DE102016010137A1 - Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle und zum Betreiben einer Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle und zum Betreiben einer Brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
DE102016010137A1
DE102016010137A1 DE102016010137.7A DE102016010137A DE102016010137A1 DE 102016010137 A1 DE102016010137 A1 DE 102016010137A1 DE 102016010137 A DE102016010137 A DE 102016010137A DE 102016010137 A1 DE102016010137 A1 DE 102016010137A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
regeneration
vehicle
pollutant load
pollutant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016010137.7A
Other languages
English (en)
Inventor
Anja Talke
Simon Erbach
Alexander Kneer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cellcentric GmbH and Co KG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102016010137.7A priority Critical patent/DE102016010137A1/de
Publication of DE102016010137A1 publication Critical patent/DE102016010137A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Schadstoffbelastung einer in einem Fahrzeug (2) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung mit Umgebungsluft betriebenen Brennstoffzelle (3), wobei die der Brennstoffzelle (3) zuströmende Luftmenge zu Zeitpunkten mit kurzem zeitlichem Abstand während des Betriebs ermittelt wird, wobei zum jeweiligen Zeitpunkt mit erfasst wird, an welcher örtlichen Position sich das Fahrzeug (2) befindet, wobei die örtliche Position in eine von mehreren Kategorien eingeteilt wird, wobei jeder der Kategorien eine mittlere Schadstoffbelastung zugeordnet ist, und wobei aus der zugeströmten Luftmenge und entsprechend der örtlichen Kategorie die momentane Schadstoffbelastung für die Brennstoffzelle (3) ermittelt und die Gesamtschadstoffbelastung aufaddiert wird. Die so ermittelte Schadstoffbelastung lässt sich mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleichen um zu entscheiden, ob beim nächsten Werkstattaufenthalt eine Regenerierung der Brennstoffzelle (3) durchgeführt werden muss.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung mit Umgebungsluft betriebenen Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug mit einer zyklischen Regenerierung der Brennstoffzelle.
  • Aus der US 2006/0166051 A1 , welche den nächstliegenden Stand der Technik bildet, ist es bekannt, eine Brennstoffzelle zu konditionieren bzw. zu regenerieren, indem diese bei optimaler Temperatur und Befeuchtung zyklisch be- und entlastet wird. Ein solches Verfahren lässt sich beispielsweise bei Bedarf in einer Werkstatt durchführen. Es kann dazu beitragen, eine reversible Degradation der Brennstoffzelle abzubauen, um so wieder mehr Brennstoffzellenleistung zur Verfügung zu haben.
  • Des Weiteren ist ein derartiger Prozess, welcher einen Betrieb der Brennstoffzelle mit verbesserter Luft in der Werkstatt zur Regeneration vorschlägt, aus der US 2011/008686 A1 bekannt.
  • In beiden Schriften ist es dabei so, dass die Konditionierung bzw. Regenerierung jeweils während eines Werkstattaufenthalts stattfindet. Es ist also eine Maßnahme, welche im Wesentlichen durch die vom Fahrzeughersteller vorgegebenen Serviceintervalle in ihrer Anwendungshäufigkeit bestimmt wird. Dies kann je nach Umweltbelastung, welcher die Brennstoffzelle bzw. das Fahrzeug mit der Brennstoffzelle ausgesetzt ist, jedoch kritisch sein, da bei einer hohen Umweltbelastung die Maßnahme gegebenenfalls zu spät durchgeführt wird, um eine vollständige Regeneration zu ermöglichen und da andererseits bei einer geringen Umweltbelastung, beispielsweise wenn das Fahrzeug überwiegend „auf dem Lande” betrieben wird, es zu einer unnötig häufigen Regeneration kommen kann, was zumindest hinsichtlich des Aufwands und der damit einhergehenden Kosten einen erheblichen Nachteil darstellt.
