DE102017214966A1 - Method for operating a humidification system for a fuel cell system and motor vehicle with such - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem (100), das Befeuchtungssystem aufweisend einen Befeuchter (40), der eingerichtet ist zum Übertragen von Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad (32) strömenden Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad (31) strömenden Fluidstrom, wobei ein Gehalt an flüssigem Wasser im Befeuchter (40) durch die Messung eines Leckagestroms bestimmt wird, sowie ein für ein solches Verfahren ausgelegtes Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for operating a humidification system for a fuel cell system (100), the humidification system comprising a humidifier (40) which is adapted to transfer moisture from a fluid flow passing through a second flow path (32) through a first flow path (FIG. 31) flowing fluid flow, wherein a content of liquid water in the humidifier (40) is determined by the measurement of a leakage current, and a motor vehicle designed for such a method.
Description
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.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
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.As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
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 → 2 H+ + 2 e-). 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.During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen, is supplied to the anode via a flux field of the bipolar plate and electrochemically oxidized to protons with release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). About the electrolyte or the membrane, which gas-tight and electrically isolated from each other, the reaction chambers, a transport of protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line.
Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).The cathode is supplied during operation of the fuel cell, oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2- with absorption of the electrons takes place (½ O 2 + 2 e - → O 2-). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).
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.In order to supply the fuel cell stack with the operating media, this has an anode supply and a cathode supply. The anode supply has an anode supply path for supplying the anode operating medium and an anode exhaust path for discharging an anode off-gas from the fuel cell stack. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying the cathode operating medium and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas from the fuel cell stack.
Die Maximalleistung „P“ des Brennstoffzellensystems ist durch eine definierte elektrische Spannung Upmax und einen definierten elektrischen Strom Ipmax des Brennstoffzellenstapels festgelegt. Besonders der Wirkungsgrad npmax des Brennstoffzellenstapels definiert diese Strom-Spannungs-Korrelation. Eine bedeutende Einflussgröße auf npmax des Brennstoffzellensystems hat die Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran. Eine zu geringe Membranfeuchte führt zu einer reduzierten Protonenleitfähigkeit der Membran und daraus resultierend zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Für eine definierte Einstellung der Membranfeuchte wird die der Brennstoffzelle zugeführten Luft mit Wasser befeuchtet. Die Befeuchtung der Luft wird innerhalb des Brennstoffzellensystems mit einem Luftbefeuchter umgesetzt. Die aus der Brennstoffzelle abströmende Luft (Abluft) wird durch das im Betrieb entstehende Produktwasser im Inneren des Stapels befeuchtet und anschließend dem Luftbefeuchter zugeführt. Ebenfalls wird dem Luftbefeuchter ein trockener Luftmassenstrom zugeführt (Zuluft), welcher innerhalb des Befeuchters durch die feuchte Abluft der Brennstoffzelle befeuchtet wird. Die befeuchtete Zuluft wird der Brennstoffzelle zugeführt.The maximum power "P" of the fuel cell system is defined by a defined electrical voltage U pmax and a defined electric current I pmax of the fuel cell stack. In particular, the efficiency n pmax of the fuel cell stack defines this current-voltage correlation. An important factor influencing n pmax of the fuel cell system is the moistening of the fuel cell membrane. Too low a membrane moisture leads to a reduced proton conductivity of the membrane and, as a result, to a lower efficiency of the fuel cell. For a defined adjustment of the membrane moisture, the air supplied to the fuel cell is moistened with water. The humidification of the air is implemented within the fuel cell system with a humidifier. The air flowing out of the fuel cell (exhaust air) is moistened by the product water produced during operation inside the stack and then fed to the humidifier. Also, the humidifier is supplied with a dry air mass flow (supply air), which is humidified within the humidifier by the moist exhaust air of the fuel cell. The humidified supply air is supplied to the fuel cell.
