vorbestimmt, dessen Spannungsmaximum in einem Bereich von 0,4 bis 0,8 Volt, insbesondere von 0,4 bis 0,6 Volt, liegt, sodass die Strommessung zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums in diesem Spannungsbereich erfolgt. Durch die Kombination der beiden Maßnahmen wird somit einerseits die Erfassung des kapazitiven Stroms und andererseits die Erfassung des Adsorbatstroms unterdrückt. Somit setzt sich der gemessene Strom nur noch aus dem zu bestimmenden Pumpstrom und einer Überlagerung durch einen elektrischen Kurzschlussstrom durch die Membran zusammen. Particularly preferably, the two measures mentioned above are combined, that is, it is a voltage profile predetermined whose maximum voltage in a range of 0.4 to 0.8 volts, in particular from 0.4 to 0.6 volts, so that the current measurement at the time of the voltage maximum in this voltage range. As a result of the combination of the two measures, on the one hand the detection of the capacitive current and on the other hand the detection of the adsorbate current is suppressed. Thus, the measured current is composed only of the pumping current to be determined and an overlay by an electrical short-circuit current through the membrane.
In vielen Fällen ist der elektrische Kurzschlussstrom vernachlässigbar klein und muss nicht gesondert berücksichtigt werden. Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens sieht jedoch vor, dass die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung des elektrischen Kurzschlussstroms durch die Membran umfasst und der gemessene Strom um diesen Kurzschlussstrom korrigiert wird, um somit den gewünschten Pumpstrom zu erhalten. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Verfahrens in Bezug auf den Pumpstrom verbessert. Zudem wird das Diagnoseverfahren um die Ermittlung einer weiteren Kenngröße, nämlich den elektrischen Kurzschlussstrom ergänzt. In many cases, the electrical short-circuit current is negligibly small and need not be considered separately. A preferred embodiment of the method provides, however, that the state determination further comprises a determination of the electrical short-circuit current through the membrane and the measured current is corrected by this short-circuit current, so as to obtain the desired pumping current. In this way the accuracy of the method with respect to the pumping current is improved. In addition, the diagnostic method is supplemented by the determination of a further parameter, namely the electrical short-circuit current.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich als Offboard-Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise im Rahmen eines Werkstattintervalls erfolgen. In diesem Fall werden der erste und der zweite Elektrodenraum bevorzugt mit vorkonditionierten Gasen, das heißt Wasserstoff einerseits und Inertgas andererseits, kontinuierlich durchspült. Vorzugsweise werden hier Umgebungsparameter, beispielsweise Temperatur, Druck und Feuchtigkeit der Gase konstant gehalten. The method according to the invention can, of course, be carried out as an off-board method, for example as part of a workshop interval. In this case, the first and the second electrode space are preferably continuously purged with preconditioned gases, that is to say hydrogen on the one hand and inert gas on the other hand. Preferably, environmental parameters, such as temperature, pressure and humidity of the gases are kept constant here.
Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch als Onboard-Verfahren durchgeführt und der Pumpstrom während eines geeigneten Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels, insbesondere innerhalb eines Standby-Modus erfasst. Der Standby-Modus bietet sich zur Durchführung des Verfahrens an, da im Standby-Modus keine Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel erfolgt. Ferner wird im Standby-Modus üblicherweise die Luftzufuhr zur Kathode ausgeschaltet, während die Anodengasrezirkulation aufrechterhalten wird. Somit kommt es zu einem Verbrauch des Luftsauerstoffs an der Kathode, sodass schließlich an der Kathode im Wesentlichen Stickstoff als Inertgas vorliegt und an der Anode Wasserstoff. In diesem Fall wird zur Durchführung des Verfahrens die Anode als Wasserstoffreferenzelektrode betrieben und die eigentliche Kathode auf Anodenpotential geschaltet, sodass sie als Arbeitselektrode fungiert und den durch die Membran hindurchtretenden Wasserstoff oxidiert und die entstehenden Protonen durch die Membran zurück zur Anode wandern. Die Onboard-Diagnose ermöglicht eine engmaschige Überwachung des Brennstoffzellenstapels auch außerhalb von Werkstattaufenthalten. Preferably, however, the method is carried out as an on-board method and the pumping current is detected during a suitable operating mode of the fuel cell stack, in particular within a standby mode. The standby mode is ideal for carrying out the method, since in standby mode no power request is made to the fuel cell stack. Further, in standby mode, usually the air supply to the cathode is turned off while the anode gas recirculation is maintained. Thus, there is a consumption of atmospheric oxygen at the cathode, so that finally at the cathode substantially nitrogen is present as an inert gas and hydrogen at the anode. In this case, to carry out the method, the anode is operated as a hydrogen reference electrode and the actual cathode switched to anode potential, so that it acts as a working electrode and oxidized passing through the membrane hydrogen and migrate the resulting protons through the membrane back to the anode. Onboard diagnostics enable close monitoring of the fuel cell stack even outside of the workshop.
