DE102017206729B4 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), umfassend die Schritte: Zuführen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zu einer Vielzahl von nebeneinander in einem Zellenstapel (12) angeordneten Einzelzellen (14) mit jeweils zwei Elektrodenschichten (16) und einer zwischen den Elektrodenschichten (16) angeordnete Elektrolytschicht (18), Zusammendrücken des Zellenstapels (12) während eines Betriebs mittels einer Spannvorrichtung (20), und Erfassen (102) eines Kompressionsdrucks auf den Zellenstapel (12) während eines Betriebs durch mindestens einen Drucksensor (44), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ermitteln (106) eines aktuellen Feuchtegehalts von Elektrolytschichten (18) auf Grundlage des erfassten Kompressionsdrucks durchgeführt wird und ein Anpassen (110) von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (10) während eines Betriebs mittels einer Steuervorrichtung (48) zum Optimieren des Feuchtegehalts erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem Zellenstapel von nebeneinander angeordneten Einzelzellen und einer Spannvorrichtung zum Zusammendrücken des Zellenstapels.
  • Ein Brennstoffzellensystem enthält üblicherweise einen Zellenstapel mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Einzelzellen. In jeder Einzelzelle wird chemische Energie durch eine Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dazu ist in den Einzelzellen zwischen zwei als Elektroden ausgebildeten Schichten eine Elektrolytschicht vorgesehen.
  • Die Elektrolytschicht ist beispielsweise als Polymermembran ausgebildet, welche Wasser enthält. An der als Anode vorgesehen Elektrode wird der im Wasser gelöste Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, dissoziiert. Dabei entstehende Protonen diffundieren durch die Membran zur als Kathode verwendeten Elektrode und reagieren dort mit dem durch die Kathode reduzierten Sauerstoff des Oxidationsmittels. Zum inneren Ladungstransport mittels Oxonium-Ionen wird an der Anodenseite Wasser benötigt, welches auf der Kathodenseite wieder abgeben wird.
  • Ein ungenügender Feuchtegehalt einer Elektrolytschicht führt unter anderem zu einer kleineren Ionenleitfähigkeit und somit zu einer geringeren Effizienz des Brennstoffzellensystems. Auf der anderen Seite wird durch einen zu großen Feuchtegehalt die Versorgung der Elektrodenschichten mit Brennstoff oder Oxidationsmittel negativ beeinflusst. So kann ein Diffusionsprozess des Brennstoffs oder Oxidationsmittels zu den Elektrodenschichten oder die Zuführung dieser Stoffe zu den Einzelzellen in dafür vorgesehenen Zuführungen behindert werden. Für einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems ist daher eine Kontrolle des Feuchtegehalts während eines Betriebs notwendig. Eine Änderung des Feuchtegehalts der Elektrolytschichten lässt sich beispielsweise durch ein Anpassen einer Befeuchtung oder Flussrate des Oxidationsmittels oder des Brennstoffs erreichen.
  • Für eine solche Kontrolle des Feuchtegehalts ist insbesondere eine ausreichend genaue Kenntnis des aktuell vorliegenden Feuchtegehalts in den Einzelzellen während des Betriebs wichtig. Herkömmliche Messverfahren und Sensoren zur Bestimmung des Feuchtegehalts sind insbesondere für mobile Anwendungen eines Brennstoffzellensystems nur schlecht geeignet, da sie zu störanfällig, komplex oder teuer sind.
  • Die internationalen Patentanmeldung WO 2007/083235 A2 schlägt daher vor, neben einer vom gesamten Zellenstapel erzeugten elektrischen Spannung auch die von jeder Einzelzelle generierte elektrische Spannung zu erfassen. Ist die Differenz zwischen der niedrigsten von einer Einzelzelle und der durchschnittlich von den Einzelzellen erzeugten Spannung größer als ein vorgegebener Schwellwert, wird ein mangelhafter Feuchtegehalt festgestellt. Zur Unterscheidung zwischen einem zu hohen oder zu niedrigen Feuchtegehalt wird dann beispielsweise die Flussrate des Oxidationsmittels erhöht. Eine höhere Flussrate des Oxidationsmittels führt zu einer Senkung des Feuchtegehalts, da zum Beispiel Wasserdampf als Reaktionsprodukt des Brennstoffzellensystems vermehrt abgeführt wird. Liegt nun die Differenz zwischen der kleinsten Einzelzellenspannung und der Durchschnittsspannung immer noch über einem Schwellwert, wird ein zu niedriger Feuchtegehalt festgestellt. Zusätzlich kann bei diesem Verfahren eine von einem Temperatursensor erfasste Temperatur des Zellenstapels berücksichtigt werden.
  • In der Patentanmeldung US 2003/0157392 A1 wird ein weiteres Verfahren zum Feststellen und Regulieren eines Feuchtegehalts eines Brennstoffzellensystems offenbart. In den Zu- und Ableitungen von Luft als Oxidationsmittel sind jeweils poröse Materialien als Wasserreservoir und Hygrometer zum Messen des Feuchtegehalts der Luft vorgesehen. Die von den Einzelzellen abgeführte Luft gibt zunächst Wasser an das in der Ableitung vorgesehen Wasserreservoir ab. Ermittelt ein Hygrometer in der Ableitung einen Feuchtegehalt der Luft über einen vorgegebenen Schwellwert, wird ein gesättigtes Wasserreservoir angenommen und die Flussrichtung der Luft umgekehrt. Die zugeführte Luft entzieht dem nun vor den Einzelzellen liegenden gesättigten Wasserreservoir Wasser und gibt es nach einer Reaktion in den Einzelzellen an ein jetzt in der Ableitung befindliches Wasserreservoir ab. Bei einem zu hohen Feuchtegehalt der Abluft wird wiederum die Flussrichtung gewechselt. Alternativ wird der Wassergehalt eines Wasserreservoirs auch durch eine Erfassung der Ausdehnung des porösen Materials mittels Dehnmessstreifen oder Lichtschranken oder durch eine Erfassung der von den Einzelzellen bereitgestellten elektrischen Spannung bestimmt.