Die in Brennstoffzellensystemen eingesetzten Befeuchter, wie z.B. Membran- oder Hohlfaserbefeuchter, entziehen der feuchten Abluft des Brennstoffzellenstapels gasförmiges Wasser und übertragen dies auf die Zuluft des Brennstoffzellenstapels. Um eine variable Eintrittsfeuchte der Zuluft der Brennstoffzelle einstellen zu können, kann darüber hinaus eine Bypassleitung um den Befeuchter sowie eine Bypassklappe als Regeleinrichtung zum Einsatz kommen. Die in Brennstoffzellensystemen eingesetzten Befeuchtereinrichtungen unterliegen einer signifikant absinkenden Feuchte- Übertragungsfähigkeit ηFeuchteübertragung über der Lebensdauer t der Komponente. Die Alterung des Befeuchters ist abhängig von der im Betrieb erfahrenen Schädigung der Membranmaterialien. Hohe Temperaturen in Verbindung mit niedrigen Gasfeuchten stellen ein erhöhtes Schädigungspotential dar. Darüber hinaus führt auch das Gefrieren flüssigen Wassers innerhalb des Befeuchters zu dessen Schädigung. Bezogen auf ein Befeuchtungssystem, das in einem Kraftfahrzeug für die Befeuchtung eines Brennstoffzellensystems eingesetzt ist, wird dies im Folgenden erläutert.The humidifiers used in fuel cell systems, such as membrane or hollow fiber humidifiers, extract gaseous water from the moist exhaust air of the fuel cell stack and transmit this to the supply air of the fuel cell stack. In order to set a variable inlet humidity of the supply air of the fuel cell, a bypass line to the humidifier and a bypass valve can also be used as a control device. The Befeuchtereinrichtungen used in fuel cell systems are subject to a significantly sinking humidity transfer capability η moisture transmission over the lifetime t of the component. The aging of the humidifier depends on the damage to the membrane materials experienced during operation. High temperatures in combination with low gas humidities represent an increased potential for damage. In addition, the freezing of liquid water within the humidifier also leads to its damage. With respect to a humidification system used in a motor vehicle for humidifying a fuel cell system, this will be explained below.
Während des Abschalten des Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs wird je nach Betriebsstrategie immer oder bei absehbarem Frostbetrieb das Gesamtsystem an kritischen Stellen von Flüssigwasser befreit. Ziel ist die Sicherstellung des erfolgreichen Wiederstarts des Systems nach dem Einfrieren. Blockierte Ventile, Klappen oder in diesem Fall ein blockiertes Befeuchterströmungsfeld beziehungsweise Befeuchterhohlfasern sind dabei zu vermeiden oder unbedingt zu verhindern. Für den Befeuchter führt ein Einfrieren neben dem Nachteil eines erhöhten Strömungswiderstands, einer reduzierten Wasserübertragungsfähigkeit durch mit Eis blockierten Strömungsfeld auch die Schädigung durch den Einfriervorgang selbst. Die Dichteänderung beim Phasenwechsel führt zu einer mechanischen Beanspruchung des Membranmaterials des Befeuchters, bis hin zur Rissbildung. Dies wirkt sich negativ auf die Übertragungsfähigkeit und Effizienz der Komponente aus und führt damit zu einer beschleunigten Befeuchteralterung.When the fuel cell system of a vehicle is switched off, depending on the operating strategy, the entire system is always freed from liquid water at critical points in the case of foreseeable frost operation. The goal is to ensure the successful restart of the system after freezing. Blocked valves, flaps or in this case a blocked humidifier flow field or humidifier hollow fibers are to be avoided or necessarily prevented. For the humidifier, freezing in addition to the disadvantage of increased flow resistance, reduced water transfer capability due to ice blocked flow field also damages the freezing process itself. The change in density during the phase change results in mechanical stress on the membrane material of the humidifier, up to cracking. This has a negative effect on the transferability and efficiency of the component and thus leads to accelerated humidification.
