DE102016114738A1

DE102016114738A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102016114738A1
Application number: DE102016114738.9A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Christian Schröder; Viktor Damert
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms durch einen Befeuchter, der zum Übertragen von Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad strömenden Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad strömenden Fluidstrom eingerichtet ist. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: Verbinden des ersten Strömungspfads und des zweiten Strömungspfads über den Befeuchter und zumindest einen dritten Strömungspfad, Einstellen eines ersten Fluidstroms und eines bestimmten Überdrucks zu dem zweiten Strömungspfad in dem ersten Strömungspfad und Erfassen oder Ermitteln des ersten Fluidstroms in dem ersten Strömungspfad und zumindest eines zweiten Fluidstroms durch den zumindest einen dritten Strömungspfad. Der Leckagestrom durch den Befeuchter kann dann als Differenz des ersten Fluidstroms und des zumindest einen zweiten Fluidstroms bestimmt werden. Der Leckagestrom kann zum Ermitteln einer Übertragungseffizienz des Befeuchters anhand einer Referenzalterungsfunktion oder zum Anpassen eines Stofftransportmodells eines Befeuchters genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms durch einen Befeuchter, insbesondere eines in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Befeuchters, und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere unter Berücksichtigung des bestimmten Leckagestroms.
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-Anordnung (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 geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten 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 zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff, über ein Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt und unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch zu Protonen oxidiert (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.
Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Um den Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums zu und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums zu und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel auf.
Brennstoffzellensysteme weisen ferner zumindest einen Befeuchter zum Befeuchten des trockenen Kathodenbetriebsmediums (Zuluft) auf, mittels dem Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas (Abluft) an das Kathodenbetriebsmedium übertragen wird. Das Befeuchten ist notwendig, um eine hohe Leistungsdichte und Lebensdauer der Brennstoffzellen, insbesondere von deren Membran-Elektroden-Einheiten, zu gewährleisten. In Brennstoffzellensystemen kommen in der Regel Membran- oder Hohlfaserbefeuchter zum Einsatz, die während ihrer Lebensdauer einer absinkenden Feuchte-Übertragungsfähigkeit unterliegen. Mit anderen Worten altern die Befeuchter, wodurch deren Effizienz bei der Feuchteübertragung deutlich abnimmt. Die aktuelle Effizienz beziehungsweise der Alterungszustand eines Befeuchters sind bislang nicht erfassbar, was ein exaktes Einstellen des Feuchtigkeitsgehalts des Kathodenbetriebsmediums am Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels erschwert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, dass ein Ermitteln der Effizienz beziehungsweise des Alterungszustandes eines Befeuchters ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden, in dem die Effizienz beziehungsweise der Alterungsgrad des Befeuchters berücksichtigt wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms eines Befeuchters und zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms durch einen Befeuchter, wobei der Befeuchter zum Übertragen von Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad strömenden feuchten Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad strömenden zu befeuchtenden Fluidstrom eingerichtet ist. Ein erster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, den ersten Strömungspfad und den zweiten Strömungspfad über den Befeuchter und zumindest einen dritten Strömungspfad miteinander zu verbinden, insbesondere fluidführend miteinander zu verbinden. Die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad besteht dabei insbesondere ausschließlich über den Befeuchter und den zumindest einen dritten Strömungspfad. In einem dritten Strömungspfad erfolgt per definitionem im Wesentlichen keine chemische Umsetzung eines darin strömenden Fluides, insbesondere Betriebsmittels. Somit wird zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens jede Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad, in der eine chemische Umsetzung eines darin strömenden Fluides erfolgen könnte, gesperrt.
Anschließend wird ein erster Fluidstrom in dem ersten Strömungspfad eingestellt beziehungsweise in diesem oder in diesen gefördert. Der erste Fluidstrom wird so eingestellt, dass ein bestimmter Überdruck vom ersten Strömungspfad zum zweiten Strömungspfad eingestellt wird. Anschließend werden der in dem ersten Strömungspfad stromaufwärts des Befeuchters tatsächlich strömende erste Fluidstrom und zumindest ein durch den zumindest einen dritten Strömungspfad tatsächlich strömender zweiter Fluidstrom ermittelt oder erfasst. Bei den ermittelten oder erfassten Fluidströmen handelt es sich bevorzugt um Fluidvolumenströme oder Fluidmasseströme. Schließlich wird der Leckagestrom durch den Befeuchter als Differenz des ersten Fluidstroms und des zumindest einen zweiten Fluidstroms ermittelt. Bei dem Leckagestrom handelt es sich dabei um einen von dem ersten Strömungspfad durch den Befeuchter in den zweiten Strömungspfad strömenden Leckagefluidstrom, der ebenfalls bevorzugt als Volumen- oder Massestrom ermittelt wird. Mit dem Leckagestrom steht vorteilhaft ein bislang unbekannter beziehungsweise bislang nicht ermittelter Kennwert eines Befeuchters zur Verfügung.