  • Die Patentanmeldung US 2009/0213896 A1 beschreibt Verfahren zum Detektieren des Gefrierens von Wasser in einer Brennstoffzelle. Dazu erfolgt eine Überwachung der Ausgangsspannung, der Stromabgabe, des elektrischen Zellenwiderstands, der Temperatur oder des auf den Zellenstapel ausgeübten Kompressionsdrucks. Kurz vor einem Gefrieren des Wassers in der Brennstoffzelle kommt es auf Grund der Volumenausdehnung des Wasser zu einer Erhöhung des Kompressionsdrucks im dem von einer Spannvorrichtung zusammengedrückten Zellenstapel. Der Kompressionsdruck steigt an und bleibt schließlich bei kompletter Vereisung auf einem gegenüber dem Betriebsdruck höheren Wert konstant. Zur Messung des Kompressionsdrucks und somit zur Erfassung einer Änderung des Aggregatzustands des Wassers von flüssig nach fest ist ein Drucksensor, beispielsweise ein Piezoelement, vorgesehen. Auch bei der Spannung, dem Strom, dem Widerstand und der Temperatur kommt es beim Gefrieren des Wassers zu einer spezifischen Veränderung der Werte. Da der Wertebereich dieser Änderungen von dem Wassergehalt beziehungsweise Feuchtegehalt der Brennstoffzelle abhängt, umfasst ein weiteres Verfahren eine Berücksichtigung des Wassergehalts bei einer Detektion des Gefrierens von Wasser. Zur Erfassung des Wassergehalts in der Brennstoffzelle wird ein Feuchtesensor verwendet.
  • In der Offenlegungsschrift DE 10 2010 006 390 A1 wird ein Stapel aus Batterien, Akkumulatoren oder Brennstoffzellen beschrieben. Diese Einzelzellen werden durch eine Spannvorrichtung zusammengehalten. Von jeder Einzelzelle ragen elektrische Kontakte nach außen, welche durch Distanzstücke verbunden sind. Die Distanzstücke und Kontakte werden beispielsweise mittels Piezoelemente miteinander verspannt. Ferner wird in der Patentanmeldung US 2006/0286426 A1 wird ein Brennstoffzellenstapel offenbart, bei dem Einzelzellen durch Piezoelemente oder Wachsdehnelemente zusammengedrückt werden.
  • Die bekannten Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems weisen den Nachteil auf, dass ein ausreichend genaues Ermitteln des Feuchtegehalts von Einzelzellen zu komplex, materialaufwändig und kostenträchtig ist. So muss zum Beispiel für jede von eventuell über hundert Einzelzellen ein Spannungssensor zum Erfassen der Einzelzellenspannung vorgesehen und über Signalleitungen mit einer Verarbeitungseinheit verbunden sein.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei der die genannten Nachteile vermieden oder zumindest verringert werden und insbesondere eine zuverlässige, unkompliziert aufgebaute und kostengünstige Ermittlung eines Feuchtegehalts von Einzelzellen auch während eines Betriebs ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Brennstoffzellensystem wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird Brennstoff und Oxidationsmittel zu einer Vielzahl von nebeneinander in einem Zellenstapel angeordneten Einzelzellen mit jeweils zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Elektrolytschicht zugeführt. Das Zuführen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu den Einzelzellen und ein Ableiten von Reaktionsprodukten sowie überschüssigem Oxidationsmittel erfolgt über entsprechend ausgebildete Leitungen oder Kanäle. Vorzugsweise lässt sich eine Flussrate eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels einstellen. Hierfür können beispielsweise Regelventile oder dergleichen vorgesehen sein. Ferner kann eine gemeinsame Trennplatte zwischen zwei benachbarten Einzelzellen, eine so genannte Bipolarplatte, mit Kanälen zum Zuführen von Ausgangsstoffen und Abführen von Reaktionsprodukten verwendet werden.
  • Die für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzten Einzelzellen können neben den Elektrodenschichten und der Elektrolytschicht weitere Platten, Schichten oder Lagen aufweisen, wie beispielsweise Gasdiffusionslagen (GDL) zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels, Trennschichten zur Abgrenzung gegenüber benachbarten Einzelzellen oder Dichtungslagen zum Verhindern eines Austritts von Brennstoff, Oxidationsmittel oder Elektrolytflüssigkeit. Die Schichten, Platten oder Lagen einer Einzelzelle sind insbesondere sandwichartig angeordnet und können am Rand von Dichtungen umgeben sein.
  • Als Einzelzellen sind beispielsweise Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen oder andere dem Fachmann bekannte Zellentypen vorgesehen. Dabei wird als Brennstoff vorzugsweise Wasserstoff oder ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, wie etwa Methan, und als Oxidationsmittel zum Beispiel Luft eingesetzt. Die Einzelzellen sind vorzugsweise sandwichartig so als Zellenstapel nebeneinander angeordnet, dass eine elektrische Reihenschaltung der Einzelzellen gebildet wird.
  • Weiterhin umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren ein Zusammendrücken des Zellenstapels während eines Betriebs mittels einer Spannvorrichtung. Die Spannvorrichtung umfasst zum Beispiel einen oder mehrere Spannbolzen, einen oder mehrere Spannbänder, einen Rahmen oder eine Kombination dieser Elemente als Spannelemente. Vorzugsweise wirken ein oder mehrerer von den Spannelementen fixierte Druckelemente auf ein oder beide Enden des Zellenstapels ein. Als Druckelemente sind beispielsweise passive Federelemente oder aktiv steuerbare Aktuatoren auf elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Basis vorgesehen. Mit der Spannvorrichtung wird insbesondere ein flexibles Zusammenhalten und Zusammendrücken des Zellenstapels von Einzelzellen bei unterschiedlichen Ausdehnungen gewährleistet.