Ein Freiblasen des Befeuchters beim Abstellen oder in anderen Zuständen der Betriebsstrategie kann das kritische Flüssigwasser austragen und damit eine Schädigung verhindern. Dies erfordert jedoch eine nicht unerhebliche Menge an Energie zum Betrieb der Nebenaggregate und verlängert beispielsweise den Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems erheblich.Blowing the humidifier off or in other states of the operating strategy may drain the critical liquid water and thus prevent damage. However, this requires a significant amount of energy to operate the ancillaries and extends, for example, the shutdown of the fuel cell system considerably.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren bereitzustellen, dass es ermöglicht, das Freiblasen gezielt auszulösen. Insbesondere soll das Verfahren eine Methode zur Minimierung der benötigten Energie und Zeit liefern sowie eine Möglichkeit zur Bestimmung des Zustands der Komponente hinsichtlich der Einfrierbarkeit liefern.The object of the invention is therefore to provide a method that makes it possible to initiate the blowing out targeted. In particular, the method is intended to provide a method of minimizing the energy and time required, as well as providing a means for determining the state of the component with respect to ease of freezability.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem. Das Befeuchtungssystem weist einen Befeuchter auf, der eingerichtet ist, Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad strömenden Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad strömenden Fluidstrom zu übertragen. Dabei wird ein Gehalt an flüssigem Wasser, also ein Flüssigwassergehalt, im Befeuchter durch die Messung eines Leckagestroms bestimmt, wobei der Leckagestrom ein vom durch den ersten Strömungspfad strömenden Fluidstrom auf einen durch den zweiten Strömungspfad geströmter Fluidstrom ist. Der Leckagestrom ist also dem bezweckten Befeuchtungsstrom entgegengerichtet.This object is achieved by a method having the features of the independent claim. Thus, a first aspect of the invention relates to a method of operating a humidification system for a fuel cell system. The humidification system includes a humidifier configured to transfer moisture from a fluid flow passing through a second flow path to a fluid flow passing through a first flow path. In this case, a content of liquid water, ie a liquid water content, in the humidifier is determined by the measurement of a leakage flow, the leakage flow being from a fluid flow flowing through the first flow path to a fluid flow that has flowed through the second flow path. The leakage current is thus directed in the opposite direction to the intended humidifying flow.
Vor diesem Hintergrund bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Flüssigwassergehalts eines Befeuchters über eine Leckageratemessung von Hochdruck- zu Niederdruckseite der Komponenente. Dadurch kann ein Flüssigwassergehalt gezielt eingestellt werden, der eine Beschädigung des Befeuchters beim Einfrieren bei niedrigen Umgebungstemperaturen verhindert. Die Alterung des Befeuchters kann dadurch effektiv reduziert bzw. verlangsamt werden.Against this background, the present invention provides a method for determining the liquid water content of a humidifier via a leakage rate measurement from high pressure to low pressure side of the component. As a result, a liquid water content can be set specifically, which prevents damage to the humidifier when freezing at low ambient temperatures. The aging of the humidifier can be effectively reduced or slowed down.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht demnach die Bestimmung des Flüssigwassergehaltes innerhalb eines Befeuchters eines Brennstoffzellensystems durch Korrelation gegen den Leckagestrom zwischen Hoch- und Niedrigdruckseite. Dies ermöglicht die Minimierung der Nachlauf- beziehungsweise Trocknungszeit des Befeuchters zum Austrag von Flüssigwasser sowie die damit verbundene Einsparung parasitärer Leistungen der Nebenverbraucher. Dies ist begründet durch den durch das erfindungsgemäße Verfahren messbaren Flüssigwassergehalt des Befeuchters, der gezielt reduziert werden kann. Beispielsweise wird der Flüssigwassergehalt nur soweit reduziert, bis eine Schädigung beim Einfriervorgang verhindert wird. Die Alterung des Befeuchters kann somit durch das erfindungsgemäße Verfahren verlangsamt werden, ohne dass häufige Zeit- und kostenintensive Wartungsprozesse des Befeuchters nötig sind.The inventive method thus enables the determination of the liquid water content within a humidifier of a fuel cell system by correlation against the leakage flow between high and low pressure side. This makes it possible to minimize the overrun or drying time of the humidifier for discharging liquid water and the associated savings in parasitic services of the secondary consumers. This is due to the measurable by the inventive method liquid water content of the humidifier, which can be selectively reduced. For example, the liquid water content is reduced only until damage during the freezing process is prevented. The aging of the humidifier can thus be slowed down by the method according to the invention without the need for frequent time-consuming and costly maintenance processes of the humidifier.