Grundsätzlich kann der diffusions- und/oder permeationsgetriebene Stoffstrom von molekularem Wasserstoff durch die Membran beziehungsweise der entsprechende elektrische Pumpstrom in beliebige Richtung erfasst werden. In bevorzugter Ausführung des Verfahrens entspricht der erste Elektrodenraum im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels dem mit Brennstoff versorgten Anodenraum und die darin angeordnete erste katalytische Elektrode der Anode, während der zweite Elektrodenraum im Normalbetrieb der mit Luft versorgte Kathodenraum ist und die darin angeordnete zweite katalytische Elektrode der Kathode entspricht. Auf diese Weise wird der vorteilhafte Nebeneffekt erreicht, dem im Betrieb der Brennstoffzelle unerwünschten Wasserstoffstrom durch die Membran, insbesondere im zuvor dargestellten Standby-Modus entgegenzuwirken. In principle, the diffusion and / or permeation-driven material flow of molecular hydrogen through the membrane or the corresponding electrical pumping current can be detected in any direction. In a preferred embodiment of the method, during normal operation of the fuel cell stack, the first electrode space corresponds to the anode space provided with the fuel and the first catalytic electrode of the anode arranged therein, while the second electrode space is the air-supplied cathode space during normal operation and the second catalytic electrode arranged therein corresponds to the cathode , In this way, the advantageous side effect is achieved to counteract the unwanted hydrogen flow through the membrane during operation of the fuel cell, in particular in the previously described standby mode.
Die Ermittlung des diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stofftransports von molekularem Wasserstoff durch die Membran kann für den gesamten Brennstoffzellenstapel erfolgen oder für individuelle Diagnoseeinheiten desselben, umfassend eine oder mehrere Einzelzellen. In letzterem Fall ist erforderlich, dass die Einzelzelle beziehungsweise die mehrere Einzelzellen umfassende Diagnoseeinheit jeweils über einen eigenen elektrischen Zellspannungsabgriff verfügt, der eine individuelle Messung der Spannung ermöglicht. Erfolgt die Ermittlung für den gesamten Brennstoffzellenstapel, das heißt über sämtliche Einzelzellen, wird der Stofftransport beziehungsweise der Pumpstrom als ein Mittelwert über sämtliche Zellen erfasst. The determination of the diffusion- and / or permeation-driven mass transport of molecular hydrogen through the membrane can be carried out for the entire fuel cell stack or for individual diagnostic units thereof, comprising one or more individual cells. In the latter case, it is necessary for the individual cell or the diagnostic unit comprising a plurality of individual cells each to have its own electrical cell voltage tap, which enables an individual measurement of the voltage. If the determination is made for the entire fuel cell stack, that is to say over all individual cells, the mass transport or pumping current is recorded as an average over all cells.
In vorteilhafter Ausführung des Verfahrens umfasst die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung einer Doppelschichtkapazität zumindest einer der katalytischen Elektroden, wobei die Doppelschichtkapazität in Abhängigkeit von dem ermittelten Stoffstrom beziehungsweise dem elektrischen Pumpstrom bestimmt wird. Verschiedene Verfahren zur Ermittlung der Doppelschichtkapazität sind bekannt. Jedoch war es bislang nicht möglich, in verpressten Brennstoffzellenstapeln den Stofftransport von Wasserstoff durch die Membran zu bestimmen und die erfasste Doppelschichtkapazität von den Effekten des Stofftransport zu bereinigen. In an advantageous embodiment of the method, the state determination further comprises a determination of a double-layer capacitance of at least one of the catalytic electrodes, wherein the double-layer capacitance is determined as a function of the determined material flow or the electrical pumping current. Various methods for determining the double-layer capacity are known. However, to date it has not been possible to determine the mass transfer of hydrogen through the membrane in compressed fuel cell stacks and to eliminate the detected double-layer capacity from the effects of mass transfer.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung einer aktiven Katalysatoroberfläche zumindest einer der katalytischen Elektroden, die in Abhängigkeit von dem ermittelten Stoffstrom beziehungsweise elektrischen Pumpstrom und der ermittelten Doppelschichtkapazität bestimmt wird. According to a further embodiment of the invention, the state determination further comprises a determination of an active catalyst surface of at least one of the catalytic electrodes, which is determined as a function of the determined material flow or electrical pumping current and the determined double-layer capacitance.