  • Aus dem weiteren Stand der Technik in Form der DE 10 2010 048 254 A1 ist es außerdem bekannt, eine Brennstoffzelle zu rekonditionieren. Hierfür wird bestimmt, ob eine Rekonditionierung erwünscht ist. Falls eine solche erwünscht ist, werden diverse Systemparameter abgefragt. Liegen alle Parameter in einem für die Rekonditionierung geeigneten Bereich, wird diese durchgeführt. Das Verfahren ist dabei vergleichsweise aufwändig und erlaubt eine Rekonditionierung zwar während des laufenden Betriebs, aber nur wenn ganz bestimmte Bedingungen vorliegen. Insbesondere bei der Anwendung in einem Fahrzeug und der damit einhergehenden dynamischen Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle stellt dies einen erheblichen Nachteil dar.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Erfassen der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 und im Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des jeweiligen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 geht es darum, die Schadstoffbelastung einer in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung mit Umgebungsluft betriebenen Brennstoffzelle zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei eine Messung der der Brennstoffzelle zuströmenden Luftmenge, welche in kurzen zeitlichen Abständen während des Betriebs ermittelt wird. Eine solche Messung der Luftmenge erfolgt zur Ansteuerung der Brennstoffzelle meist ohnehin. So kann beispielsweise in einem zeitlichen Abstand von ca. einer Minute eine Messung erfolgen. Wird anderweitig Luft in dem System verwendet, beispielsweise für das Durchspülen eines Brennstoffzellengehäuses, für eine Luftlagerung eines Strömungsverdichters, für einen Systembypass oder ähnliches, ist die dafür benötigte Luftmenge typischerweise bekannt oder kann zumindest rechnerisch abgeschätzt werden. So lässt sich einfach und effizient die Luftmenge ermitteln, welche der Brennstoffzelle tatsächlich zuströmt. Da in den heutigen Fahrzeugen typischerweise ohnehin Navigationsgeräte verbaut sind, kann über ein GPS Modul oder ein ähnliches Navigationsmodul, welches beispielsweise andersartige Satellitendaten oder auch terrestrische Daten wie Funknetze oder ähnliches zur Ortsbestimmung nutzt, festgestellt werden, in welchem Bereich sich das Fahrzeug zum Zeitpunkt der jeweiligen Messung der Luftmenge befindet. Aus diesem Ort kann dann ein Rückschluss erfolgen, wieviel Schadstoffe durchschnittlich in der Luft vorliegen.
  • Hierfür kann beispielsweise gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee eine Datensammlung des Forschungszentrums Jülich im Rahmen des Projekts „ALASKA” genutzt werden. Im Rahmen dieses Projekts wurden alle Straßenstrecken in verschiedene Kategorien eingeteilt. Dabei haben sich dabei vier Kategorien als relevant herausgestellt, welche typische Schadstoffmengen in der Luft aufweisen. Diese Kategorien sind 1. Autobahn, 2. Autobahntunnel, 3. Bundes- und Landstraßen, 4. Hauptstraßen, Nebenstraßen, sonstige Tunnel. Für jeden dieser Kategorien ergibt sich dann eine durchschnittliche Schadstoffkonzentration hinsichtlich der relevanten Luftschadstoffe, insbesondere der Stickoxide, des Schwefeldioxids und von Ammoniak.