Bei dem Leckagestrom handelt es sich um einen von dem ersten Strömungspfad durch den Befeuchter in den zweiten Strömungspfad strömenden Leckagefluidstrom, der ebenfalls bevorzugt als Volumen- oder Massestrom ermittelt wird.The leakage flow is a leakage fluid flow which flows from the first flow path through the humidifier into the second flow path and which is likewise preferably determined as volume or mass flow.
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 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.The humidifier is preferably a humidifier commonly used for placement in fuel cell systems. The humidifier preferably has at least one first flow channel for a fluid flow to be humidified with a first fluid supply line and a first fluid discharge and at least one second flow channel for a moist fluid flow with a second fluid supply line and a second fluid discharge line. In this case, the first flow channel is part of the above-mentioned first flow path and the second flow channel is part of the above-mentioned second flow path. The humidifier further comprises at least one water-permeable membrane for transferring moisture from the wet fluid stream to the fluid stream to be humidified.
Bevorzugt erfolgt ein 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 Fluidzu- und -ableitung und der zweiten Fluidzu- 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.Preferably, the first flow path and the second flow path are connected via the humidifier, in that the first flow path ends in the first flow channel and the second flow path ends in the second flow channel. In other words, in each case one of the first fluid supply and discharge and the second fluid supply and discharge at the beginning of the inventive method is closed. A connection between the first flow path and the second flow path thus exists over the at least one water-permeable membrane of the humidifier and over the at least one third flow path.
In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des 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 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. In another preferred embodiment of the method, the humidifier is disposed in a fuel cell system and the first flow path is a cathode supply path of the fuel cell system, the second flow path is a cathode exhaust path of the fuel cell system, and the at least one third flow path is a cathode supply path upstream of the fuel cell system Humidifier with Wastegate with the cathode exhaust gas downstream of the humidifier connecting. According to this embodiment, moreover, a compressor for adjusting the first fluid flow and the specific overpressure is arranged in the cathode supply path upstream of the humidifier. Further, a first shut-off means for blocking the first flow path is arranged downstream of the humidifier in the cathode supply path and a second shut-off means for blocking the second flow path upstream of the humidifier in the cathode exhaust path. In other words, the leakage current of a humidifier, which is arranged in a fuel cell system, is determined with the method according to the invention.
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.The fuel cell system preferably has a fuel cell stack with a multiplicity of fuel cells and a cathode supply with a cathode supply path and with a cathode exhaust gas path. The humidifier is preferably disposed in the cathode supply path and in the cathode exhaust path. Further, a first shut-off means in the cathode supply path and a second shut-off means in the cathode exhaust path are arranged between the humidifier and the fuel cell stack. Upstream of the humidifier, a compressor is disposed in the cathode supply path. Further, a wastegate line connects the cathode supply path upstream of the compressor and upstream of the humidifier to the cathode exhaust path.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Befeuchtungssystem zusätzlich Drucksensoren aufweist, die stromauf- und stromab im ersten und/oder zweiten Strömungspfad angeordnet sind. Dabei wird der Leckagestrom über eine Differenz aus stromauf und stromab des Befeuchters gemessenen Drücken bestimmt. Wird der Leckagestrom direkt als Differenzdruck über die Befeuchtungströmungspfade des zu befeuchtenden und/oder des feuchten Gasstroms gemessen, ermöglicht das direkt die Korrelation auf den Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters. Die derartige Bestimmung des Leckagestroms stellt eine direkte und zudem eine einfache und schnell zugängliche Messung des Leckagestroms dar. Dies erfordert jedoch zusätzliche Sensorik in Form von Differenzdrucksensoren.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the moistening system additionally comprises pressure sensors, which are arranged upstream and downstream in the first and / or second flow path. The leakage current is determined by a difference between pressures measured upstream and downstream of the humidifier. If the leakage flow is measured directly as the differential pressure across the humidification flow paths of the humidified and / or wet gas stream, this directly allows correlation to the liquid water content within the humidifier. Such a determination of the leakage current represents a direct and also a simple and quickly accessible measurement of the leakage current. However, this requires additional sensors in the form of differential pressure sensors.