Die elektrische Doppelschichtkapazität sowie die aktive Katalysatoroberfläche erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand der katalytischen Elektroden, insbesondere auf eine Agglomeration oder einen Verlust des katalytischen Materials und/oder einer Degradation des Katalysatorträgermaterials. Auf Basis des erfindungsgemäß bestimmten Stoffstroms von molekularem Wasserstoff durch die Membran und gegebenenfalls der Erfassung des Kurzschlussstroms durch die Membran können somit die Doppelschichtkapazität sowie die aktive Katalysatoroberfläche der katalytischen Elektroden in einer Serie von zwei beziehungsweise drei aufeinander aufbauenden Testmessungen ermittelt werden. Optional kann die Zustandsermittlung ferner die Bestimmung der Protonenleitfähigkeit der Membran und gegebenenfalls von Ionen leitenden Polymeren innerhalb der Elektroden in einer gesonderten Messung umfassen. Die Erfassung der verschiedenen Zustandsgrößen wird in den Ausführungsbeispielen noch erläutert.The electrical double-layer capacitance and the active catalyst surface allow conclusions about the state of the catalytic electrodes, in particular on an agglomeration or a loss of the catalytic material and / or a degradation of the catalyst support material. On the basis of the inventively determined material flow of molecular hydrogen through the membrane and optionally the detection of the short-circuit current through the membrane thus the double-layer capacitance and the active catalyst surface of the catalytic electrodes can be determined in a series of two or three consecutive test measurements. Optionally, the state determination may further comprise determining the proton conductivity of the membrane and, optionally, ion-conducting polymers within the electrodes in a separate measurement. The detection of the various state variables will be explained in the embodiments.
Im Rahmen der Erfindung können für die Messungen, die zur Bestimmung des Pumpstroms, des elektrischen Kurzschlussstroms, der Doppelschichtkapazität und/oder der aktiven Katalysatoroberfläche erforderlich sind, die Bedingungen in dem ersten und zweiten Elektrodenraum gezielt eingestellt werden, um die gewünschten Messgrößen sichtbar zu machen. Insbesondere werden Druck, Temperatur, Gasstrom und/oder Gaszusammensetzung eingestellt. Dieses ist in der Offboard-Diagnose ohne Weiteres möglich. Im Falle der Durchführung als Onboard-Diagnose erfolgt diese Einstellung der Messbedingungen vorzugsweise in Abhängigkeit des Betriebspunkts oder Zustands des Brennstoffzellenstapels.In the context of the invention, for the measurements required for determining the pumping current, the electric short-circuit current, the double-layer capacitance and / or the active catalyst surface, the conditions in the first and second electrode spaces can be adjusted in a targeted manner in order to visualize the desired measured quantities. In particular, pressure, temperature, gas flow and / or gas composition are adjusted. This is easily possible in off-board diagnostics. In the case of execution as an on-board diagnosis, this setting of the measurement conditions preferably takes place as a function of the operating point or state of the fuel cell stack.