  • Ein Erfassen eines Kompressionsdrucks auf den Zellenstapel erfolgt bei dem erfinderischen Verfahren während eines Betriebs durch mindestens einen Drucksensor. Der Drucksensor ist beispielsweise am oder im Zellenstapel angeordnet und erfasst kontinuierlich oder periodisch den Druck, mit welchem die Spannvorrichtung auf den Zellenstapel einwirkt. Vorzugsweise stellt der Drucksensor je nach erfasstem Kompressionsdruck oder einer zeitlichen Änderung des Kompressionsdrucks entsprechende elektronische Signale zur weiteren Verarbeitung bereit.
  • Schließlich wird ein Ermitteln eines aktuellen Feuchtegehalts von Elektrolytschichten auf Grundlage des erfassten Kompressionsdrucks durchgeführt. Hierfür wird beispielsweise eine Steuervorrichtung bereitgestellt, welche einen elektronischen Prozessor zum Verarbeiten von Daten und einen Datenspeicher zum Speichern von Daten enthält. Das Ermitteln des Feuchtegehalts erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines zuvor bestimmten Zusammenhangs zwischen dem Kompressionsdruck oder einer zeitlichen Änderung des Kompressionsdrucks und dem Feuchtegehalt bei dem jeweils verwendeten Zellenstapel auf rechnerische oder tabellarische Weise. Dabei können weitere Betriebsparameter, wie zum Beispiel eine aktuelle Energieentnahme beziehungsweise eine aktuelle Last, eine Umgebungstemperatur, aktuelle Flussraten für einen Brennstoff oder ein Oxidationsmittel und dergleichen mehr berücksichtigt werden. Unter Berücksichtigung des ermittelten aktuellen Feuchtegehalts erfolgt ein Anpassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems während eines Betriebs durch die Steuervorrichtung zum Optimieren des Feuchtegehalts.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems ist insbesondere für mobile Anwendungen ausgebildet, zum Beispiel zur Erzeugung von elektrischer Energie bei Kraftfahrzeugen. Mit der zu jeder Zeit unkompliziert und zuverlässig durchführbaren Ermittlung des Feuchtegehalts von Einzelzellen lässt sich ein optimaler Feuchtegehalt einstellen und somit ein möglichst effizienter Betrieb realisieren. Eine Beschädigung von Einzelzellen durch einen falschen Feuchtegehalt wird zuverlässig verhindert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Anpassung von Betriebsparametern mittels der Steuervorrichtung, wenn der ermittelte aktuelle Feuchtegehalt über einem oberen Schwellwert für den Feuchtegehalt liegt. Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Anpassung von Betriebsparametern mittels der Steuervorrichtung, wenn der ermittelte aktuelle Feuchtegehalt unter einem unteren Schwellwert für den Feuchtegehalt liegt.
  • Vorzugsweise erfolgt dabei ein Regeln von Betriebsparametern, um stets einen optimalen Feuchtegehalt und Betrieb des Brennstoffzellensystems zu erzielen. Dazu kann die Steuervorrichtung einen elektronischen Prozessor zum Verarbeiten von Daten und einen Speicher zum Speichern von Daten enthalten. Neben einer Verarbeitung von einem oder mehreren Feuchtegehalten kann zusätzlich eine Berücksichtigung von Werten weiterer Sensoren, wie etwa Temperatur-, Spannungs- oder Stromsensoren, vorgesehen sein.
  • Als Betriebsparameter werden nach einer Ausführungsform der Erfindung eine Flussrate, eine Temperatur, ein Feuchtegehalt oder ein Druck eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels, ein Kompressionsdruck auf den Zellenstapel, oder eine beliebige Kombination dieser Betriebsparameter angepasst.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erfassen des Kompressionsdrucks mit Hilfe eines zwischen einem Ende des Zellenstapels und der Spannvorrichtung vorgesehenen Drucksensors. Beispielsweise ist der Drucksensor zwischen einer Endplatte des Zellenstapels und der Spannvorrichtung vorgesehen. Die Endplatte hat vorzugsweise eine dem Querschnitt des Zellenstapels entsprechende oder ähnliche Grundfläche und dient zur homogenen Verteilung des von der Spannvorrichtung erzeugten Drucks auf das Ende des Zellenstapels. Mit dieser Maßnahme lässt sich der durch die Spannvorrichtung auf den Zellenstapel einwirkende Kompressionsdruck präzise bestimmen. Alternativ können mehrere Drucksensoren an einem Ende oder auch Drucksensoren an beiden Enden des Zellenstapels vorgesehen sein. Insbesondere sind gemäß einer Ausführungsform vier Drucksensoren für jeden Eckbereich einer im Wesentlichen rechteckigen Endplatte vorgesehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Piezoelement als Drucksensor zum Erfassen des Kompressionsdrucks vorgesehen. Das Piezoelement enthält beispielsweise einen Piezokristall, eine piezoelektrische Keramik, oder einen Stapel von Einzelelement aus einem dieser Materialien. In piezoelektrischen Materialien wird je nach anliegendem Druck eine entsprechende elektrische Spannung erzeugt. Eine Erfassung des Drucks erfolgt durch eine Messung der auftretenden elektrischen Spannung. Ein oder mehrere Piezoelemente sind zum Beispiel zwischen zwei Einzelzellen des Zellenstapels, zwischen einer Endplatte und dem Zellenstapel, oder in einer Spannvorrichtung für das Brennstoffzellensystem angeordnet. Mit einem Piezoelement ist eine zuverlässige und präzise Druckmessung in einem bestimmten Bereich des Zellenstapels möglich.