Dieser Kennwert kann vorteilhaft zur Detektion eines Alterungszustandes beziehungsweise einer Übertragungseffizienz des Befeuchters genutzt werden. Alternativ dazu kann mittels des Leckagestroms eine modellbasierte Prognose der Feuchtigkeit eines Betriebsmediums stromabwärts eines Befeuchters angepasst werden. Ein Modell für eine Prognose der Feuchtigkeit eines Betriebsmediums stromabwärts eines Befeuchters ist beispielsweise in N. Brandau et al., Analysis of mass exchangers based on dimensionless numbers, Int. J. Heat Mass Transfer (2016) ([1]) offenbart. Schließlich kann der erfindungsgemäß ermittelte Leckagestrom zum Steuern oder Regeln der Befeuchtung eines Betriebsmediums mittels eines Befeuchters genutzt werden, beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem.
In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses weiter das Ermitteln einer Übertragungseffizienz des Befeuchters mittels des Leckagestroms und einer Referenzalterungsfunktion des Befeuchters. Die Übertragungseffizienz ist dabei bevorzugt definiert als das Verhältnis aus dem Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts des zu befeuchtenden Fluidstroms innerhalb des Befeuchters und der Differenz der Eintrittsfeuchten des feuchten und des zu befeuchtenden Fluidstroms (vergleiche [1], Formel (24)) beim Eintritt in den Befeuchter. Die derart definierte Übertragungseffizienz ist somit ein Maß für die tatsächlich erfolgte Befeuchtung im Verhältnis zu der maximal möglichen Befeuchtung des zu befeuchtenden Fluidstroms und ist umgekehrt proportional zu dem über die Lebensdauer des Befeuchters ansteigenden Leckagestrom durch denselben.
Das Bestimmen der Referenzalterungsfunktion erfolgt bevorzugt, indem während der Lebensdauer eines Referenzbefeuchters mehrfach der Leckagestrom erfindungsgemäß ermittelt wird und jeweils zusätzlich die relative Feuchtigkeit des zu befeuchtenden Fluidstroms am Befeuchtereintritt und -austritt und die relative Feuchtigkeit des feuchten Fluidstroms am Befeuchtereintritt und -austritt erfasst werden. Anschließend wird für den Referenzbefeuchter die wie oben definierte Übertragungseffizienz über dem Leckagestrom aufgetragen und somit dessen Referenzalterungsfunktion erhalten. Die Referenzalterungsfunktion wird bevorzugt während der Entwicklung des Befeuchters und, da der Leckagestrom proportional zu dem bestimmten Überdruck ist, für einen festen Überdruck zwischen dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad bestimmt. Wird nun ein aktueller Leckagestrom eines im Betrieb befindlichen Befeuchters desselben Typs erfindungsgemäß und bei einem zumindest annähernd gleichen Überdruck zwischen erstem und zweitem Strömungspfad bestimmt, kann der Referenzalterungsfunktion des Befeuchters dessen aktuelle Übertragungseffizienz entnommen werden. Bevorzugt können die Referenzalterungsfunktion und der aktuelle Leckagestrom für eine Mehrzahl bestimmter Überdrücke erfasst werden.
Bei dem Befeuchter handelt es sich bevorzugt um einen für die Anordnung in Brennstoffzellensystemen üblicherweise verwendeten Befeuchter. Bevorzugt weist der Befeuchter zumindest einen ersten Strömungskanal für einen zu befeuchtenden Fluidstrom mit einer ersten Fluidzuleitung und einer ersten Fluidableitung und zumindest einen zweiten Strömungskanal für einen feuchten Fluidstrom mit einer zweiten Fluidzuleitung und einer zweiten Fluidableitung auf. Dabei ist der erste Strömungskanal Teil des oben genannten ersten Strömungspfads und ist der zweite Strömungskanal Teil des oben genannten zweiten Strömungspfads. Der Befeuchter weist ferner zumindest eine wasserdurchlässige Membran zum Übertragen von Feuchtigkeit von dem feuchten Fluidstrom auf den zu befeuchtenden Fluidstrom auf.
Bevorzugt erfolgt das erfindungsgemäße Verbinden des ersten Strömungspfads und des zweiten Strömungspfads über den Befeuchter, indem der erste Strömungspfad in dem ersten Strömungskanal endet und der zweite Strömungspfad in dem zweiten Strömungskanal endet. Mit anderen Worten wird jeweils eine von der ersten Fluidzuleitung und -ableitung und der zweiten Fluidzuleitung und -ableitung zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens geschlossen. Eine Verbindung zwischen dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad besteht somit über die zumindest eine wasserdurchlässige Membran des Befeuchters und über den zumindest einen dritten Strömungspfad.