In bevorzugter Ausführung werden die Bestimmungen des Pumpstroms, des elektrischen Kurzschlussstroms, der Doppelschichtkapazität und/oder der aktiven Katalysatoroberfläche oder die für diese Größen erforderlichen Teilmessungen zeitlich unabhängig und in beliebiger Reihenfolge durchgeführt. Die Festlegung des Zeitpunkts und der Reihenfolge erfolgt insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebspunkts und/oder Zustands des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise einer externen Leistungsanforderung an diesen. Auf diese Weise können die erforderlichen Teilmessungen der aufeinander aufbauenden Größen unabhängig voneinander durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise erlaubt insbesondere die Durchführung des Diagnoseverfahrens im Wege einer Onboard-Diagnose, wobei die Einzelerfassungen intelligent mit der aktuellen Betriebssituation abgestimmt werden. In a preferred embodiment, the determinations of the pumping current, the electric short-circuit current, the double-layer capacitance and / or the active catalyst surface or the partial measurements required for these quantities are carried out independently of time and in any order. The determination of the time and the sequence takes place in particular as a function of an operating point and / or state of the fuel cell stack, for example, an external power demand on this. In this way, the required partial measurements of the successive sizes can be performed independently. This procedure allows, in particular, the implementation of the diagnostic method by means of an on-board diagnosis, whereby the individual acquisitions are intelligently coordinated with the current operating situation.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Das Brennstoffzellensystem umfasst insbesondere einen Brennstoffzellenstapel und eine Steuerungseinrichtung für diesen, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck weist die Steuerungseinrichtung einen computerlesbaren Programmalgorithmus auf, der das Verfahren ausführt. Ferner kann die Steuerungseinrichtung Kennlinien und/oder Kennfelder aufweisen, aus denen in Abhängigkeit von Eingangswerten entsprechende Ausgangswerte, beispielsweise Steuerwerte zur Ansteuerung verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems, ermittelt werden.Another aspect of the invention relates to a fuel cell system configured to carry out the method according to the invention. The fuel cell system comprises in particular a fuel cell stack and a control device for the same, which is set up to carry out the method according to the invention. For this purpose, the controller has a computer readable program algorithm executing the method. Furthermore, the control device can have characteristic curves and / or characteristic maps from which corresponding output values, for example control values for controlling various components of the fuel cell system, are determined as a function of input values.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Fahrzeug, das zumindest einen Elektromotor als Traktionsmotor aufweist, mit dem allein oder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor das Fahrzeug angetrieben wird. Another aspect of the invention relates to a vehicle having such a fuel cell system. Preferably, this is a vehicle having at least one electric motor as a traction motor, with which alone or in combination with an internal combustion engine, the vehicle is driven.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Das Brennstoffzellensystem
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad
Die Kathodenversorgung
Die Wastegate-Leitung
Das Brennstoffzellensystem
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung
In
Die in
In der in
Noch eine weitere Variante der Diagnoseanordnung
Nachfolgend wird die Durchführung des Diagnoseverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführung und unter Verwendung der Diagnoseanordnung gemäß
Das hier vorgestellte Diagnoseverfahren umfasst bevorzugt die Ermittlung folgender Zustandsgrößen einer Brennstoffzelle, die wesentlich und intrinsisch für die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels und seiner Degradation sind:
- 1. Elektrischer Kurzschlussstrom durch die Membran (→ Ishort)
- 2. Wasserstoff-Stoffstrom durch die Membran (H2-Crossover) (→ IH2)
- 3. Kapazität der Doppelschicht in der Katalysatorschicht (→ Icdl)
- 4. Aktive Katalysatoroberfläche (ECSA) (→ Iad)
- 5. Protonenleitfähigkeit der Membran.
- 1. Electrical short-circuit current through the membrane (→ I short )
- 2. Hydrogen flow through the membrane (H 2 crossover) (→ I H2 )
- 3. Capacity of the double layer in the catalyst layer (→ I cdl )
- 4. Active Catalyst Surface (ECSA) (→ I ad )
- 5. Proton conductivity of the membrane.
Im Rahmen der Diagnose bauen die vorstehenden Zustandsermittlungen 1 bis 4 in Form einer Verkettung von drei Messungen aufeinander auf (siehe Gleichung 1). Dabei dienen die Ergebnisse der Messungen 1 bis 3 jeweils der Korrektur der nachfolgenden Messung. Demgegenüber bildet die Messung 5 eine eigenständige, von den anderen Messungen unabhängige Messung und dient der Vervollständigung der Diagnose.
In den vorliegend verwendeten Gleichungen bedeutet der Index i die i-te Diagnoseeinheit des Brennstoffzellenstapels. Diese kann eine Einzelzelle oder ein Zusammenschluss mehrerer Einzelzellen oder aber den gesamten Stapel umfassen. Sofern mehr als eine Zelle in einer Diagnoseeinheit zusammengefasst sind, beziehen sich die Angaben stets auf den Mittelwert pro Einzelzelle der Diagnoseeinheit.In the equations used herein, index i represents the ith diagnostic unit of the fuel cell stack. This may comprise a single cell or a combination of several individual cells or the entire stack. If more than one cell are combined in one diagnostic unit, the information always refers to the mean value per individual cell of the diagnostic unit.