  • Erfolgt nun bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Einteilung des jeweiligen Messpunkts der Luftmenge in die entsprechende Kategorie, dann kann der Luftmenge direkt eine entsprechende Konzentration des Schadstoffs, wie sie für eine Straße dieser Kategorie typisch ist, zugeordnet werden. Die Luftmengen lassen sich dann zwischen den einzelnen Messzeitpunkten in Verbindung mit den hier typischerweise anfallenden Schadstoffmengen aufaddieren, sodass letztlich die abgeschätzte Schadstoffmenge für den jeweiligen Schadstoff einfach ermittelt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine Erfassung der Menge des vorliegenden Schadstoffs und erlaubt so zu ermitteln, wieviel Schadstoff die Brennstoffzelle, beispielsweise seit der letzten Regenerierung oder seit ihrer ersten Inbetriebnahme „abbekommen” hat.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug mit einer zyklischen Regenerierung der Brennstoffzelle sieht es vor, dass die zyklische Regenerierung während eines Werkstattaufenthalts durchgeführt wird, sobald eine gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erfasste Schadstoffbelastung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Beispielsweise über Simulationen, in Labor- oder Feldversuchen lassen sich kritische Grenzwerte ermitteln, ab denen die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund einer Verschmutzung mit Luftschadstoffen im Kathodenbereich entsprechend abnimmt. So kann zuverlässig ein Grenzwert festgelegt werden, ab welchem eine Regeneration der Brennstoffzelle notwendig ist. Über das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren lässt sich nun abschätzen, wie viel Schadstoff in die Brennstoffzelle gelangt ist. Sobald dieser Wert des ermittelten Schadstoffs, welcher in die Brennstoffzelle gelangt ist, den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird eine Warnmeldung ausgelöst, dass mit dem Fahrzeug die nächste Werkstatt aufgesucht und beim Werkstattbesuch eine Regeneration durchgeführt werden soll. In der üblichen Art und Weise lässt sich diese Warnung beispielsweise am Armaturenbrett anzeigen, oder, insbesondere bei der Verwendung von Fahrzeugen in Flotteneinheiten, auch an eine Zentrale per Funk oder anderen Telekommunikationsmöglichkeiten übertragen, sodass die Werkstattbesuche entsprechend effizient vom Flottenmanagement geplant werden können.
  • Die Regenerierung der Brennstoffzelle in der Werkstatt erfolgt dann in der Art, dass die Brennstoffzelle gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens dort mit sauberer Luft betrieben wird, wofür insbesondere über einen Aktivkohlefilter gefilterte Luft für die Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann. Diese Luft ist dann typischerweise frei von Stickoxiden, Ammoniak und Schwefeldioxid, sodass eine Regeneration möglich ist. Anschließend erfolgt der Betrieb bei einer Betriebstemperatur und Befeuchtung, welche insbesondere beide größer als im Normalbetrieb der Brennstoffzelle sind. Danach erfolgt ein Betrieb mit einer sich zyklisch ändernden Stromdichte für eine gewisse Betriebsdauer, von vorzugsweise ca. zwei bis fünf Stunden. Während dieses Betriebs wird die Stromdichte verändert, gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee beispielsweise in drei Stufen, nämlich mit 0,01 A/cm2, 0,7 A/cm2 und 1,5 A/cm2 für jeweils 180 Sekunden. Dies führt insbesondere beim Betrieb mit sauberer Luft und erhöhter Befeuchtung und erhöhter Betriebstemperatur zu einer Regenerierung der Brennstoffzelle, sodass diese nach der Regeneration wieder eine höhere Leistungsfähigkeit aufweist als zuvor.
  • Um dies zu dokumentieren und zu überprüfen kann es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass vor und nach der Regenerierung jeweils eine Spannungs-Strom-Kennlinie der Brennstoffzelle aufgenommen wird, um die Veränderungen zu überprüfen und zu dokumentieren.
  • Über die Kombination der beiden erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich so eine Regeneration immer dann durchführen, wenn dies aufgrund der ermittelten Schadstoffbelastung der Brennstoffzelle sinnvoll und notwendig ist. Hierdurch wird, immer dann wenn es notwendig ist, jedoch nicht wenn es unnötig ist, regeneriert, um so die ideale Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle bei minimalem Aufwand hinsichtlich der Kosten und der Servicezeit zu ermöglichen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der beiden erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug;
  • 2 ein Diagramm eines Versuchs einer Schadstoffbelastung mit anschließender Regeneration bei 10 ppm NO in der Zuluft,
  • 3 ein Diagramm eines Versuchs einer Schadstoffbelastung mit anschließender Regeneration bei 5 ppm NH3 in der Zuluft; und
  • 4 UI-Kennlinien der Brennstoffzelle jeweils gemessen an den in 3 mit 1 bis 4 gekennzeichneten Zeitpunkten.