Ebenfalls bevorzugt erfolgt zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Sperren des ersten Strömungspfads stromabwärts des Befeuchters und ein Sperren des zweiten Strömungspfads stromaufwärts des Befeuchters sowie ein Verbinden des ersten Strömungspfads stromaufwärts des Befeuchters mit dem zweiten Strömungspfad stromabwärts des Befeuchters über den zumindest einen dritten Strömungspfad. In Brennstoffzellensystem ist ein Befeuchter in der Regel in dem ersten Strömungspfad stromabwärts einer Fördervorrichtung, beispielsweise eines Verdichters, und stromaufwärts eines Brennstoffzellenstapels angeordnet. Gemäß dieser Durchführungsform wird der Befeuchter somit vom Brennstoffzellenstapel getrennt und bleibt mit dem Verdichter verbunden.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erfassen des ersten Fluidstroms mittels eines in dem ersten Strömungspfad angeordneten ersten Luftmassenmessers. Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Erfassen des zweiten Fluidstroms mittels zumindest eines in dem zumindest einen dritten Strömungspfad angeordneten zweiten Luftmassenmessers. Ebenfalls bevorzugt ist stromaufwärts des Befeuchters eine Fördervorrichtung, insbesondere eine Pumpe oder ein Verdichter, in dem ersten Strömungspfad angeordnet. Diese Fördervorrichtung ist bevorzugt zu dem Einstellen des ersten Fluidstroms in dem ersten Strömungspfad und somit des bestimmten Überdrucks zu dem zweiten Strömungspfad eingerichtet.
In einer ferner bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der bestimmte Überdruck in dem ersten Strömungspfad zu dem zweiten Strömungspfad von 1 bar bis 3 bar, bevorzugt von 1,5 bis 2,5 bar und besonders bevorzugt von 1,2 bis 1,8 bar. Ebenfalls bevorzugt beträgt der in dem ersten Strömungspfad eingestellte erste Fluidstrom ein Massestrom 1 g/s bis 140 g/s, bevorzugt von 1 g/s bis 80 g/s und besonders bevorzugt von 1 g/s bis 30 g/s. Mit diesem bevorzugt in dem oder in den ersten Strömungspfad geförderten Massestrom lässt sich bevorzugt dieser bevorzugte Überdruck einstellen. Zudem bewirken diese bevorzugten Masseströme beziehungsweise Überdrücke einen signifikanten und somit mit ausreichender Sicherheit bestimmbaren Leckagestrom. Darüber hinaus kann bei gängigen Befeuchtern bei diesen Masseströmen beziehungsweise Überdrücken eine Schädigung der zumindest einen wasserdurchlässigen Membran vermieden werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Befeuchter in einem Brennstoffzellensystem angeordnet und handelt es sich bei dem ersten Strömungspfad um einen Kathodenversorgungspfad des Brennstoffzellensystems, bei dem zweiten Strömungspfad um einen Kathodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems und bei dem zumindest einen dritten Strömungspfad um ein den Kathodenversorgungspfad stromaufwärts des Befeuchters mit der Kathodenabgasleitung stromabwärts des Befeuchters verbindende Wastegateleitung. Gemäß dieser Durchführungsform ist zudem stromaufwärts des Befeuchters ein Verdichter zum Einstellen des ersten Fluidstroms und des bestimmten Überdrucks in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet. Ferner ist ein erstes Absperrmittel zum Sperren des ersten Strömungspfads stromabwärts des Befeuchters in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet und ist ein zweites Absperrmittel zum Sperren des zweiten Strömungspfads stromaufwärts des Befeuchters in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Mit anderen Worten wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Leckagestrom eines Befeuchter bestimmt, der in einem Brennstoffzellensystem angeordnet ist.
Das Brennstoffzellensystem weist dabei bevorzugt einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und einer Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad und mit einem Kathodenabgaspfad auf. Der Befeuchter ist bevorzugt in dem Kathodenversorgungspfad und in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Ferner sind zwischen dem Befeuchter und dem Brennstoffzellenstapel ein erstes Absperrmittel in dem Kathodenversorgungspfad und ein zweites Absperrmittel in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Stromaufwärts des Befeuchters ist ein Verdichter in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet. Ferner verbindet eine Wastegateleitung den Kathodenversorgungspfad stromaufwärts des Verdichters und stromaufwärts des Befeuchters mit dem Kathodenabgaspfad.