1. Messung des elektrischen Kurzschlussstroms (Ishort,i)1. Measurement of the electrical short-circuit current (I short, i )
Die Membran einer Brennstoffzelle ist zwar als Isolator konzipiert, verfügt naturgemäß aber nur über einen endlichen Widerstand gegenüber der Elektronenleitung, sodass Kriechströme auftreten. Der elektrische Kurzschlussstrom kann vernachlässigbar sein, insbesondere bei fabrikneuen Brennstoffzellen. Er kann jedoch relevant werden, wenn die Membran gealtert ist. Der elektrische Kurzschlussstrom Ishort,i bestimmt sich nach Gleichung 2, in der Rshort,i der Ohm’sche Widerstand der Membran gegen Elektronenleitung ist und Ui die Einzelzellspannung.
Die Messung des Kurzschlussstroms über die Membran erfolgt beispielsweise unter Verwendung der Anlage in
Zu diesem Zweck werden die bestimmten elektrischen Widerstände Rshort,i der einzelnen Diagnoseeinheiten oder des gesamten Stapels
2. Messung des diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms von H2 durch die Membran (IH2,i)2. Measurement of the diffusion- and / or permeation-driven material flow of H 2 through the membrane (I H2, i )
Obwohl die Membran
Unter den genannten Bedingungen wird dem Brennstoffzellenstapel
Allerdings enthält der gemessene Strom nicht nur Anteile, die auf den Pumpstrom IH2 zurückzuführen sind, sondern potentiell auch Anteile des Kurzschlussstroms Ishort, des kapazitiven Stroms Icdl, welcher zur Aufladung der Doppelschichtkapazität an den Elektroden notwendig ist, sowie einen Oxidationsstrom IAd, der zur Oxidation von an den Elektroden adsorbiertem Wasserstoff aufgewandt wird (siehe Gleichung 1). Um die letzteren beiden Größen auszuschließen, wird der Strom bevorzugt spannungsgeführt aufgeprägt, wobei ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf Usoll im Spannungsbereich von 0,4 bis 0,6 Volt pro Zelle ein Spannungsmaximum durchläuft.
Da ferner oberhalb einer Halbzellenspannung von etwa 0,4 Volt kein H-Adsorbat an der zweiten katalytischen Elektrode mehr vorliegt, ist der Oxidationsstrom IAd in dem gewählten Messbereich ebenfalls null. Indem somit der Messstrom zu einem Zeitpunkt erfasst wird, in dem die Spannungsänderung gleich null ist und die Spannung oberhalb von 0,4 Volt liegt, werden der kapazitive Strom Icdl sowie der oxidative Strom IAd gleich null, sodass sich der Messstrom IMess nach Gleichung 1 nur noch aus dem Kurzschlussstrom Ishort und dem Pumpstrom IH2 zusammensetzt. Somit muss der Messstrom nur noch um den Kurzschlussstrom Ishort,i korrigiert werden, um den Pumpstrom IH2,i zu erhalten. Dieser Kurzschlussstrom bestimmt sich gemäß Gleichung (2) aus den gespeicherten Werten Rshort,i sowie der Spannung gemessenen Spannung Ui.Further, since no H-adsorbate is present at the second catalytic electrode above a half cell voltage of about 0.4 volts, the oxidation current I Ad in the selected measurement range is also zero. Thus, by detecting the measurement current at a time when the voltage change is zero and the voltage is above 0.4 volts, the capacitive current I cdl and the oxidative current I Ad become zero, so that the measurement current I Meas Equation 1 is composed only of the short-circuit current I short and the pump current I H2 . Thus, the measurement current only has to be corrected by the short-circuit current I short, i in order to obtain the pump current I H2, i . This short-circuit current is determined according to equation (2) from the stored values R short, i and the voltage measured voltage U i .