Alternativ wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms verwendet, das vorteilhafterweise ohne diese zusätzlichen Sensoren auskommt und im Wesentlichen die folgenden Schritte aufweist. Ein erster Schritt 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.Alternatively, a method is used for determining a leakage current, which advantageously manages without these additional sensors and essentially comprises the following steps. A first step consists of connecting the first flow path and the second flow path via the humidifier and at least one third flow path to one another, in particular to connect them to one another in a fluid-conducting manner. The connection between the first and second flow paths consists in particular exclusively of the humidifier and the at least one third flow path. By definition, in a third flow path, there is essentially no chemical conversion of a fluid, in particular operating medium, flowing therein. Thus, at the beginning of the process according to the invention, any connection between the first and second flow paths, in which a chemical reaction of a fluid flowing therethrough, would be blocked.
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.Subsequently, a first fluid flow is adjusted in the first flow path or conveyed in this or in this. The first fluid flow is adjusted to set a certain overpressure from the first flow path to the second flow path. Subsequently, the first fluid flow actually flowing in the first flow path upstream of the humidifier and at least one second fluid flow actually flowing through the at least one third flow path are determined or detected. The determined or detected fluid flows are preferably fluid volume flows or fluid mass flows. Finally, the leakage flow through the humidifier is determined as the difference between the first fluid flow and the at least one second fluid flow. The leakage flow is a leakage fluid flow which flows from the first flow path through the humidifier into the second flow path and which is likewise preferably determined as volume or mass flow. With the leakage current is advantageously a previously unknown or previously unidentified characteristic value of a humidifier available.
Unabhängig von der Bestimmung des Leckagestroms ist bevorzugt, dass das Befeuchtungssystem ferner ein Steuersystem aufweist, welches eingerichtet ist, Signale aus dem Befeuchtungssystem und/oder aus einem mit diesem verbunden Brennstoffzellensystem zu empfangen und in deren Abhängigkeit die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszulösen. Vorteilhafterweise bilden Komponentenversuche eine Datengrundlage darüber, welche exakte Menge an Flüssigwasser zu einer Schädigung der Komponenten beispielsweise beim Einfriervorgang führen. Anhand dieser Datengrundlage wird vorzugsweise eine Korrelation zum Leckagestrom des Befeuchters erstellt, die dann bevorzugt im Steuersystem hinterlegt wird. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Befeuchters wird innerhalb des Steuersystems der jeweils gemessene Leckagestrom mit der vorgenannten Korrelationsfunktion verglichen. Sofern dieser Abgleich einen potentiell zu hohen Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters ergibt, wird der Austrag von Flüssigwasser aus dem Befeuchter auf die dafür vorgesehene Art und Weise der Betriebsstrategie ausgelöst, fortgesetzt oder verlängert.Regardless of the determination of the leakage current, it is preferred that the humidification system also has a control system which is set up to receive signals from the humidifying system and / or from a fuel cell system connected thereto and to trigger the implementation of the method according to the invention. Advantageously, component tests form a data base on which exact amount of liquid water lead to damage of the components, for example during the freezing process. Based on this data basis, a correlation to the leakage current of the humidifier is preferably created, which then preferably deposited in the tax system. During operation of the fuel cell system or of the humidifier, the respectively measured leakage current is compared with the aforementioned correlation function within the control system. If this balancing results in potentially high liquid water content within the humidifier, the discharge of liquid water from the humidifier will be initiated, continued or extended in the manner and manner of the operating strategy intended therefor.