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Piezoelement zusätzlich zur Erzeugung eines Kompressionsdrucks auf den Zellenstapel verwendet. Piezoelektrische Materialien nehmen je nach angelegter elektrischer Spannung ein unterschiedliches Volumen ein. Abhängig von der angelegten elektrischen Spannung erzeugt das Piezoelement einen größeren oder kleineren Druck auf den Zellenstapel. Vorzugsweise wird bei jeweils einem von mehreren Bereichen der Endplatte Kompressionsdruck durch ein Piezoelement erzeugt und erfasst. Gemäß einer Ausführungsform wird bei beiden Endplatten mit jeweils mehreren, insbesondere jeweils vier Piezoelemente ein Kompressionsdruck erfasst und gemessen. Verschiedene Bereiche der Endplatten und somit verschiedene Längsbereiche des Zellenstapels lassen sich auf diese Weise mit einem unterschiedlichen Druck beaufschlagen. So kann zum Beispiel eine über einen Querschnitt des Zellenstapels inhomogene thermische Ausdehnung durch unterschiedliche Erwärmung während eines Betriebs ausglichen werden. Zusätzlich ist eine Erfassung des Kompressionsdrucks bei verschiedenen Bereichen einer Endplatte möglich, womit die Genauigkeit der Erfassung erhöht wird. Ferner ist bei einer Ausführung zwischen den Piezoelementen und einer Endplatte ein Hebelmechanismus zum Verstärken von Stellwegen vorgesehen. Durch die doppelte Funktion des oder der Piezoelemente wird ein besonders kostengünstiges Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems erzielt.
  • Dabei erfolgt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Erfassung des Kompressionsdrucks basierend auf der zur Erzeugung des Kompressionsdrucks durch das Piezoelement verwendeten elektrischen Spannung. Die zur Erzeugung des Drucks verwendete elektrische Spannung wird beispielsweise durch eine Steuervorrichtung vorgegeben. Die hierbei benutzten Spannungswerte werden vorzugsweise direkt von der Steuervorrichtung zum Ermitteln des Feuchtegehalts verwendet. Hierdurch lässt sich auf besonders einfache und zuverlässige Weise der Feuchtegehalt bestimmen.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Temperatur des Zellenstapels durch einen Temperatursensor erfasst und die erfasste Temperatur bei der Ermittlung des Feuchtegehalts von Elektrolytschichten berücksichtigt. Als Temperatursensor wird beispielweise ein elektrischer Temperatursensor auf Widerstands- oder Halbleiterbasis verwendet, welcher im oder am Zellenstapel angeordnet ist. Eine Anordnung von mehreren Temperatursensoren an verschiedenen Orten des Zellenstapels ist ebenfalls möglich. Da eine Ausdehnung des Zellenstapels und damit auch der Kompressionsdruck auf diesen neben dem Feuchtegehalt auch von der Temperatur abhängig sein kann, erfolgt mit einer Erfassung und Berücksichtigung der Temperatur eine präzise Ermittlung des Feuchtegehalts von Elektrolytschichten der Einzelzellen.
  • Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit einem Zellenstapel von nebeneinander angeordneten Einzelzellen und einer Spannvorrichtung zum Zusammendrücken des Zellenstapels. Jede Einzelzelle weist zwei Elektrodenschichten und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Elektrolytschicht auf. Das Brennstoffzellensystem enthält mindestens einen Drucksensor zum Erfassen eines Kompressionsdrucks auf den Zellenstapel. Weiterhin ist eine Steuervorvorrichtung zum Ermitteln eines aktuellen Feuchtegehalts einer oder mehrere Elektrolytschichten auf Grundlage des erfassten Kompressionsdrucks und zum Anpassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems während eines Betriebs für ein Optimieren des Feuchtegehalts vorgesehen.
  • Analog zum erfindungsgemäßen Verfahren wird mit dem erfinderischen Brennstoffzellensystem zu jeder Zeit während des Betriebs eine zuverlässige und kostengünstige Ermittlung des Feuchtegehalts von Einzelzellen beziehungsweise deren Elektrolytschicht ermöglicht. Anhand des ermittelten Feuchtegehalts lässt sich beispielsweise eine Regelung von Betriebsparametern durchführen, um so einen stets optimalen Feuchtegehalt und Betrieb des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten.
  • Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems korrespondieren jeweils mit beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und weisen entsprechende Merkmale und Vorteile auf.
  • Die vorstehenden und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einer schematischen Seitenansicht,
    • 2 eine schematische Aufsicht auf ein Ende des Brennstoffzellensystems nach 1 bei nicht dargestellter Spannplatte, und
    • 3 ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
  • In 1 wird eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellensystems 10 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Zellenstapel 12 mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Einzelzellen 14. Die Einzelzellen 14 sind mit ihren großen gegenüberliegenden Seitenflächen sandwichartig so aneinander angeordnet, dass eine elektrische Reihenschaltung der Einzelzellen 14 realisiert wird. Möglich ist auch eine elektrische Parallelschaltung von jeweils mehreren Einzelzellen 14 des Zellenstapels 12. Jede Einzelzelle 14 wird über nicht dargestellte Kanäle oder Leitungen des Brennstoffsystems 10 mit Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, Methan oder einen anderen gasförmigen Kohlenwasserstoff, und mit Oxidationsmittel, zum Beispiel Sauerstoff oder Luft, versorgt. Entsprechend ist für jede Einzelzelle 14 eine in 1 nicht dargestellte Ableitung für Reaktionsprodukte und nicht verbrauchtem Oxidationsmittel vorgesehen. Eine vom Zellenstapel 12 erzeugte elektrische Spannung beziehungsweise Energie wird an beiden Enden des Zellenstapels 12 von ebenfalls nicht dargestellten elektrischen Kontakten bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel für eine mobile Anwendung, beispielsweise in einem Fahrzeug, ausgebildet und ist dazu möglichst leicht und raumsparend konfiguriert.