In
Da die vorstehend geschilderte Messung des Pumpstroms IH2 bei gleichen Absolutdrücken in den beiden Elektrodenräumen
3. Messung des Doppelschichtkapazität (Ci)3. Measurement of the double-layer capacitance (C i )
Die Doppelschichtkapazität Ci ist ein Maß für die gesamte freie Oberfläche der katalytischen Elektroden, umfassend das leitfähige Trägermaterial sowie das darauf partikulär vorliegende katalytische Material (typischerweise Platin). The bilayer capacitance C i is a measure of the total free surface area of the catalytic electrodes comprising the conductive support material as well as the particulate catalytic material (typically platinum) present thereon.
Die Messung erfolgt unter den gleichen Messbedingungen am Brennstoffzellenstapel
4. Messung der aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA)4. Measurement of active catalyst surface area (ECSA)
Die Kenntnis der ECSA gibt unmittelbar Auskunft über die für die elektrochemischen Prozesse in der Brennstoffzelle zur Verfügung stehende aktive Oberfläche des Katalysatormaterials (ECSA). Die ECSA wird einerseits durch Verlust/Migration des katalytischen Materials sowie andererseits durch Agglomeration der Katalysatorpartikel mit zunehmender Lebensdauer der Brennstoffzelle reduziert. The knowledge of the ECSA gives immediate information about the active surface of the catalyst material (ECSA) available for the electrochemical processes in the fuel cell. The ECSA is reduced on the one hand by loss / migration of the catalytic material and on the other hand by agglomeration of the catalyst particles with increasing fuel cell life.
Die ECSA kann über die Erfassung der an den für Brennstoffzellen typischen Edelmetallkatalysatoren adsorbierten Wasserstoffmenge ermittelt werden, die wiederum durch die für deren Oxidation aufzuwendende Ladungsmenge, also das Integral des Oxidationsstroms Iad, bestimmt wird. In einem bestimmten Halbzellenspannungsbereich (0 bis 0,4 Volt pro Zelle) liegt nämlich an den Edelmetallkatalysatoren adsorbierter Wasserstoff vor, wobei die Menge des Adsorbats mit steigender Halbzellspannung abnimmt. Durch das Anlegen eines anodischen Stroms an die Arbeitselektrode (zweite Elektrode im zweiten Elektrodenraum
5. Bestimmung der Protonenleitfähigkeit des Ionomers der Polymerelektrolytmembran und der katalytischen Elektroden5. Determination of proton conductivity of the ionomer of the polymer electrolyte membrane and the catalytic electrodes
Für diese Messung wird wiederum ein Aufbau gemäß einer der
Die Protonenleitfähigkeit der Membran kann direkt im hochfrequenten Teil der Impedanzantwort der einzelnen Diagnoseeinheiten abgelesen werden und zwar dort, wo der Imaginäranteil der Antwort, das heißt deren Phasenverschiebung, null wird. The proton conductivity of the membrane can be read directly in the high-frequency part of the impedance response of the individual diagnostic units, namely where the imaginary part of the response, that is to say the phase shift thereof, becomes zero.
Die Leitfähigkeit der Elektrodenionomeren wird üblicherweise über eine modellbasierte Auswertung, zum Beispiel einem Ersatzschaltbild, bestimmt. Darin gehen üblicherweise zumindest der elektrische Kurzschlusswiderstand Rshort,i sowie die Doppelschichtkapazität Ci ein. In herkömmlichen Verfahren müssen diese beiden Größen modelliert beziehungsweise gefittet werden. Durch die Tatsache, dass beide besagten Größen im Rahmen des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens bereits anderweitig bestimmt wurden, können diese im Modell für die Bestimmung der Leitfähigkeit der Elektrodenionomere vorgegeben werden, sodass ihre Modellierung wegfallen kann und die Fit-Qualität der verbleibenden freien Parameter (im Wesentlichen ist dies die gesuchte Elektrodenleitfähigkeit) verbessert werden kann. The conductivity of the electrode ionomers is usually determined by a model-based evaluation, for example an equivalent circuit diagram. This usually includes at least the electrical short-circuit resistance R short, i and the double-layer capacitance C i . In conventional methods, these two variables must be modeled or fit. Due to the fact that both said quantities have already been determined in the context of the diagnostic method according to the invention, these can be specified in the model for determining the conductivity of the electrodeionomers, so that their modeling can be omitted and the fit quality of the remaining free parameters (essentially this the sought electrode conductivity) can be improved.
Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise ermöglichst somit in einer einzigen Messanordnung die Messung des elektrischen Kurzschlussstroms, die Messung des Wasserstoff-Stoffstroms im Wege der Diffusion mit oder ohne Permeation, die Ermittlung der Doppelschichtkapazität und der ECSA sowie der Protonenleitfähigkeit der Membran und Elektrodenionomere. Die Messungen erfolgen in situ, also am vollständigen Brennstoffzellenstapel
Grundsätzlich besteht jedoch auch die vorteilhafte Option, das Diagnoseverfahren insbesondere mit sämtlichen der beschriebenen Einzelmessungen im Rahmen einer Onboard-Diagnose, das heißt im normalen Umfeld der Brennstoffzelle, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, durchzuführen. Da die beschriebenen Vermessungen die Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels
Somit wird die erste katalytische Elektrode
Ähnlich wie die zuvor beschriebene Offboard-Diagnostik zielt die hier beschriebene Onboard-Diagnostik auf die Erfassung folgender Parameter ab:
- • Messung parasitärer Ströme Ipara über die Membran, welche sich aus dem Wasserstoff-Stoffstrom über die Membran (Diffusion und gegebenenfalls Permeation) IH2 sowie den elektrischen Kurzschlussstrom Ishort zusammensetzt (Ipara = Ishort + IH2)
- • Messung der Kapazität der Doppelschichten in den Elektroden Ci
- • Messung der aktiven Katalysatoroberfläche ECSA.
- Measurement of parasitic currents I para across the membrane, which is composed of the hydrogen mass flow via the membrane (diffusion and optionally permeation) I H2 and the electrical short-circuit current I short (I para = I short + I H2 )
- Measurement of the capacitance of the bilayers in the electrodes C i
- • Measurement of the active catalyst surface ECSA.
Ein beispielhafter Koordinationsalgorithmus für die Bestimmung dieser Werte ist in
Hier bezeichnet Block
Block
In dem Koordinationsblock
Der Block
Der Block
Im Block
Ein verlässlicher Wert für den Kurzschlussstrom Ishort kann aus verschiedenen Quellen stammen. Beispielsweise kann er im Rahmen einer Offboard-Werkstattdiagnose wie unter Punkt 1 beschrieben ermittelt werden. Denkbar ist jedoch auch die Messung des Kurzschlussstroms in einem Nichtbetriebszustand des Brennstoffzellenstapels, in dem beide Elektrodenräume mit gleichen Betriebsgasen gefüllt sind, zum Beispiel vor einem sogenannten Luft-Luft-Start nach längerem Abschalten des Stapels. Ebenfalls ist möglich, mehrere Messungen des parasitären Stroms bei verschiedenen Betriebsbedingungen durchzuführen und zu kombinieren. Werden die Bedingungen gezielt variiert, so kann über die Variation der gemessenen Werte für den parasitären Strom Ipara auf den Kurzschlussstrom Ishort geschlossen werden, da aus theoretischen Betrachtungen bekannt ist, wie der Wasserstoff-Stoffstrom auf Veränderungen reagiert. A reliable value for the short-circuit current I short can come from different sources. For example, it can be determined as part of an offboard workshop diagnosis as described under
Sobald nun ein verlässlicher Wert für den Kurzschlussstrom vorliegt, können die gewünschten Größen im Block
Das zuvor beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass sämtliche Messungen unabhängig voneinander durchgeführt werden können, obwohl die Berechnung der Endwerte aufeinander aufbaut. Dies ermöglicht eine intelligente Strategie, um die Messungen einzelner Größen nach Bedarf oder Möglichkeit durchzuführen, auch wenn Messungen anderer Größen noch nicht möglich sind. Somit kann ein Brennstoffzellenstapel auch außerhalb eines Werkstattaufenthalts umfassend und mit einer bisher nicht möglichen Genauigkeit diagnostiziert werden. The method described above is characterized in that all measurements can be carried out independently of each other, although the calculation of the final values builds on each other. This allows an intelligent strategy to perform the measurements of individual quantities as needed or possible, even though measurements of other sizes are not yet possible. Thus, a fuel cell stack can also be diagnosed outside a workshop stay comprehensively and with a hitherto impossible accuracy.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Brennstoffzellensystem The fuel cell system
- 1010
- Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
- 1111
- Einzelzelle single cell
- 1212
- erster Elektrodenraum / Anodenraum first electrode space / anode space
- 1313
- Zweiter Elektrodenraum / Kathodenraum Second electrode space / cathode space
- 1414
- Polymerelektrolytmembran Polymer electrolyte membrane
- 1515
- Bipolarplatte bipolar
- 2020
- Anodenversorgung anode supply
- 2121
- Anodenversorgungspfad Anode supply path
- 2222
- Anodenabgaspfad Anode exhaust gas path
- 2323
- Brennstofftank fuel tank
- 2424
- Stellmittel actuating means
- 2525
- Brennstoffrezirkulationsleitung Brennstoffrezirkulationsleitung
- 2626
- Stellmittel actuating means
- 3030
- Kathodenversorgung cathode supply
- 3131
- Kathodenversorgungspfad Cathode supply path
- 3232
- Kathodenabgaspfad Cathode exhaust path
- 3333
- Verdichter compressor
- 3434
- Elektromotor electric motor
- 3535
- Leistungselektronik power electronics
- 3636
- Turbine turbine
- 3737
- Wastegate-Leitung Waste gate line
- 3838
- Stellmittel actuating means
- 3939
- Befeuchtermodul humidifier
- 200200
- Diagnoseanordnung diagnostic system
- 4040
- Netzteil power adapter
- 4141
- Lastkabel Lastkabel
- 42 42
- Stromsensor current sensor
- 4343
- Spannungssensor voltage sensor
- 4444
- Diagnoseeinrichtung diagnostic device
- 4545
- Last load
- 4646
- Datenerfassungseinrichtung Data acquisition device
- 4747
- Steuereinrichtung control device
- 4848
- Relais relay
- 4949
- Sollwertgeber Setpoint generator
- 300300
- Diagnosealgorithmus diagnostic algorithm
- 310310
- Normalbetriebsmodus Normal operating mode
- 320320
- Diagnosemodus diagnostic mode
- 321321
- Koordinationsblock coordination block
- 322322
- Block zur Herstellung der Messbedingungen Block for the production of measuring conditions
- 323323
- Block zur Messung der parasitären Ströme Block for measuring the parasitic currents
- 324324
- Block zur Messung der Doppelschichtkapazität und aktiven Katalysatorfläche Block for measuring the double-layer capacity and active catalyst area
- 325325
- Block zu Berechnung der finalen Parameter Block to calculate the final parameters
- IMess,i I mess, i
- Messstrom der i-ten Diagnoseeinheit Measuring current of the i-th diagnostic unit
- Ishort,i I short, i
- Kurzschlussstrom der i-ten Diagnoseeinheit Short-circuit current of the i-th diagnostic unit
- IH2,i I H2, i
- Pumpstrom der i-ten Diagnoseeinheit Pumping current of the i-th diagnostic unit
- Icdl,i I cdl, i
- kapazitiver Strom der i-ten Diagnoseeinheit Capacitive current of the i-th diagnostic unit
- IAd,i I Ad, i
- Adsorptionsstrom der i-ten Diagnoseeinheit Adsorption current of the i-th diagnostic unit
- Ipara I para
- parasitärer Strom parasitic current
- Usoll U shall
- Sollspannungsverlauf Target voltage curve
- UMess U Mess
- Messspannung measuring voltage
- Ui U i
- gemessene Spannung der i-ten Diagnoseeinheit measured voltage of the i-th diagnostic unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- H. Imanashi, K. Manabe, T. Ogawa & Y. Nonobe: Developement of Electric Power Contraol usig the Capacitance Characteristics oft he Fuel Cell, SAE International Journal of Engines 4(1), 2011, 1879–1887 [0005] H. Imanashi, K. Manabe, T. Ogawa, & Y. Nonobe: Developement of Electric Power Contraol and the Capacitance Characteristics often he Fuel Cell, SAE International Journal of Engines 4 (1), 2011, 1879-1887. [0005]
- E. Brightman, G. Hinds & R. O’Malley: In situ measurements of active catalyst surface area in fuel cell stacks, Journal of Power Sources 242, 2013, 244–254 [0006] E. Brightman, G. Hinds & R. O'Malley: In Situ Measurements of Active Catalyst Surface Area in Fuel Cell Stacks, Journal of Power Sources 242, 2013, 244-254 [0006]
Claims (12)
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---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
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---|---|
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