Das in diesem Brennstoffzellensystem durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: Sperren des ersten Absperrmittels und des zweiten Absperrmittels; Fördern eines ersten Kathodenbetriebsmittelstroms mittels des Verdichters zum Einstellen einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Kathodenversorgungspfad und dem Kathodenabgaspfad; Erfassen oder Ermitteln des tatsächlich in dem Kathodenversorgungspfad strömenden ersten Kathodenbetriebsmittelstroms; Erfassen oder Ermitteln eines zweiten Kathodenbetriebsmittelstroms in der Wastegateleitung; und Ermitteln eines dritten Kathodenbetriebsmittelstroms als Leckagestrom durch den Befeuchter mittels des ersten Kathodenbetriebsmittelstroms und des zweiten Kathodenbetriebsmittelstroms, insbesondere als Differenz von dem erstem und dem zweiten Kathodenbetriebsmittelstrom. Bevorzugt weist das Verfahren ferner den Schritt auf: Ermitteln einer Übertragungseffizienz des Befeuchters mittels des dritten Kathodenbetriebsmittelstroms und einer Referenzalterungsfunktion des Befeuchters.
Das in einem Brennstoffzellensystem durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren umfasst bevorzugt die weiteren Verfahrensschritte: Erfassen einer Drehzahl und eines Druckverhältnisses des Verdichters und Ermitteln des von dem Verdichter geförderten Massestroms des ersten Fluidstroms anhand eines Kennfelds des Verdichters. Mit anderen Worten kann auf einen dezidierten Luftmassenmesser, wie oben beschrieben, verzichtet werden. In der Regel ist in einem Verdichterkennfeld der geförderte Massestrom über der Drehzahl und dem Druckverhältnis, das heißt dem Verhältnis der Drücke am Verdichtereingang und -ausgang, aufgetragen. Bevorzugt ist ein erster Drucksensor stromaufwärts und ein zweiter Drucksensor stromabwärts des Verdichters in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet.
Das in einem Brennstoffzellensystem durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner bevorzugt die Verfahrensschritte: Erfassen einer Drehzahl und eines Druckverhältnisses des Verdichters und Ermitteln eines durch die Wastegateleitung strömenden Massestroms des zweiten Fluidstroms anhand eines Durchflussbeiwerts des Wastegateventils. Der Durchflussbeiwert des Wastegateventils ist eine Bauteilkenngröße oder kann in einem Teststand bestimmt werden. Die Durchflussmenge durch das Wastegateventil hängt insbesondere von dem Durchflussbeiwert, einem Druck stromaufwärts des Ventils, einem Druck stromabwärts des Ventils und einer Temperatur stromaufwärts des Ventils ab. Der stromaufwärtige Druck kann durch den Druck am Verdichterausgang approximiert werden. Der stromabwärtige Druck kann durch den Atmosphärendruck abzüglich des Druckverlusts in dem Kathodenabgaspfad und einer eventuell daran angeschlossenen Abgasanlage approximiert werden. Die stromaufwärtige Temperatur kann durch eine Kühlmitteltemperatur eines stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts der Wastegateleitung angeordneten Ladeluftkühlers angenähert werden. Die von dem Durchflussbeiwert abhängenden Beziehungen für die Durchflussmenge durch das Wastegateventil unterscheiden sich für unterkritische und überkritische Strömungen und sind dem Fachmann bekannt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, aufweisend das erfindungsgemäße Bestimmen eines Leckagestroms durch den in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Befeuchter wie vorstehend beschrieben. Gemäß einer ersten Durchführungsform dieses Verfahrens wird zunächst eine Übertragungseffizienz des Befeuchters mittels des Leckagestroms und einer wie oben beschrieben erhaltenen Referenzalterungsfunktion des Befeuchters ermittelt. Bei dem erfindungsgemäßen Ermitteln des Leckagestroms wird dabei bevorzugt zumindest ein Überdruck in dem ersten Strömungspfad zu dem zweiten Strömungspfad eingestellt, der dem zumindest einen bei dem Aufnehmen der Referenzalterungsfunktion eingestellten Überdruck entspricht. Anschließend erfolgt das Steuern oder Regeln der Befeuchtung eines Kathodenbetriebsmediums in dem Befeuchter unter Berücksichtigung der bestimmten Übertragungseffizienz des Befeuchters. Wird beispielsweise eine verringerte Übertragungseffizienz festgestellt, kann eine Befeuchtung angesteuert werden, die oberhalb einer Zielfeuchte liegt, um eine tatsächliche Befeuchtung in der Größenordnung der Zielfeuchte zu erhalten. Beispielsweise kann die Menge des den Befeuchter durch einen Bypass umgehenden Fluidstroms reduziert werden, um eine gleichbleibende Befeuchtung zu gewährleisten.