  • Jede Einzelzelle 14 enthält zur Erzeugung von elektrischer Energie jeweils zwei Elektrodenschichten 16 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytschicht 18. Zusätzlich kann jede Einzelzelle 14 weitere Schichten, Lagen oder Platten enthalten, zum Beispiel an den Elektrodenschichten 16 angeordnete Gasdiffusionslagen (GDL) zur gleichmäßigen Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel über die gesamten Flächen der Elektrodenschichten 16 und Trennplatten zur Separation der Einzelzellen 14. Dabei kann eine einzelne Trennplatte, eine sogenannte Bipolarplatte, für zwei benachbarte Einzelzellen 14 vorgesehen sein. In den Trennplatten können zudem Kanäle zur Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel und zur Ableitung von Reaktionsprodukten und unverbrauchtem Oxidationsmittel enthalten sein. Ferner sind für jede Einzelzelle 14 Dichtungen am äußeren Rand des Zellenstapels 12 oder als weitere Platten beziehungsweise Schichten vorgesehen, um ein Austreten von Brennstoff, Oxidationsmittel, Reaktionsprodukten oder einer Elektrolytflüssigkeit aus dem Zellenstapel 12 zu verhindern. Die Einzelzellen 14 sind beispielsweise als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran (PEM) als Elektrolytschicht ausgebildet, um nur eine von vielen Einzelzellentypen zu nennen, welche in dem Brennstoffzellensystem 10 einsetzbar und dem Fachmann bekannt sind.
  • Zum Zusammendrücken und Zusammenhalten des Zellenstapels 12 enthält das Brennstoffzellensystem 10 weiterhin eine Spannvorrichtung 20. Die Spannvorrichtung 20 weist vier als Spannbänder ausgebildete Spannelemente 22 auf, welche sich jeweils von einem ersten Ende 24 des Brennstoffzellensystems 10 bis zu einem zweiten Ende 26 erstrecken. Die Spannelemente 22 sind paarweise bei gegenüberliegenden Seiten des Zellenstapels 12 angeordnet und verlaufen parallel zueinander und zur Längsachse des Zellenstapels 12. In 1 sind zwei Spannelemente 22 mit entfernten Abschnitten 28 bei dem zweiten Ende 26 des Brennstoffzellensystems 10 dargestellt, um so dahinterliegende Elemente und Strukturen sichtbar zu machen. Die vier Spannelemente 22 halten jeweils eine erste Spannplatte 30 am ersten Ende 24 und eine zweite Spannplatte 32 am zweiten Ende 26 des Brennstoffzellensystems 10 in einem festgelegten maximalen Abstand zueinander. In alternativen Ausführungen können mehr oder weniger als vier Spannbänder, anstelle von zwei Spannbändern ein schlaufenförmig um beide Enden 24, 26 und entlang zwei gegenüberliegenden Seiten geführtes Spannband, oder anstelle von Spannbändern Spannbolzen verwendet werden. Auch ein starrer Rahmen mit integrierten Spannelementen und Spannplatten ist möglich. Wesentlich ist lediglich, dass die Spannplatten 30, 32 einen festgelegten Abstand zueinander aufweisen, um so ein Widerlager zur Erzeugung von Druck auf den Zellenstapel 12 darzustellen.
  • An der zweiten Spannplatten 32 sind vier Hebel 36 über Gelenke 38 schwenkbar befestigt, von denen in 1 nur zwei sichtbar sind. Die Hebel 36 liegen mit ihrem freien Ende 40 an einer Endplatte 42 an, welche Kraft von den Hebeln 36 gleichmäßiger auf ein Ende des Zellenstapels 12 und umgekehrt überträgt. Die an dem zweiten Ende 26 des Zellenstapels 12 vorgesehenen Endplatte 42 liegt dazu über die gesamte Fläche des Endes des Zellenstapels 12 an diesem an und weist eine dem Querschnitt des Zellenstapels 12 entsprechende oder ähnliche Grundfläche auf. Bei jedem Hebel 36 ist nahe dem Gelenk 38 zwischen einer Auflagefläche 58 (siehe 2) des Hebels 36 und der zweiten Spannplatte 32 ein Piezoelement 44 angeordnet. Die Piezoelemente 44 dienen sowohl zum Erfassen als auch zum Erzeugen von Kompressionsdruck auf den Zellenstapel 12. Je nach einstellbarer Ausdehnung eines Piezoelements 44 wird der entsprechende Hebel 36 mehr oder weniger stark gegen die Endplatte 42 gedrückt. Die Hebel 36 stellen somit einseitige Hebel dar, welche eine geringe Ausdehnung der Piezoelemente 44 in eine größere Auslenkung beim freien Ende 40 der Hebel 36 umsetzen. Umgekehrt übertragen die Hebel 36 den auf den Zellenstapel 12 wirkenden Kompressionsdruck auf die Piezoelemente 44. Die zweite Spannplatte 32 stellt zusammen mit den Hebeln 36 und den Gelenken 38 einen Hebelmechanismus 46 für die Piezoelemente 44 dar. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind auch bei der ersten Spannplatte 30 Piezoelemente und Hebel vorgesehen. Somit ist bei beiden Enden des Zellenstapels 12 ein Erfassen und Erzeugen von Kompressionsdruck möglich. In weiteren alternativen Ausführungsbeispielen können mehr oder weniger als vier Piezoelemente 44 oder Hebel 36 an einem Ende 24, 26, oder auch zweiseitige statt einseitige Hebel vorgesehen sein.