  • In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßiges Brennstoffzellensystem 1 in einem ebenso prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von PEM-Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut ist. Rein beispielhaft sind ein Kathodenraum 4 und ein Anodenraum 5 hierin angedeutet. Dem Kathodenraum 4 wird Umgebungsluft über eine Luftfördereinrichtung 6 und einen Ladeluftkühler 7 sowie einen Befeuchter 8 zugeführt. Die nicht verbrauchte Abluft gelangt wiederum durch den Befeuchter 8, um die in ihr enthaltene Feuchtigkeit an die Zuluft abzugeben, bevor sie in die Umgebung abströmt. Dem Anodenraum 5 wird Wasserstoff (H2) beispielsweise aus einem Druckgasspeicher zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt in dem hier dargestellten stark vereinfachten Ausführungsbeispiel aus dem Anodenraum 5 in die Umgebung. Dieser Aufbau ist stark vereinfacht dargestellt, er ist dem Fachmann jedoch in verschiedenen Ausführungsvarianten mit weiteren Komponenten wie beispielsweise Turbinen, einem Systembypass, einer Rezirkulation des Wasserstoffs und dergleichen geläufig.
  • Der bereits angesprochene Ladeluftkühler 7 kann beispielsweise über ein flüssiges Kühlmedium in einem angedeuteten mit 9 bezeichneten Kühlkreislauf gekühlt werden. Ein Teil dieses Kühlkreislaufs kann außerdem einen Kühlwärmetauscher 10 zur Kühlung der Brennstoffzelle 3, also zur Abfuhr der in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Abwärme aufweisen. Hierdurch lässt sich die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 einstellen.
  • Ferner kann ein Bypass 11 mit einer entsprechenden Ventileinrichtung um den Befeuchter 8 vorgesehen sein. Dieser kann, wie es hier angedeutet ist, auf der Abluftseite, jedoch auch auf der Zuluftseite, angeordnet sein. Über den Bypass kann eingestellt werden, wieviel Feuchtigkeit in den Befeuchter gelangt und damit letztlich, wie stark die zu der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Kathodenraum 5 strömende Zuluft tatsächlich befeuchtet wird.
  • All dies ist dem Fachmann prinzipiell bekannt, sodass hier nur im groben Detail auf diesen beispielhaften Aufbau verwiesen wird.
  • Zum Betrieb der Brennstoffzelle 3 wird nun typischerweise Umgebungsluft aus der Umgebung des Fahrzeugs 2 angesaugt. Je nach dem Ort, an welchem das Fahrzeug bewegt wird, kann diese Umgebungsluft mit unterschiedlichen Konzentrationen an typischen Luftschadstoffen belastet sein. Im Allgemeinen sind dies Schadstoffe wie beispielsweise NO, NO2, NH3, SO2 und ähnliches. Das Eindringen von derartigen Schadstoffen in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle führt über einen längeren Zeitraum hinweg zu einer Anlagerung dieser Schadstoffe und damit zu einer Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle 3. Um dieser Leistungsverschlechterung entgegenzuwirken, kann die Brennstoffzelle 3 zyklisch regeneriert werden. Hierfür kann beispielsweise bei einem Betrieb mit sauberer Luft, welche in der Werkstatt insbesondere durch das Vorschalten eines temporären Aktivkohlefilters bereitgestellt werden kann, bereits ein Effekt erzielt werden. Je nach Schadstoff kann dieser Effekt zusätzlich dadurch unterstützt werden, dass die Betriebstemperatur und die Befeuchtung der Brennstoffzelle 3 erhöht werden, indem eine höhere Befeuchtung eingestellt wird und indem eine höhere Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 durch eine Verringerung der Abkühlung über den Kühlwärmetauscher 10 ermöglicht wird.