Gemäß einer zweiten Durchführungsform dieses Verfahrens wird mittels des Leckagestroms eine modellbasierte Prognose des Feuchtigkeitsgehalts des Kathodenbetriebsmediums am Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels angepasst. Für die modellbasierte Prognose wird auf die bereits zitierte Veröffentlichung [1] verwiesen, auf deren Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Stofftransportmodell für einen Befeuchter, das eine Prognose des Feuchtigkeitsgehalts des Kathodenbetriebsmediums (c_1b‘‘) am Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise am Austritt des Befeuchters ermöglicht. Hierzu muss insbesondere ein Befeuchter-abhängiger effektiver Massentransportkoeffizient β_eff (vgl. [1], Formel (38)) und die Dichte der feuchten Luft als Funktion von Druck, Temperatur und relativer Feuchtigkeit bestimmt werden. Damit können drei den Befeuchter charakterisierende dimensionslose Kenngrößen (vgl. [1], Formeln (27), (28), (29)) bestimmt werden. Mittels Informationen und/oder Annahmen zu der relativen Feuchtigkeit der trockenen Luft am Verdichter und/oder der feuchten Luft am Kathodenaustritt kann dann der Feuchtigkeitsgehalts des Kathodenbetriebsmediums (c_2b‘‘) am Austritt des Befeuchters prognostiziert werden. Der Feuchtigkeitsgehalt der feuchten Luft am Kathodenaustritt kann beispielsweise anhand der Feuchtigkeit der trockenen Luft am Verdichter und der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels abgeschätzt werden.
Erfindungsgemäß wird das in [1] offenbarte Modell angepasst, indem zum einen der Massentransportkoeffizient β_eff mittels der Referenzalterungsfunktion angepasst wird und/oder indem in der Bestimmung der Brandauzahl Br (vgl. [1], Formel (29)) als das Verhältnis der Volumenströme des zu befeuchtenden und des feuchten Fluidstroms, jeweils am Befeuchtereingang, diese Volumenströme angepasst werden. Im Wesentlichen wird der Massestrom des zu befeuchtenden Fluidstroms um den Leckagestrom verringert und der Massestrom des feuchten Fluidstroms entsprechend um den Leckagestrom erhöht. Die Umrechnung von Volumen- und Masseströmen erfolgt über die jeweilige Dichte des Fluidstroms. Anschließend wird mittels des angepassten Models ein Feuchtigkeitsgehalt des Kathodenbetriebsmediums (c_1b‘‘) am Austritt des Befeuchters prognostiziert. Unter Berücksichtigung dieses prognostizierten Feuchtigkeitsgehalts des Kathodenbetriebsmediums am Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels, wird schließlich die Befeuchtung des Kathodenbetriebsmittels in dem Befeuchter geregelt oder gesteuert. Wird beispielsweise durch das angepasste Modell ein verringerter Feuchtigkeitsgehalt des Kathodenbetriebsmediums am Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels prognostiziert, kann eine Befeuchtung angesteuert werden, die oberhalb einer Zielfeuchte liegt, um eine tatsächliche Befeuchtung in der Größenordnung der Zielfeuchte zu erhalten. Beispielsweise kann die Menge des den Befeuchter durch einen Bypass umgehenden Fluidstroms reduziert werden, um eine gleichbleibende Befeuchtung zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Durchführungsform des in einem Brennstoffzellensystem durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Steuern oder Regeln der Befeuchtung des Kathodenbetriebsmediums mittels Einstellen des Klappenverhältnisses des Bypassventils. Mit anderen Worten wird anhand der ermittelten Übertragungseffizienz oder in Abhängigkeit der modulierten Prognose der Kathodeneintrittsfeuchte die Menge des den Befeuchter umgehenden Kathodenbetriebsmittels angepasst. Ferner bevorzugt erfolgt das Bestimmen eines Leckagestroms durch einen in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Befeuchter während einer Startprozedur des Brennstoffzellenstapels, während einer Ausschaltprozedur des Brennstoffzellenstapels oder während eines Start-Stopp-Betriebs des Brennstoffzellenstapels. Somit erfolgt das Verfahren vorteilhaft immer dann, wenn das erste Absperrmittel und das zweite Absperrmittel ohnehin bereits geschlossen sind. Folglich muss der Betrieb des Brennstoffzellenstapels für das erfindungsgemäße Verfahren nicht zusätzlich unterbrochen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnostik eines Befeuchters in einem Brennstoffzellensystem, aufweisend die Schritte: Absperren von Stellmitteln, sodass ein Kathodenversorgungspfad und ein Kathodenabgaspfad nur über den Befeuchter und eine Wastegateleitung fluidführend miteinander verbunden sind; Beaufschlagen des Kathodenversorgungspfads mit einem ersten Massestrom des Kathodenbetriebsmittels; Erfassen oder Ermitteln eines tatsächlich durch den Kathodenversorgungspfad strömenden ersten Massestroms des Kathodenbetriebsmittels; Erfassen oder Ermitteln eines durch die Wastegateleitung strömenden zweiten Massestroms des Kathodenbetriebsmittels; Ermitteln eines Leckagestroms durch den Befeuchter von dem Kathodenversorgungspfad zu dem Kathodenabgaspfad als Differenz aus dem ersten Massestrom und dem zweiten Massestrom; und Ermitteln einer Feuchteübertragungsfähigkeit des Befeuchters anhand des Leckagestroms. Der ermittelte Leckagestrom und/oder die bestimmte Feuchteübertragungsfähigkeit (Übertragungseffizienz) des Befeuchters kann wie oben beschrieben zum Steuern oder Regeln der Befeuchtung eines Kathodenbetriebsmittels genutzt werden. Alternativ kann ermittelt werden, ob die Feuchteübertragungsfähigkeit einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Ist dies der Fall, kann beispielsweise ein Steuersignal ausgegeben werden, anhand dessen ein Nutzer des Brennstoffzellensystems oder eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs auf die Notwendigkeit eines Austauschs des Befeuchters hingewiesen wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichteten Brennstoffzellensystems; und
2 eine schematische Darstellung eines Befeuchters.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können.
Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, das geträgert auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ist ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 ein Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 im Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26 angeordnet, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenen Brennstoff zurück in den Anodenversorgungspfad 21 zu leiten.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenversorgungspfad 31 zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsmediums in die Kathodenräume 13 des Brennstoffzellenstapels 10. Dabei handelt es sich beispielsweise um aus der Umgebung angesaugte Luft. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer Abgasanlage zuführt.
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist ein Verdichter 33 in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet. Dieser ist beispielsweise als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Wastegate-Leitung 37 auf, welche den Kathodenversorgungspfad 31 mit dem Kathodenabgaspfad 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Betriebsmediums.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Befeuchter 40 auf. Der Befeuchter 40 ist so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 40 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner eine Bypassleitung 41 auf, welche den Kathodenversorgungspfad 31 stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 40 miteinander verbindet. In der Bypassleitung 41 ist ein Bypassventil 42 angeordnet. Über den Öffnungsgrad des Bypassventils 42 ist einstellbar, wieviel des Kathodenbetriebsmediums durch den Befeuchter 40 strömt und darin befeuchtet wird, währenddessen das restliche Kathodenbetriebsmedium den Befeuchter 40 umgeht. Somit ist die Befeuchtung des Kathodenbetriebsmediums mittels des Bypassventils 38 steuerbar.
Das Brennstoffzellensystem 100 ist zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichtet, indem es neben der Wastegateleitung 37, dem Wastegateventil 38, dem Verdichter 33 und dem Befeuchter 40 ferner ein erstes Absperrmittel 61 und ein zweites Absperrmittel 62 aufweist. Zudem weist das dargestellte Brennstoffzellensystem 100 einen ersten Luftmassenmesser 51 und einen zweiten Luftmassenmesser auf. Der erste Luftmassenmesser 51 ist unmittelbar stromabwärts des Verdichters 33 in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet. Der zweite Luftmassenmesser 52 ist stromaufwärts des Wastegateventils 38 in der Wastegateleitung 37 angeordnet. Das erste Absperrmittel 61 ist zwischen Befeuchter 40 und Brennstoffzellenstapel 10 in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet und das zweite Absperrmittel 61 ist zwischen Befeuchter 40 und Brennstoffzellenstapel 10 in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet.
Die Absperrmittel 61, 62 dienen zum einen dem Abtrennen des abgeschalteten Brennstoffzellenstapels 10 von der Umgebung. Somit soll insbesondere das Eindringen von Luft zunächst in die Kathodenräume 13 und von dort in die Anodenräume 12 des abgeschalteten Stapels 10 verhindert werden. Zudem ermöglichen die Absperrmittel 61, 62 gemeinsam mit dem Bypassstellmittel 38 das Einstellen eines definierten Druckgefälles über den Befeuchter 40 mittels des Verdichters 33. Die Luftmassenmesser 51, 52 ermöglichen das Erfassen aller aufgrund dieses Druckgefälles in der Kathodenversorgung 30, insbesondere in dem Kathodenversorgungspfad 31 und der Wastegateleitung 37, erzeugten Fluidströme.
Im Folgenden wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die 1 und 2 kurz erläutert. Der in 2 dargestellte Befeuchter weist einen ersten Strömungskanal 43 mit einer ersten Fluidzuleitung 44 und einer ersten Fluidanleitung 45 auf, der in dem Kathodenversorgungspfad 31 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 angeordnet ist. Der Befeuchter weist ferner eine wasserdurchlässige Membran 46 auf, die den ersten Strömungskanal 43 von einem zweiten Strömungskanal 47 trennt, der eine zweite Fluidzuleitung 48 und eine zweite Fluidableitung 49 aufweist und der in dem Kathodenabgaspfad 32 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 angeordnet ist.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird der in 2 dargestellte Befeuchter von zu befeuchtendem Kathodenbetriebsmittel mit dem Massestrom ṁ₁ durchströmt, das stromaufwärts des Befeuchters 40 einen Druck p‘₁, eine Temperatur T‘₁ und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ‘₁ aufweist und stromabwärts des Befeuchters einen Druck p‘‘₁, eine Temperatur T‘‘₁ und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ‘‘₁ aufweist. Zudem wird der Befeuchter 40 im Gegenstrom von feuchtem Kathodenbetriebsmittel mit dem Massestrom ṁ₂ durchströmt, das stromaufwärts des Befeuchters 40 einen Druck p‘₂, eine Temperatur T‘₂ und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ‘₂ aufweist und stromabwärts des Befeuchters einen Druck p‘‘₂, eine Temperatur T‘‘₂ und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ‘‘₂ aufweist. In dem Befeuchter erfolgt ein Übergang von Wasser mit einem Massestrom ṁ_H2O von dem feuchten auf das zu befeuchtende Betriebsmittel.
Zudem strömt in Abhängigkeit der Betriebsdauer beziehungsweise des Alterungszustandes des Befeuchters 40 und in Abhängigkeit eines Überdrucks in dem ersten Strömungskanal 44 zu dem zweiten Strömungskanal 47 trockenes Kathodenbetriebsmittel mit dem Leckagestrom ṁ_LEAK über die wasserdurchlässige Membran in den zweiten Strömungskanal 47. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Bestimmen von ṁ_LEAK für zumindest einen bestimmten Überdruck zwischen erstem und zweitem Strömungskanal 44, 47.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das erste Absperrmittel 61 und das zweite Absperrmittel 62 geschlossen. Die Absperrmittel 61, 62 sind bevorzugt als regelbare Klappen ausgebildet. Anschließend wird mittels des Verdichters 33 ein erster Kathodenbetriebsmittelstrom in dem Kathodenversorgungspfad 31 eingestellt. Um genaue Kenntnis über den tatsächlich in dem Kathodenversorgungspfad strömenden ersten Kathodenbetriebsmittelstrom zu erhalten, wird dieser mittels des ersten Luftmassenmessers 51 erfasst. Aufgrund des vom Verdichter 33 geförderten ersten Kathodenbetriebsmittelstroms stellt sich ein bestimmter Überdruck von dem Kathodenbetriebsmittelpfad 31 zu dem Kathodenabgaspfad 32 und somit von dem ersten Strömungskanal 44 zu dem zweiten Strömungskanal 47 des Befeuchters 40 ein.
Aufgrund des bestimmten Überdrucks strömt ein zweiter Kathodenbetriebsmittelstrom durch die Wastegateleitung 37 und das geöffnete Wastegateventil 38 von dem Kathodenversorgungspfad 31 zu dem Kathodenabgaspfad 32. Dieser zweite Kathodenbetriebsmittelstrom wird mittels des zweiten Luftmassenmessers 52 erfasst. Zudem strömt ein Leckagestrom ṁ_LEAK wie oben beschrieben in dem Befeuchter 40. Da die Absperrmittel 61, 62 geschlossen sind und die Wastegateleitung 37 und der Befeuchter 40 die einzigen fluidführenden Verbindungen zwischen dem Kathodenversorgungspfad und dem Kathodenabgaspfad darstellen, entspricht der Leckagestrom ṁ_LEAK der Differenz aus dem ersten und zweiten Kathodenbetriebsmittelstrom und kann als diese bestimmt werden. Der bestimmte Leckagestrom kann genutzt werden, um eine aktuelle Übertragungseffizienz des Befeuchters 40 anhand einer Referenzalterungsfunktion zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann der Leckagestrom ṁ_LEAK dafür genutzt werden, das in [1] veröffentlichte Stofftransportmodell anzupassen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Rezirkulationsfördereinrichtung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Wastegateventil
40: Befeuchter
41: Bypassleitung
42: Bypassventil
43: erster Strömungskanal
44: erste Fluidzuleitung
45: erste Fluidableitung
46: wasserdurchlässige Membran
47: zweiter Strömungskanal
48: zweite Fluidzuleitung
49: zweite Fluidableitung
51: erster Luftmassenmesser
52: zweiter Luftmassenmesser
61: erstes Absperrmittel
62: zweites Absperrmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

N. Brandau et al., Analysis of mass exchangers based on dimensionless numbers, Int. J. Heat Mass Transfer (2016) [0011]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms durch einen Befeuchter (40), wobei der Befeuchter (40) zum Übertragen von Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad (32) strömenden Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad (31) strömenden Fluidstrom eingerichtet ist, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Verbinden des ersten Strömungspfads (31) und des zweiten Strömungspfads (32) über den Befeuchter (40) und zumindest einen dritten Strömungspfad (37); Einstellen eines ersten Fluidstroms und eines bestimmten Überdrucks zu dem zweiten Strömungspfad (32) in dem ersten Strömungspfad (31); Erfassen oder Ermitteln des ersten Fluidstroms in dem ersten Strömungspfad (31); Erfassen oder Ermitteln zumindest eines zweiten Fluidstroms durch den zumindest einen dritten Strömungspfad (37); und Ermitteln des Leckagestroms als Differenz des ersten Fluidstroms und des zumindest einen zweiten Fluidstroms.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die Verfahrensschritte: Ermitteln einer Übertragungseffizienz des Befeuchters (40) mittels des Leckagestroms und einer Referenzalterungsfunktion des Befeuchters (40).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend die Verfahrensschritte: Sperren des ersten Strömungspfads (31) stromabwärts des Befeuchters (40) und Sperren des zweiten Strömungspfads (32) stromaufwärts des Befeuchters (40); und Verbinden des ersten Strömungspfads (31) stromaufwärts des Befeuchters (40) mit dem zweiten Strömungspfad (32) stromabwärts des Befeuchters (40) über den zumindest einen dritten Strömungspfad (37).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des ersten Fluidstroms mittels eines in dem ersten Strömungspfad (31) angeordneten ersten Luftmassenmessers (51) erfolgt und/oder das Erfassen des zweiten Fluidstroms mittels zumindest eines in dem zumindest einen dritten Strömungspfad (37) angeordneten zweiten Luftmassenmessers (52) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der bestimmte Überdruck zu dem zweiten Strömungspfad (32) von 1 bar bis 3 bar beträgt und/oder der eingestellte erste Fluidstrom ein Massestrom von 1 g/s bis 140 g/s ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen in einem Brennstoffzellensystem (100) angeordneten Befeuchter (40); einen Kathodenversorgungspfad (31) des Brennstoffzellensystems (100) als ersten Strömungspfad, einen Kathodenabgaspfad (32) des Brennstoffzellensystems (100) als zweiten Strömungspfad und eine den Kathodenversorgungspfad (31) stromaufwärts des Befeuchters mit dem Kathodenabgaspfad (32) stromabwärts des Befeuchters (40) verbindende Wastegateleitung (37) als dritten Strömungspfad; einen stromaufwärts des Befeuchters (40) in dem Kathodenversorgungspfad (31) angeordneten Verdichter (33) zum Einstellen des ersten Fluidstroms und des bestimmten Überdrucks; und ein stromabwärts des Befeuchters in dem Kathodenversorgungspfad (31) angeordnetes erstes Absperrmittel (61) zum Sperren des ersten Strömungspfads und ein stromaufwärts des Befeuchters (40) in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnetes zweites Absperrmittel (62) zum Sperren des zweiten Strömungspfads.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner aufweisend die Verfahrensschritte: Erfassen einer Drehzahl und eines Druckverhältnisses des Verdichters (33); und Ermitteln des von dem Verdichter geförderten Massestroms des ersten Fluidstroms anhand eines Kennfelds des Verdichters (33) und/oder Ermitteln eines durch die Wastegateleitung (37) strömenden Massestroms des zweiten Fluidstroms anhand eines Durchflussbeiwerts eines Wastegateventils (38).
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend die Schritte: Bestimmen eines Leckagestroms durch einen Befeuchter (40) in einem Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7; Ermitteln einer Übertragungseffizienz des Befeuchters (40) mittels des Leckagestroms und einer Referenzalterungsfunktion des Befeuchters (40); und/oder Anpassen einer modellbasierten Prognose des Feuchtigkeitsgehalts des Kathodenbetriebsmediums am Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels (10) mittels des Leckagestroms; und Steuern oder Regeln der Befeuchtung eines Kathodenbetriebsmediums in dem Befeuchter (40) unter Berücksichtigung der Übertragungseffizienz des Befeuchters (40) und/oder des prognostizierten Feuchtigkeitsgehalts des Kathodenbetriebsmediums am Kathodeneintritt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Steuern oder Regeln der Befeuchtung des Kathodenbetriebsmediums mittels Einstellen des Klappenverhältnisses des Bypassventils (38) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Bestimmen eines Leckagestroms durch einen Befeuchter (40) in einem Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7 während einer Startprozedur des Brennstoffzellenstapels (10), während einer Ausschaltprozedur des Brennstoffzellenstapels (10) oder während eines Start-Stopp-Betriebs des Brennstoffzellenstapels (10) erfolgt.