  • Jeder der in diesem Ausführungsbeispiel vier Piezoelemente 44 enthält einen Piezokristall, eine piezoelektrische Keramik, oder einen Stapel von Einzelelement aus einem dieser Materialien. Piezoelektrische Materialien nehmen je nach angelegter elektrischer Spannung ein unterschiedliches Volumen ein. Umgekehrt erzeugen piezoelektrische Materialien unter Druck eine entsprechende elektrische Spannung. Jedes Piezoelement 44 lässt sich von einer Steuervorrichtung 48 des Brennstoffzellensystems 10 durch Einstellen einer entsprechenden elektrischen Spannung individuell betätigen. Dazu sind die Piezoelemente 44 über elektrische Leitungen 50 mit der Steuervorrichtung 48 verbunden. Auf diese Weise lässt sich im Bereich jeder Ecke des Zellenstapels 12 der Druck auf den Zellenstapel 12 separat anpassen. Weiterhin sind die Piezoelemente 44 und die Steuervorrichtung 48 auch zum Messen eines Drucks vorgesehen. Somit lässt sich bei jeder Ecke des Zellenstapels 12 anstelle einer Druckerzeugung auch eine Erfassung des über die Endplatte 42 und den Hebel 36 auf das Piezoelement 44 wirkenden Drucks durchführen. Ferner sind in diesem Ausführungsbeispiel beim zweiten Ende 26 Federelemente 52 zwischen der Spannplatte 32 und der Endplatte 42 zum zusätzlichen Drücken der Endplatte 42 gegen den Zellenstapel 12 angeordnet. Die Federelemente 52 sind beispielsweise als Teller- oder Schraubenfedern ausgebildet.
  • Die Steuervorrichtung 48 ist zum Ermitteln eines aktuellen Feuchtegehalts von Elektrolytschichten 18 ausgebildet und verwendet dazu neben dem auf den Zellenstapel 12 aktuell wirkenden Kompressionsdruck oder eine zeitliche Änderung dieses Drucks auch eine aktuelle Temperatur oder Temperaturänderung an einem oder mehreren Orten des Zellenstapels 12. Dazu ist die Steuervorrichtung 48 über eine elektrische Verbindung 54 mit mindestens einem Temperatursensor 56 verbunden. Der Druck bei jedem Piezoelement 44 wird von der Steuervorrichtung 48 unmittelbar aus der zur Druckerzeugung verwendeten Spannung ermittelt. Alternativ kann zum Ermitteln des Drucks auch eine von den Piezoelementen 44 erzeugte Spannung verwendet werden. Ferner ist auch eine Ermittlung des Feuchtegehalts durch eine separate, von der Steuervorrichtung 48 getrennte Ermittlungsvorrichtung möglich.
  • Die Steuervorrichtung 48 berücksichtigt zum Betätigen der Piezoelemente 44 mit einer entsprechenden elektrischen Spannung beispielsweise eine aktuelle Energieentnahme, eine Umgebungstemperatur, die von dem Temperatursensor 56 bestimmte Temperatur, einen zuvor ermittelten Feuchtegehalt, einen Druck innerhalb des Brennzellensystems 10, einen Druck bei einem Bereich der Endplatte 42, eine Flussrate, Temperatur oder einen Feuchtegehalt von Brennstoff oder Oxidationsmittel und dergleichen mehr. Dazu kann die Steuervorrichtung 48 auch zur Verarbeitung von Werten zusätzlicher Sensoren, wie etwa Temperatur-, Druck-, Dehnungs-, Strom- oder Spannungssensoren ausgebildet sein und einen elektronischen Prozessor zum Verarbeiten von Daten sowie einen Speicher zum Speichern von Daten enthalten. Durch eine Verarbeitung bereitgestellter Werte ermittelt die Steuerungsvorrichtung 48 zunächst aktuelle Feuchtigkeitsgehalte von Einzelzellen 14 und stellt anschließend je nach Betriebszustand Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 10, beispielsweise den Kompressionsdruck bei jedem Piezoelement 44 oder die Flussrate, die Temperatur, den Feuchtegehalt oder den Druck von Brennstoff und Oxidationsmittel so ein, dass ein optimaler Feuchtegehalt und Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 erreicht und aufrecht erhalten wird.
  • 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf das zweite Ende 26 des Brennstoffzellensystems 10 nach 1 ohne die zweite Spannplatte 32. Jeder Hebel 36 ist an einem Ende im Bereich einer Ecke der Endplatte 42 über das Gelenk 38 mit der nicht dargestellten zweiten Spannplatte 32 verbunden. Als Gelenk 38 ist beispielsweise ein an der Spannplatte 32 befestigter Stift vorgesehen, welcher sich in eine Bohrung im Hebel 36 erstreckt. Die Schwenkachsen der Hebel 36 sind somit parallel zu den gestrichelten Linien bei den Gelenken 38. Weiterhin erstreckt sich jeder Hebel 36 entlang einer Seitenkante der Endplatte 42 bis in die gegenüberliegende Ecke der Endplatte 42, wo das freie Ende 40 des Hebels 36 mit einem Hebelkopf auf die Endplatte 42 einwirkt. Dabei sind jeweils zwei Hebel 36 über Kreuz angeordnet und so ausgebildet, dass sie sich nicht gegenseitig in ihrem Bewegungsfreiraum einschränken.