  • An einem solchen Betrieb können nun die in der Brennstoffzelle 3 auftretenden Stromdichten durch geeignete Belastung zyklisch verändert werden. Insbesondere hat es sich bewährt, wenn die Stromdichten in drei Stufen auf 0,01, 0,7 und 1,5 A/cm2 verändert werden, und zwar mit einer Verweildauer in der jeweiligen Stufe von ca. 180 Sekunden. Ein solcher Betrieb über einen Zeitraum von zwei bis fünf Stunden hat in durchgeführten Versuchen der Erfinder zu einer erheblichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 3 geführt.
  • Nachfolgend ist dies anhand zweier Diagramme in den 2 und 3 entsprechend aufgezeigt. Beide Diagramme zeigen dabei die durchschnittliche Zellspannung auf der Y-Achse und die Zeit auf der X-Achse. Der Betrieb erfolgt nun so, dass bei dem in 2 dargestellten Versuchsaufbau über ca. zwei Stunden ein statischer Betrieb mit einer Schadstoffmenge in 2 von 10 ppm NO erfolgt, und anschließend ein dynamischer Betrieb über ca. fünf Stunden mit der gleichen schadstoffbelasteten Luft. In der Darstellung der 3 ist dies analog durchgeführt, wobei hier als Schadstoff NH3 mit einer Konzentration von 5 ppm in der Luft verwendet wurde. Ab dem Zeitpunkt von ca. 7,5 Stunden erfolgt wieder ein statischer Betrieb mit einer schadstofffreien Luft. Es zeigt sich, dass beim Stickoxid als Schadstoff in 2 hier bereits eine entsprechende Erholung auftritt, während dies beim NH3 in 3 praktisch nicht der Fall ist. Anschließend erfolgt die eigentliche Regenerierung über einen Zeitraum von ebenfalls etwas mehr als fünf Stunden in den dargestellten Versuchen, in denen in der oben beschriebenen Art die Stromdichte zyklisch verändert wird, während gleichzeitig die Temperatur und die Feuchte gegenüber dem Normalbetrieb erhöht sind. Ferner wird der Druck der zugeführten Luft ebenfalls zyklisch angehoben, um Wasser auszutreiben. Dies wird für fünf Stunden durchgeführt. Eine Verbesserung ist erkennbar.
  • Um eine solche Verbesserung zu dokumentieren, kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass zu den in dem Diagramm der 3 mit 1, 2, 3 und 4 bezeichneten Zeitpunkten jeweils Stromspannungskennlinien der Brennstoffzelle aufgenommen werden. Diese vier Stromspannungskennlinien sind in der Darstellung der 4 gezeigt. Auf der Y-Achse findet sich die Spannung in Volt, auf der X-Achse der Strom in A/cm2. Die mit 1 bezeichnete Linie zeigt den Beginn des eigentlichen Versuchs, also den Zeitpunkt, zu dem die dynamische Belastung für ca. fünf Stunden gestartet worden ist. Zum Zeitpunkt 2, also nach der dynamischen Belastung, ergibt sich dann die unterste UI-Kennlinie, welche eine deutliche Schädigung erkennen lässt. Die statische Regeneration ist bei NH3 offensichtlich nicht sehr wirksam, da die mit 3 bezeichnete Kennlinie fast deckungsgleich zu der mit 2 bezeichneten Kennlinie ist und, wie oben bereits erwähnt, kaum eine Verbesserung erkennen lässt. Die zum Zeitpunkt 4 erfasste oberste Kennlinie zeigt jedoch eine deutliche Verbesserung, welche sogar über den Anfangszustand 1 hinausgeht und so die Wirksamkeit der Regeneration eindrucksvoll belegen kann.