Ein derartiges Steuersystem hat ferner den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren automatisch, insbesondere in Abhängigkeit von definierten Variablen, durchgeführt wird. Eine derartige Variable ist beispielsweise die Betriebsdauer des Befeuchtungssystems.Such a control system also has the advantage that the method according to the invention is carried out automatically, in particular as a function of defined variables. One such variable is, for example, the operating time of the humidification system.
Somit ist in weiter bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Verfahren nach einer definierten Anzahl von Betriebsstunden ausgeführt wird. Dies bringt den Vorteil, dass in regelmäßigen Abständen der Feuchtigkeitsgehalt des Befeuchters bestimmt wird.Thus, in a further preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the method is executed after a defined number of operating hours. This has the advantage that the moisture content of the humidifier is determined at regular intervals.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das Verfahren als Teil eines Abstellvorgangs und/oder in einer speziellen Konditionierung des Brennstoffzellensystems kurz vor dem tatsächlichen Einfriervorgang des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird. Der tatsächliche Einfriervorgang wird dabei beispielsweise durch einen autonomen Zustand im abgestellten Fahrzeug dargestellt. Sofern der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Flüssigwassergehalt im Befeuchter einen kritischen Wert nicht überschreitet, erfolgt keine zusätzliche Konditionierung, also kein zusätzlicher Austrag von Flüssigwasser aus dem Befeuchter. Ein bereits laufender Wasseraustrag kann beendet werden. Dadurch ergibt sich gegenüber einer lediglich zeitabhängigen Applikation dieser Einfrier-Vorkonditionierung der Vorteil eines reduzierten Zeitbedarfs sowie eine Minimierung der parasitären Leistungen. Dies ist insbesondere bei der Anwendung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug von Vorteil, da der Flüssigwassergehalt des Befeuchters beim Abstellen des Fahrzeugs stets verschieden ist und unter anderem von dem zuvor abgefahrenen Lastprofil, den Umgebungsbedingungen, der Neigungen und Beschleunigungen im Fahrzeug und auch durch Alterungseffekte, wie Ablagerungen in Schläuchen und Komponenten beeinflusst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere in den vorgenannten Ausführungsformen gegen derartige Einflussfaktoren auf den Flüssigwassergehalt des Befeuchters robust, da eine Messung im jeweils vorliegenden Fahrzeugzustand erfolgt und der Abgleich zur Einfrierfähigkeit des Befeuchters darauf basiert.Alternatively or additionally, it is provided that the method is carried out as part of a shutdown process and / or in a special conditioning of the fuel cell system shortly before the actual freezing process of the fuel cell system. The actual freezing process is represented, for example, by an autonomous state in the parked vehicle. If the liquid water content in the humidifier determined by the method according to the invention does not exceed a critical value, there is no additional conditioning, ie no additional discharge of liquid water from the humidifier. An already running water discharge can be stopped. This results in comparison to a merely time-dependent application of this freezing preconditioning the advantage of a reduced time requirement and minimizing the parasitic power. This is particularly advantageous in the application of the fuel cell system in a vehicle, since the liquid water content of the humidifier when parking the vehicle is always different and among other things from the previously worn load profile, the environmental conditions, inclinations and accelerations in the vehicle and also by aging effects such Deposits in hoses and components is affected. The inventive method is particularly robust in the aforementioned embodiments against such factors influencing the liquid water content of the humidifier, since a measurement in the respective present vehicle state takes place and the comparison to the freezing capability of the humidifier is based thereon.
Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug aufweisend ein Befeuchtungssystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.Thus, another aspect of the invention relates to a motor vehicle having a humidification system that is configured to perform the method according to the invention.
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.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichteten Brennstoffzellensystems; -
2 eine schematische Darstellung eines Befeuchters und -
3 ein Entscheidungsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausgestaltung.