  • Benachbart zum Gelenk 38 weist jeder Hebel 36 eine Auflagefläche 58 auf, gegen welche das jeweilige Piezoelement 44 anliegt. Die Piezoelemente 44 werden von der zweiten Spannplatte 32 in Position gehalten, welche wiederum von den Spannelementen 22 fixiert wird. Durch eine solche Anordnung der Hebel 36 und Piezoelemente 44 wird eine sehr kompakte und raumsparende Spannvorrichtung 20 realisiert, welche sich gleichzeitig zum Erfassen eines Kompressionsdrucks eignet. Dabei werden durch die möglichst lang ausgebildeten Hebel 36 Piezoelemente 44 mit kleinen Stellwegen und somit geringen Ausmaßen benötigt. Weiterhin sind bei der Mitte der Endplatte 42 drei beispielsweise als Teller- oder Schraubenfedern ausgebildete Federelemente 52 angeordnet. Alternativ können auch mehr oder weniger als drei Federelemente 52 vorgesehen sein. Die Federelemente 52 üben insbesondere im mittleren Bereich der Endplatte 42 einen zusätzlichen Druck auf diese aus.
  • 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 10. Zunächst erfolgt eine Bestimmung 100 eines Zusammenhangs zwischen einem Kompressionsdruck, einer Temperatur und einem Feuchtegehalt eines bestimmten, verwendenden Zellenstapels 10 aus Einzelzellen 14 während eines Testbetriebs. Vorzugsweise wird dabei eine Abhängigkeit des Kompressionsdrucks beziehungsweise dessen Änderung von einem Feuchtegehalt und einer Temperatur des Zellenstapels 14 bestimmt. Der Zusammenhang wird beispielsweise als Rechenvorschrift oder Tabelle in einem Speicher der Steuervorrichtung 48 gespeichert und ermöglicht ein Ermitteln eines aktuellen Feuchtegehalts von Elektrolytschichten 18 beziehungsweise Einzelzellen 14 des Zellenstapels 14 während eines Betriebs.
  • Dazu erfolgt beim Betrieb des Brennstoffzellensystems durch Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel eine periodische oder kontinuierliche Erfassung 102 des aktuellen Kompressionsdrucks P mittels der Piezoelemente 44 durch die Steuervorrichtung 48. Ferner erfolgt eine periodische oder kontinuierliche Erfassung 104 mindestens einer aktuellen Temperatur T des Zellenstapels 14 mit Hilfe des Temperatursensors 56. Die Steuervorrichtung 48 führt mit dem erfassten Kompressionsdruck P oder dessen Änderungsrate und der erfassten Temperatur T oder dessen Veränderung eine Ermittlung eines aktuellen Feuchtegehalts RH von Elektrolytschichten 18 beziehungsweise Einzelzellen 14 auf Basis des gespeicherten Zusammenhangs durch.
  • Der ermittelte Feuchtegehalt RH wird mit einem vorgegebenen, optimalen Wertebereich des Feuchtegehalts für den aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems verglichen, 108. Liegt der ermittelte Feuchtegehalt RH innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs, wird das Verfahren mit einer erneuten Erfassung 102 des Kompressionsdrucks fortgesetzt. Ist der ermittelte Feuchtgehalt RH außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs, also über einem oberen Schwellwert RHmax oder unter einem unteren Schwellwert RHmin, erfolg eine Anpassung 110 von Betriebsparametern, wie beispielsweise Flussrate, Temperatur, Feuchtegehalt oder Druck des Oxidationsmittels oder des Brennstoffs, mit Hilfe der Steuervorrichtung 48. Anschließend wird das Verfahren mit einem erneuten Erfassen 102 des Kompressionsdrucks fortgesetzt. Auf diese Weise wird eine Regelung für den Feuchtegehalt während eines Betriebs realisiert. Das Brennstoffzellensystem 10 wird stets mit einem optimalen Feuchtegehalt des Zellenstapels 14 betrieben. Zusätzlich lässt sich mit der Spannvorrichtung 20 zu jeder Zeit ein geeigneter Kompressionsdruck auf den Zellenstapel 14 einstellen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), umfassend die Schritte: Zuführen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zu einer Vielzahl von nebeneinander in einem Zellenstapel (12) angeordneten Einzelzellen (14) mit jeweils zwei Elektrodenschichten (16) und einer zwischen den Elektrodenschichten (16) angeordnete Elektrolytschicht (18), Zusammendrücken des Zellenstapels (12) während eines Betriebs mittels einer Spannvorrichtung (20), und Erfassen (102) eines Kompressionsdrucks auf den Zellenstapel (12) während eines Betriebs durch mindestens einen Drucksensor (44), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ermitteln (106) eines aktuellen Feuchtegehalts von Elektrolytschichten (18) auf Grundlage des erfassten Kompressionsdrucks durchgeführt wird und ein Anpassen (110) von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (10) während eines Betriebs mittels einer Steuervorrichtung (48) zum Optimieren des Feuchtegehalts erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung (110) von Betriebsparametern mittels der Steuervorrichtung (48) erfolgt, wenn der ermittelte aktuelle Feuchtegehalt über einem oberen Schwellwert für den Feuchtegehalt liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung (110) von Betriebsparametern mittels der Steuervorrichtung (48) erfolgt, wenn der ermittelte aktuelle Feuchtegehalt unter einem unteren Schwellwert für den Feuchtegehalt liegt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter eine Flussrate, eine Temperatur, ein Feuchtegehalt oder ein Druck eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels, ein Kompressionsdruck auf den Zellenstapel (12), oder eine Kombination dieser Betriebsparameter angepasst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen (102) des Kompressionsdrucks mit Hilfe eines zwischen einem Ende des Zellenstapels (12) und der Spannvorrichtung (20) vorgesehenen Drucksensors (44) erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Piezoelement (44) als Drucksensor zum Erfassen des Kompressionsdrucks vorgesehen ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Piezoelement (44) zusätzlich zur Erzeugung eines Kompressionsdrucks auf den Zellenstapel (12) verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassung (102) des Kompressionsdrucks basierend auf der zur Erzeugung des Kompressionsdrucks durch das Piezoelement (44) verwendeten elektrischen Spannung erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Zellenstapels (12) durch einen Temperatursensor (56) erfasst (104) wird und die erfasste Temperatur bei der Ermittlung (106) des Feuchtegehalts von Elektrolytschichten (18) berücksichtigt wird.