  • Wenn das Verfahren in der Werkstatt durchgeführt wird, bietet es sich an, zumindest vor Beginn der Regeneration, also hier zum Zeitpunkt 2, und nach ihrem Abschluss zum Zeitpunkt 4 Stromspannungskennlinien der Brennstoffzelle 3 aufzunehmen, einerseits um die Wirksamkeit der Regeneration zu überprüfen und andererseits um diese für den Nutzer des Fahrzeugs 2 zu dokumentieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2006/0166051 A1 [0002]
    • US 2011/008686 A1 [0003]
    • DE 102010048254 A1 [0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Erfassen der Schadstoffbelastung einer in einem Fahrzeug (2) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung mit Umgebungsluft betriebenen Brennstoffzelle (3), wobei die der Brennstoffzelle (3) zuströmende Luftmenge zu Zeitpunkten mit kurzem zeitlichem Abstand während des Betriebs ermittelt wird, wobei zum jeweiligen Zeitpunkt mit erfasst wird, an welcher örtlichen Position sich das Fahrzeug (2) befindet, wobei die örtliche Position in eine von mehreren Kategorien eingeteilt wird, wobei jeder der Kategorien eine mittlere Schadstoffbelastung zugeordnet ist, und wobei aus der zugeströmten Luftmenge und entsprechend der örtlichen Kategorie die momentane Schadstoffbelastung für die Brennstoffzelle (3) ermittelt und die Gesamtschadstoffbelastung aufaddiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schadstofflasten von NO, NO2, NH3, SO2 berechnet und aufsummiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kategorisierung gemäß der Daten des Projekts „ALASKA” des Forschungszentrums Jülich in 1. Autobahn, 2. Autobahntunnel, 3. Bundes- und Landstraßen, und 4. Haupt-, Nebenstraßen, Sonstige und Tunnel erfolgt, wobei für jeden Typ die durchschnittliche Schadstoffkonzentration gemäß der Daten des Projekts „ALASKA” verwendet wird.
  4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (3) in einem Fahrzeug mit einer zyklischen Regenerierung der Brennstoffzelle (3), dadurch gekennzeichnet, dass die zyklische Regenerierung bei einem Werkstattaufenthalt durchgeführt wird, sobald eine gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 erfasste Schadstoffbelastung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) während der Regenerierung mit sauberer Luft betrieben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) während der Regenerierung mit einer Betriebstemperatur und einer Befeuchtung betrieben wird, welche größer als im Normalbetrieb ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) während der Regenerierung mit einer zyklischen Veränderung der Stromdichte für eine vorgegebene Betriebsdauer betrieben wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromdichte von 0,01; 0,7; und 1,5 A/cm2 während eines Zyklus für jeweils 180 s aufrechterhalten wird, wobei ein derartiger Betrieb für eine Betriebsdauer von zwei bis fünf Stunden durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach der Regenerierung jeweils eine Spannungs-Strom-Kennlinie der Brennstoffzelle (3) aufgenommen wird.