-
1 a schematic representation of a set up for carrying out a method according to the invention fuel cell system; -
2 a schematic representation of a humidifier and -
3 a decision diagram of the method according to the invention in a preferred embodiment.
Das Brennstoffzellensystem
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
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist ein Verdichter
Die Kathodenversorgung
Das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
Die Absperrmittel
Der in
Im Folgenden wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die
Der Leckagestrom wird beispielsweise als Differenzdruck über die Befeuchtungströmungspfade des zu befeuchtenden und/oder des feuchten Gasstroms gemessen oder aber durch das anhand der
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems
Zudem strömt in Abhängigkeit der Betriebsdauer beziehungsweise des Alterungszustandes des Befeuchters
In einem ersten Schritt des bevorzugten Verfahrens zur Bestimmung des Leckagestroms werden das erste Absperrmittel
Aufgrund des bestimmten Überdrucks strömt ein zweiter Kathodenbetriebsmittelstrom durch die Wastegateleitung
Der Flüssigwassergehalt im Befeuchter beeinflusst das Strömungsverhalten der durchtretenden Gase. Ein hoher Anteil an Flüssigwasser bildet eine Zweiphasenströmung mit erhöhten Druckverlusten aus beispielsweise aufgrund der gestiegenen Strömungswiderstände im Vergleich zu einem „trockenen“ Befeuchterströmungsfeld. Dieser Zusammenhang wirkt sich auch auf den Leckagemassenstrom des Befeuchters aus, der bei zunehmender Flüssigwassermenge innerhalb des Befeuchters reduziert wird. Eine Messung des Leckagemassenstroms von Hoch- zu Niederdruckseite ermöglicht damit eine indirekte Messung des Flüssigwassergehalts im Befeuchterströmungsfeld.The liquid water content in the humidifier influences the flow behavior of the gases passing through. A high proportion of liquid water forms a two-phase flow with increased pressure losses due to, for example, increased flow resistance compared to a "dry" humidifier flow field. This relationship also affects the leakage mass flow of the humidifier, which is reduced as the amount of liquid in the humidifier increases. A measurement of the leakage mass flow from high to low pressure side thus allows an indirect measurement of the liquid water content in the humidifier flow field.
Komponentenversuche können die Datengrundlage bieten, welche exakte Menge an Flüssigwasser zu einer Schädigung der Komponente beim Einfriervorgang führt. Anhand dieser Messungen kann die notwendige Korrelation zum Leckagemassenstrom des Befeuchters (III) erstellt werden und diese im Betrieb des Brennstoffzellensystems auf dem Steuersystem mit dem aktuell gemessenen Leckagemassenstrom verglichen werden (IV). Sofern dieser Abgleich einen potentiell zu hohen Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters ergibt, wird der Austrag von Flüssigwasser aus der Komponente innerhalb der dafür vorgesehenen Art und Weise der Betriebsstrategie fortgesetzt beziehungsweise verlängert (VI). Dadurch ist auch die Anwendung der Erfindung innerhalb des Fahrzeugbetriebs ersichtlich, z.B. innerhalb des Abstellvorgangs oder u.U. in einer speziellen Konditionierung des Brennstoffzellensystems kurz vor dem tatsächlichen Einfriervorgang (beispielsweise durch einen autonomen Zustand im abgestellten Fahrzeug). Sofern der Flüssigwassergehalt φ, gemessen anhand der vorgestellten Methode, den kritischen Wert φmax nicht überschreitet, muss keine zusätzliche Konditionierung erfolgen, beziehungsweise letztere kann beendet werden. Dadurch ergibt sich gegenüber einer lediglich zeitabhängigen Applikation dieser Einfrier-vorkonditionierung der Vorteil eines reduzierten Zeitbedarfs sowie einer Minimierung der parasitären Leistung.Component tests can provide the data basis, which exact amount of liquid water leads to damage of the component during the freezing process. Based on these measurements, the necessary correlation to the leakage mass flow of the humidifier (III) can be established and compared to the currently measured leakage mass flow during operation of the fuel cell system on the control system (IV). If this balancing results in a potential excessively high liquid water content within the humidifier, the discharge of liquid water from the component is continued or extended within the intended manner of the operating strategy (VI). As a result, the application of the invention within the vehicle operation is apparent, for example, within the shutdown process or possibly in a special conditioning of the fuel cell system shortly before the actual freezing process (for example, by an autonomous state in the parked vehicle). If the liquid water content φ, measured by the method presented, does not exceed the critical value φ max , no additional conditioning must take place, or the latter can be terminated. This results in comparison with a merely time-dependent application of this freezing preconditioning the advantage of a reduced time requirement and minimizing the parasitic power.