  10. Brennstoffzellensystem (10) mit einem Zellenstapel (12) von nebeneinander angeordneten Einzelzellen (14) und einer Spannvorrichtung (20) zum Zusammendrücken des Zellenstapels (12), wobei jede Einzelzelle (14) zwei Elektrodenschichten (16) und eine zwischen den Elektrodenschichten (16) angeordnete Elektrolytschicht (18) aufweist, und das Brennstoffzellensystem (10) mindestens einen Drucksensor (44) zum Erfassen eines Kompressionsdrucks auf den Zellenstapel (12) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) eine Steuervorrichtung (48) zum Ermitteln eines aktuellen Feuchtegehalts einer oder mehrere Elektrolytschichten (18) auf Grundlage des erfassten Kompressionsdrucks und zum Anpassen (110) von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (10) während eines Betriebs für eine Optimierung des Feuchtegehalts umfasst.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018201436A1 (de) 2018-01-31 2019-08-01 Audi Ag Brennstoffzellenstapel
KR102261165B1 (ko) * 2018-04-25 2021-06-07 주식회사 엘지에너지솔루션 이차 전지 정압 지그 및 이를 이용한 이차 전지 내부 압력 조절 방법
AT522539B1 (de) * 2019-04-26 2021-04-15 Avl List Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustandes einer Elektrolytmembran in einem Brennstoffzellensystem
DE102019211595A1 (de) * 2019-08-01 2021-02-04 Audi Ag Brennstoffzellenstapel, Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels sowie Kraftfahrzeug
DE102019219782A1 (de) * 2019-12-17 2021-06-17 Robert Bosch Gmbh Zellenstapel mit zumindest einer Spannvorrichtung
DE102019219779A1 (de) * 2019-12-17 2021-06-17 Robert Bosch Gmbh Zellenstapel mit einem Stellelement
DE102020100626A1 (de) 2020-01-14 2021-07-15 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE102020120811A1 (de) 2020-08-06 2022-02-10 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug
DE102021112699A1 (de) 2021-05-17 2022-11-17 Audi Aktiengesellschaft Brennstoffzellenstapel mit einem Kompressionssystem für den Brennstoffzellenstapel
CN115727800B (zh) 2023-01-10 2023-05-16 中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司 燃料电池压缩量测量工具及其燃料电池压缩量检测方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030157392A1 (en) 2002-02-15 2003-08-21 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell humidification
US20060286426A1 (en) 2005-06-15 2006-12-21 Denso Corporation Fuel cell, fuel cell stack, and fuel cell system
WO2007083235A2 (en) 2006-01-23 2007-07-26 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US20090213896A1 (en) 2008-02-27 2009-08-27 Canon Kabushiki Kaisha Freezing detection method for fuel cell
DE102010006390A1 (de) 2010-02-01 2011-08-04 Li-Tec Battery GmbH, 01917 Gestapelte Elektroenergieeinheit

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2365496A (en) * 1943-10-19 1944-12-19 Charles S Shaw Moisture-measuring instrument
JP2009259758A (ja) * 2008-03-26 2009-11-05 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池の運転方法
JP5397387B2 (ja) * 2008-12-26 2014-01-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US7913572B2 (en) * 2009-03-18 2011-03-29 Korea Institute Of Energy Research Integrated multi-measurement system for measuring physical properties of gas diffusion layer for polymer electrolyte fuel cell with respect to compression
WO2010131351A1 (ja) * 2009-05-14 2010-11-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN102640342B (zh) * 2009-07-09 2014-10-15 丰田自动车株式会社 燃料电池系统以及燃料电池系统的运行方法
DE102009028986A1 (de) * 2009-08-28 2011-03-03 SB LiMotive Company Ltd., Suwon Verfahren und Einrichtung zum Aufbringen eines Druckes auf eine Batterie
JP5734635B2 (ja) * 2010-12-14 2015-06-17 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックの制御方法
WO2012170873A2 (en) * 2011-06-08 2012-12-13 Purdue Research Foundation Battery and battery-sensing apparatuses and methods
US20130149628A1 (en) * 2011-12-12 2013-06-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of estimating amiount of liquid water in fuel cell, method of estimating amount of liquid water discharged from fuel cell, estimation apparatus of liquid water amount in fuel cell and fuel cell system
US9281532B2 (en) * 2013-03-15 2016-03-08 GM Global Technology Operations LLC Remedial actions for air flow errors in a fuel cell system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030157392A1 (en) 2002-02-15 2003-08-21 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell humidification
US20060286426A1 (en) 2005-06-15 2006-12-21 Denso Corporation Fuel cell, fuel cell stack, and fuel cell system
WO2007083235A2 (en) 2006-01-23 2007-07-26 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US20090213896A1 (en) 2008-02-27 2009-08-27 Canon Kabushiki Kaisha Freezing detection method for fuel cell
DE102010006390A1 (de) 2010-02-01 2011-08-04 Li-Tec Battery GmbH, 01917 Gestapelte Elektroenergieeinheit

Also Published As

Publication number Publication date
RU2017114197A3 (de) 2020-06-29
RU2017114197A (ru) 2018-10-25
DE102017206729A1 (de) 2017-11-02
US20170317365A1 (en) 2017-11-02
CN107452973A (zh) 2017-12-08

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