DE102016010137.7A 2016-08-19 2016-08-19 Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle und zum Betreiben einer Brennstoffzelle Pending DE102016010137A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016010137.7A DE102016010137A1 (de) 2016-08-19 2016-08-19 Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle und zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016010137.7A DE102016010137A1 (de) 2016-08-19 2016-08-19 Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle und zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102016010137A1 true DE102016010137A1 (de) 2018-02-22

Family

ID=61083646

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016010137.7A Pending DE102016010137A1 (de) 2016-08-19 2016-08-19 Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle und zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102016010137A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113140263A (zh) * 2020-01-17 2021-07-20 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池车用空气滤芯污染程度的计算方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060166051A1 (en) 2005-01-24 2006-07-27 Mahesh Murthy Method and device to improve operation of a fuel cell
US20060249399A1 (en) * 2005-05-06 2006-11-09 The Regents Of The University Of California Cleaning (de-poisining) PEMFC electrodes from strongly adsorbed species on the catalyst surface
US20110008686A1 (en) 2009-07-08 2011-01-13 The Government of the United States of America, as represented by the Secretary of Navy Performance recovery of a fuel cell
DE102010048254A1 (de) 2009-10-16 2011-05-26 GM Global Technology Operations LLC, ( n. d. Ges. d. Staates Delaware ), Detroit Automatisierte Vorgehensweise zur Ausführung einer Vor-Ort-Rekonditionierung eines Brennstoffzellenstapels

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060166051A1 (en) 2005-01-24 2006-07-27 Mahesh Murthy Method and device to improve operation of a fuel cell
US20060249399A1 (en) * 2005-05-06 2006-11-09 The Regents Of The University Of California Cleaning (de-poisining) PEMFC electrodes from strongly adsorbed species on the catalyst surface
US20110008686A1 (en) 2009-07-08 2011-01-13 The Government of the United States of America, as represented by the Secretary of Navy Performance recovery of a fuel cell
DE102010048254A1 (de) 2009-10-16 2011-05-26 GM Global Technology Operations LLC, ( n. d. Ges. d. Staates Delaware ), Detroit Automatisierte Vorgehensweise zur Ausführung einer Vor-Ort-Rekonditionierung eines Brennstoffzellenstapels

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALASKA: Reduzierung des Einflusses von Luftschadstoffen auf Brennstoffzellen. In: Pressemitteilung: Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH, Duisburg, März 2015. URL: http://www.zbt-duisburg.de/aktuell/presse/pressemitteilungen/detail/detail/News/alaska-reduzierung-des-einflusses-von-luftschadstoffen-auf-brennstoffzellen.html [abgerufen am 18.10.2016] *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113140263A (zh) * 2020-01-17 2021-07-20 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池车用空气滤芯污染程度的计算方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112008001355B4 (de) Wechselstromimpedanz-Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE102006026404A1 (de) Energie-Koordinator für ein elektrisches Netz
DE102014225189A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben
DE102016004285A1 (de) Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Kühlmittelpumpe
DE102019219427A1 (de) Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug
DE102019112035A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellenstapels mit einem vorübergehend deaktivierten ablaufventil
DE102018218331A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenfahrzeug
EP3925026B1 (de) Verfahren zum abstellen eines brennstoffzellensystems
EP3371847A1 (de) Verfahren zum betrieb einer batterie und batterie
DE102016010137A1 (de) Verfahren zur Erfassung der Schadstoffbelastung einer Brennstoffzelle und zum Betreiben einer Brennstoffzelle
DE102016009016A1 (de) Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug
DE102011118689A1 (de) Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem
WO2012126722A1 (de) Verfahren zum ermitteln eines ladezustandes einer elektrischen energiespeichervorrichtung und elektrische energiespeichervorrichtung
WO2019154846A1 (de) Verfahren zur detektion der luftgüte einer brennstoffzelle
DE102017219478A1 (de) Verfahren und System zur Reduzierung der Aufnahme von Schadstoffen aus der Umgebungsluft
DE10036270A1 (de) Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsanlage
EP3433627B1 (de) Verfahren zum bestimmen eines fehlerzustands, batteriesensor und fahrzeugbordnetz
DE102016121630B4 (de) Verfahren und vorrichtung zur zustandsüberwachung einer starterbatterie eines kraftfahrzeugs
DE102008045067A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Teilsystems eines Fahrzeugs
DE102021100954A1 (de) Testsystem und Verfahren zum Einfahren und Testen von Brennstoffzellen
DE102011051908A1 (de) Vorrichtung zur Entschwefelung eines Oxidationskatalysators und dazugehöriges Verfahren.
DE102016107038A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Abschätzen eines Zustands eines Energiespeichersystems eines Fahrzeuges
DE102017009386A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens
DE102007038992A1 (de) Verfahren zur Überwachung einer Qualität eines Motoröls
WO2024052574A1 (de) Fortbewegungsmittel und verfahren zur ermittlung eines zustandes eines luftfilters eines brennstoffzellensystems

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

Owner name: DAIMLER AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, STUTTGART, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE

R012 Request for examination validly filed