Dies wird vor allem dadurch deutlich, dass der Flüssigwassergehalt des Befeuchters beim Abstellen des Fahrzeugs stets verschieden ist und von dem zuvor abgefahrenen Lastprofil, den Umgebungsbedingungen, der Neigungen und Beschleunigungen im Fahrzeug und auch durch Alterungseffekte, wie Ablagerungen in Schläuchen und Komponenten, beeinflusst wird. Gegen diese und alle weiteren denkbaren Einflussfaktoren auf den Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters ist der vorgestellte Ansatz robust, da eine Messung im jeweils vorliegenden Fahrzeugzustand erfolgt und der Abgleich zur Einfrierfähigkeit des Befeuchters darauf basiert. Das garantiert auch den Komponentenschutz des Befeuchters.This is particularly clear from the fact that the liquid water content of the humidifier is always different when parking the vehicle and is influenced by the previously worn load profile, the environmental conditions, inclinations and accelerations in the vehicle and also by aging effects, such as deposits in hoses and components. Against this and all other possible influencing factors on the liquid water content within the humidifier, the presented approach is robust, since a measurement is carried out in each case present vehicle state and the comparison to the freezing capability of the humidifier based on it. This also guarantees the component protection of the humidifier.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Brennstoffzellensystem The fuel cell system
- 1010
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1111
- Einzelzellesingle cell
- 1212
- Anodenraumanode chamber
- 1313
- Kathodenraumcathode space
- 1414
- Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)Membrane electrode assembly (MEA)
- 1515
- Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
- 2020
- Anodenversorgunganode supply
- 2121
- AnodenversorgungspfadAnode supply path
- 2222
- AnodenabgaspfadAnode exhaust gas path
- 2323
- Brennstofftankfuel tank
- 2424
- Stellmittelactuating means
- 2525
- BrennstoffrezirkulationsleitungBrennstoffrezirkulationsleitung
- 2626
- Rezirkulationsfördereinrichtung recirculation conveyor
- 3030
- Kathodenversorgungcathode supply
- 3131
- Kathodenversorgungspfad (erster Strömungspfad)Cathode supply path (first flow path)
- 3232
- Kathodenabgaspfad (zweiter Strömungspfad)Cathode exhaust path (second flow path)
- 3333
- Verdichtercompressor
- 3434
- Elektromotorelectric motor
- 3535
- Leistungselektronikpower electronics
- 3636
- Turbineturbine
- 3737
- Wastegate-LeitungWaste gate line
- 3838
- Wastegateventil Wastegate valve
- 4040
- Befeuchterhumidifier
- 4141
- Bypassleitungbypass line
- 4242
- Bypassventilbypass valve
- 4343
- erster Strömungskanalfirst flow channel
- 4444
- erste Fluidzuleitung first fluid supply line
- 4545
- erste Fluidableitungfirst fluid discharge
- 4646
- wasserdurchlässige Membranwater-permeable membrane
- 4747
- zweiter Strömungskanalsecond flow channel
- 4848
- zweite Fluidzuleitungsecond fluid supply line
- 4949
- zweite Fluidableitung second fluid discharge
- 5151
- erster Luftmassenmesserfirst air mass meter
- 5252
- zweiter Luftmassenmesser second air mass meter
- 6161
- erstes Absperrmittelfirst shut-off device
- 6262
- zweites Absperrmittelsecond shut-off device
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |