DE102017214967A1

DE102017214967A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands eines Befeuchters und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017214967A1
Application number: DE102017214967.1A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Christian Schröder
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands eines Befeuchters (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 ein Verdichter (33) stromaufwärts des Befeuchters (40) in dem ersten Strömungspfad (31) angeordnet ist. Das Verfahren weist zumindest die Schritte: Beschleunigung des Verdichters (33) ab einem Zeitpunkt t₁ und Erfassen einer Drehzahl n des Verdichters (33) von dem Zeitpunkt t₁ bis zu einem Zeitpunkt t₂; Bestimmen einer Trajektorie der Drehzahl n zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ und Vergleich der Drehzahltrajektorie mit zumindest einer Referenztrajektorie und Ermitteln eines Alterungszustands des Befeuchters (40) anhand des Vergleichs auf. Dabei sind der erste Strömungspfad (31) und der zweite Strömungspfad (32) zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ über den Befeuchter (40) und zumindest einen dritten Strömungspfad (37) verbunden. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustandes eines Befeuchters, insbesondere eines in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Befeuchters, und ein zum Durchführen dieses Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem.
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 MEA.
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.
Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
Um den Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist eine Anodenversorgungsleitung für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums zu und eine Anodenabgasleitung für ein Abführen eines Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel auf. Analog weist die Kathodenversorgung eine Kathodenversorgungsleitung für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums zu und eine Kathodenabgasleitung für ein Abführen eines Kathodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel auf.
Ein Brennstoffzellenfahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches zum Großteil durch ein solches Brennstoffzellensystem betrieben wird. Optional kann auch eine Batterie das Brennstoffzellensystem unterstützen, um einen Elektromotor mit Energie zu versorgen, welcher wiederum ein Drehmoment zum Fahrzeugantrieb generiert. Als Brennstoffzellensystem kommen jegliche Konfigurationen, wie PEM, SOFC, etc., in Betracht. Hierin wird stellvertretend von einer Wasserstoff-Luft-PEM-Brennstoffzelle und einem System wie in 1 ausgegangen.
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. Eine zu geringe Membranfeuchte kann zu einer reduzierten Protonenleitfähigkeit der Membrane und daraus resultierend zu einem niedrigeren Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems führen. In der Regel kommen Membran- oder Hohlfaserbefeuchter in Brennstoffzellensystemen zum Einsatz. Zum Einstellen einer variablen Eintrittsfeuchte der Zuluft, kann darüber hinaus ein Bypass um den Befeuchter sowie eine darin angeordnete Bypassklappe als Regeleinrichtungen verwendet werden.
Die in Brennstoffzellensystemen eingesetzten Befeuchter unterliegen einer signifikant absinkenden Feuchte-Übertragungsfähigkeit η über der Lebensdauer t der Komponente, da der Befeuchter durch den Betrieb stetig geschädigt wird, insbesondere bei hohen Temperaturen in Verbindung mit niedrigen Eintrittsfeuchten der zugeführten Gasströme. Als konkrete Schädigungen können sich zunehmend Risse im Polymermaterial des Befeuchters bilden, was zu einer erhöhten Leckage zwischen der Hoch- und Niederdruckseite des Befeuchters führt. Darüber hinaus wirkt sich die Befeuchteralterung auch negativ auf die Übertragungsfähigkeit für Wasserdampf, das heißt auf die Feuchte-Übertragungsfähigkeit η, aus. Diese ist daher proportional zu dem über die Lebensdauer ansteigenden Leckagestrom ṁ_leak∼η = f(t).
Der Leckagestrom ṁ_leak bezeichnet dabei einen Massestrom von der trockenen zu der feuchten Seite innerhalb des Luftbefeuchters. Zusätzlich korreliert der Differenzdruck Δp über den Befeuchter, das heißt zwischen dem trockenen und dem feuchten Gasstrom, positiv mit dem Leckagestrom. Zumindest insofern der Luftdruck der trockenen Seite des Befeuchters höher ist als der auf der feuchten Seite gilt dabei ṁ_leak = f(Δp,t).
Für einen effizienten und sicheren Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist es unerlässlich, die Befeuchteralterung in der Regel- und Betriebsstrategie zu berücksichtigen, um beispielsweise die Polymermembranen des Brennstoffzellenstapels nicht durch zu niedrige Eintrittsfeuchten auf der Kathode zu schädigen. Die aktuelle Effizienz beziehungsweise der Alterungszustand eines Befeuchters sind bislang nicht erfassbar, was ein exaktes Einstellen der Feuchte des Kathodenbetriebsmediums am Kathodeneintritt des Stapels erschwert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln der Effizienz beziehungsweise des Alterungszustandes eines Befeuchters bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands eines Befeuchters sowie durch ein Brennstoffzellensystem gemäß den Patentansprüchen.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands eines Befeuchters, 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 und ein Verdichter stromaufwärts des Befeuchters in dem ersten Strömungspfad angeordnet ist. Bei dem Verdichter handelt es sich bevorzugt um einen rotierenden Verdränger oder besonders bevorzugt um einen Turboverdichter. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verdichter spätestens ab einem Zeitpunkt t₁ beschleunigt und ab dem Zeitpunkt t₁ wird eine Drehzahl n des Verdichters erfasst. Die Erfassung der Drehzahl endet zu einem Zeitpunkt t₂, zu der bevorzugt auch die Beschleunigung endet, letzteres ist jedoch nicht zwingend.
Anhand der erfassten Drehzahlen wird eine Trajektorie der Drehzahl n zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ ermittelt. Anschließend erfolgt ein Vergleich der ermittelten Drehzahltrajektorie mit zumindest einer Referenztrajektorie. Anhand dieses Vergleichs wird letztlich ein Alterungszustand des Befeuchters bestimmt. Erfindungsgemäß sind der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, bevorzugt ausschließlich, über den Befeuchter und zumindest einen dritten Strömungspfad verbunden.
In dem zumindest einen dritten Strömungspfad erfolgt bevorzugt, zumindest im Wesentlichen, keine chemische Umsetzung eines darin strömenden Fluides, insbesondere Betriebsmittels. Ebenfalls bevorzugt verbindet der dritte Strömungspfad den ersten Strömungspfad unmittelbar mit dem zweiten Strömungspfad und enthält insbesondere keine auf die Zusammensetzung eines darin strömenden Fluides einwirkenden Bauteile. Besonders bevorzugt bleibt die chemische Zusammensetzung eines in dem dritten Strömungspfads strömenden Fluides erhalten. Somit können in dem dritten Strömungspfad zwar passive Bauteile wie Ventile oder Klappen enthalten sein, jedoch keine aktiven Bauteile wie Brennstoffzellen oder Befeuchter.
Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit bevorzugt jede Verbindung des ersten und zweiten Strömungspfads, worin eine chemische Umsetzung eines darin strömenden Fluides erfolgen könnte, gesperrt oder liegt eine Sperrung jeder solcher Verbindung bereits vor. Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren daher ferner die Schritte: Sperren des ersten Strömungspfads stromabwärts des Befeuchters und Sperren des zweiten Strömungspfads stromaufwärts des Befeuchters sowie Verbinden des ersten Strömungspfads stromaufwärts des Befeuchters mit dem zweiten Strömungspfad stromabwärts des Befeuchters über den zumindest einen dritten Strömungspfad.
Wie einleitend beschrieben, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Leckagestrom und dem Alterungszustand eines Befeuchters. Anstelle den Leckagestrom direkt zu messen, wird dieser erfindungsgemäß über das dynamische Verhalten des Verdichters messbar gemacht und zur Bestimmung des Alterungszustandes des Befeuchters genutzt. Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass der Strömungswiderstand des Luftpfades des Brennstoffzellensystems als Widerstandmoment M_W die Beschleunigung und den Auslauf der Verdichterwelle beeinflusst. Somit ist die Drehzahl n des Verdichters nicht nur durch das bekannte Antriebsmoment M_V des Verdichters, sondern auch durch das Widerstandsmoment M_W des Strömungspfads bestimmt, durch den das von dem Verdichter geförderte Fluid strömt.
Dies kann mit dem Zusammenhang ω = 2 · pi · n/60 über den Drallsatz wie folgt dargestellt werden: $\frac{d ω}{dt} = \frac{M_{V} - M_{W}}{J_{V}}$
, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit des Verdichter in rad, n die Drehzahl des Verdichter pro Minute , M die diversen Momente in Nm und J das Trägheitsmoment des Verdichters in kg·m² bezeichnen.
Der im obigen Zusammenhang durch M_W abgebildete charakteristische Strömungswiderstand des Luftpfades durch den Befeuchter reduziert sich mit steigender Befeuchterleckage, das heißt mit zunehmendem Leckagestrom. Folglich wird gemäß dem obigen Zusammenhang auch die Drehzahltrajektorie des Verdichters durch eine Änderung des Leckagestroms beeinflusst.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann somit über einen Abgleich einer am Verdichter erfassten Drehzahltrajektorie mit zuvor zu bekannten Alterungszuständen des Befeuchters bestimmten Referenz(drehzahl)trajektorien ein aktueller Alterungszustand des Befeuchters ermittelt werden. Dieser Abgleich und dafür notwendige Referenzdaten können beispielsweise im Steuergerät eines Brennstoffzellensystems erfolgen beziehungsweise hinterlegt werden.
Besonders bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein auf den Verdichter wirkendes Widerstandsmoment anhand der Drehzahltrajektorie und einem Antriebsmoment des Verdichters, wie obenstehend definiert, ermittelt. Mit anderen Worten kann in der oben angegebenen Rechnung eine Korrektur durch Verwendung der bekannten Werte für das Antriebsmomente des Verdichters erfolgen. Letztlich wird der Alterungszustandes des Befeuchters dann anhand des Widerstandsmoments ermittelt. Darüber hinaus erfolgt bevorzugt eine Korrektur des Widerstandsmoments anhand von Durchflussbeiwerten, die den Strömungswiderstand von anderen Teile des Luftsystems neben dem Befeuchter beschreiben.
Bevorzugt wird die Drehzahltrajektorie zur Detektion eines Alterungszustandes in Form des Leckagestroms und/oder einer Übertragungseffizienz des Befeuchters genutzt. Ebenfalls bevorzugt kann anhand der Drehzahltrajektorie 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. Der erfindungsgemäß anhand der Drehzahltrajektorie ermittelte Alterungszustand kann ferner zum Steuern oder Regeln der Befeuchtung eines Betriebsmediums mittels des Befeuchters genutzt werden.
In einer ersten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand des Vergleichs von erfasster Drehzahltrajektorie und zumindest einer Referenz(drehzahl)trajektorie der Leckagestrom, insbesondere ein Leckagemassetrom, ermittelt. Dabei erfolgt das Bestimmen der zumindest einen Referenztrajektorie bevorzugt, indem während der Lebensdauer eines Referenzbefeuchters mehrfach eine Drehzahltraktorie aufgenommen und gleichzeitig ein Leckagestrom durch den Befeuchter ermittelt wird. Der ermittelte Leckagestrom wird schließlich der jeweiligen Referenztrajektorie zugeordnet. Eine Referenztrajektorie ist somit stets mit einem Leckagestrom verknüpft. Somit wird im erfindungsgemäßen Verfahren durch Zuordnung der erfassten Drehzahltrajektorie zu zumindest einer Referenztrajektorie ein zugehöriger Leckagestrom ermittelt.
Bevorzugt erfolgt das Erfassen des zu einer Referenztrajektorie korrespondierenden Leckagestroms mittels eines Verfahrens, wobei ein erster Fluidstrom in dem ersten Strömungspfad eingestellt beziehungsweise in diesem oder in diesen hinein gefördert wird. Der erste Fluidstrom wird dabei 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. Bevorzugt wird ein Leckagestrom für eine Referenztrajektorie als Mittel einer Mehrzahl von Leckageströmen bestimmt, die bei verschiedenen bestimmten Überdrücken erfasst wurden.
Beim Erstellen der Referenztrajektorien erfolgt das Erfassen des ersten Fluidstroms bevorzugt mittels eines in dem ersten Strömungspfad angeordneten ersten Luftmassenmessers und erfolgt alternativ oder zusätzlich das Erfassen des zweiten Fluidstroms mittels zumindest eines in dem zumindest einen dritten Strömungspfad angeordneten zweiten Luftmassenmessers. Ebenfalls bevorzugt kann das Bestimmen des ersten und zweiten Fluidstroms mittels Differenzdrucksensoren erfolgen. Alternativ kann zumindest der erste Fluidstrom anhand eines Kennfelds des Verdichters und gegebenenfalls anhand von Umgebungsdaten, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc., bestimmt werden. Folglich werden zur Erstellung der mit dem jeweiligen Leckagestrom verknüpften Referenztrajektorien, neben einem Drehzahlsensor im Verdichter, in zumindest ein Luftmassenmesser oder Differenzdrucksensoren benötigt. Erfindungsgemäß ist hingegen ein Drehzahlsensor im Verdichter ausreichend. Somit kann auf weitergehende Sensorik verzichtet werden, was Kosten und Bauraum spart.
In einer alternativen Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zusätzlich zu jeder Referenztrajektorie jeweils die relative Feuchtigkeit des zu befeuchtenden Fluidstroms am Befeuchtereintritt und -austritt sowie die relative Feuchtigkeit des feuchten Fluidstroms am Befeuchtereintritt und -austritt erfasst. Anschließend wird aus den erfassten relativen Feuchtigkeiten bevorzugt eine Übertragungseffizienz des Befeuchters, 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 beim Eintritt in den Befeuchter, ermittelt (vergleiche [1], Formel (24)). Die ermittelte Übertragungseffizienz wird schließlich der jeweiligen Referenztrajektorie zugeordnet. Eine Referenztrajektorie ist somit stets mit einer Übertragungseffizienz verknüpft. Somit kann im erfindungsgemäßen Verfahren durch Zuordnung der erfassten Drehzahltrajektorie zu zumindest einer Referenztrajektorie eine zugehörige Übertragungseffizienz ermittelt werden.
Die derart definierte und im erfindungsgemäßen Verfahren anhand der Drehzahltrajektorie ermittelbare Übertragungseffizienz ist somit ein Maß für die tatsächlich erfolgte Befeuchtung im Verhältnis zu der maximal möglichen Befeuchtung des zu befeuchtenden Fluidstroms und ist ferner umgekehrt proportional zu dem über die Lebensdauer des Befeuchters ansteigenden Leckagestrom durch denselben. Zur Bestimmung der mit der jeweiligen Übertragungseffizienz verknüpften Referenztrajektorie werden somit, neben einem Drehzahlsensor im Verdichter, Feuchtigkeitssensoren benötigt. Im erfindungsgemäßen Verfahren selbst ist hingegen ein Drehzahlsensor im Verdichter ausreichend. Somit kann auf weitergehende Sensorik verzichtet werden, wodurch Kosten und Bauraum eingespart werden können.
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.
Bei dem Leckagestrom handelt es sich um einen von dem ersten Strömungspfad durch den Befeuchter in den zweiten Strömungspfad strömenden Leckagefluidstrom, der als Volumen- oder Massestrom betrachtet werden kann. Der Leckagestrom als Indikator des Alterungszustands eines Befeuchters wird im erfindungsgemäßen Verfahren zwar zunächst nur mittelbar bestimmt, stellt jedoch, wie auch die Übertragungseffizienz, einen bislang nicht genutzten Kennwert für den Alterungszustand eines Befeuchters zur Verfügung.
In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Beschleunigen des Verdichters aus dessen Ruhelage oder in dessen Ruhelage. Somit erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei der initialen Beschleunigung und/oder beim Auslauf des Verdichters eines Brennstoffzellensystems. Besonders bevorzugt erfolgt das Erfassen der Drehzahl beim Hochfahren oder im Auslauf des Verdichters.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Vielzahl von Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Anodenversorgung mit einer Anodenversorgungsleitung und einer Anodenabgasleitung auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Kathodenversorgung mit einer Kathodenversorgungsleitung und einer Kathodenabgasleitung auf. In der Kathodenversorgungsleitung sind ein Befeuchter sowie eine die Kathodenversorgungsleitung stromaufwärts des Befeuchters mit der Kathodenabgasleitung stromabwärts des Befeuchters verbindende Wastegateleitung angeordnet. Ferner ist ein Verdichter stromaufwärts des Befeuchters in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet. Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem zudem eine Steuereinheit auf, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie obenstehend beschrieben, eingerichtet ist. Dabei ist der Kathodenversorgungspfad des Brennstoffzellenstapels der erste Strömungspfad, ist der Kathodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems der zweite Strömungspfad und ist die Wastegateleitung der dritte Strömungspfad. Mit anderen Worten wird das erfindungsgemäße Verfahren genutzt, um den Alterungszustand eines Befeuchters zu bestimmen, der in einem Brennstoffzellensystem angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner ein stromabwärts des Befeuchters in dem Kathodenversorgungspfad angeordnetes erstes Absperrmittel zum Sperren des ersten Strömungspfads sowie ein stromaufwärts des Befeuchters in dem Kathodenabgaspfad angeordnetes zweites Absperrmittel zum Sperren des zweiten Strömungspfads auf. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit ferner dafür eingerichtet, das erste Absperrmittel und das zweite Absperrmittel vor oder spätestens zu dem Zeitpunkt t₁ zu schließen. Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das erste und zweite Absperrmittel mittels eines zweiten Steuersignals S2 zu schließen. Dabei wird das zweite Steuersignal S2 bevorzugt durch ein erstes Steuersignal S1 ausgelöst oder bedingt, wobei das erste Steuersignal S1 von der Steuereinheit zum Verdichter gesendet wird, um ein Beschleunigen des Verdichters, bevorzugt aus oder in dessen Ruhelage, einzuleiten.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystem ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, ein auf den Verdichter wirkendes Widerstandsmoments anhand der Drehzahltrajektorie und einem Antriebsmoment des Verdichters zu ermitteln sowie den Alterungszustand des Befeuchters anhand des Widerstandsmoments zu ermitteln. Ferner ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, einen Alterungszustand des Befeuchters anhand des Widerstandsmoments und zumindest eines Durchflussbeiwerts der Kathodenversorgung zu ermitteln. Der Durchflussbeiwert beschreibt dabei einen oder mehrere Strömungswiderstände des Luftsystems exklusive des Befeuchters und kann somit zur Reduzierung von Störeinflüssen in dem oben genannten Drallsatz genutzt werden. Somit kann der auf den Befeuchter zurückzuführende Strömungswiderstand und folglich auch der Einfluss der Leckage mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Der allgemeine Zusammenhang zur Berechnung von Strömungswiderständen anhand eines Durchflussbeiwerts k_V in über oder unterkritischen Zustände ist dem Fachmann lautet: ${(\frac{p_{2}}{p_{1}})}_{krit} = {(\frac{2}{κ + 1})}^{\frac{κ}{κ - 1}}_{,}$
wobei für überkritische Zustände gilt $k_{v} = \frac{{\dot{Q}}_{n}}{257 \cdot p_{1}} \sqrt{T_{1} \cdot ρ_{n}}$
und für unterkritische Zustände gilt $k_{v} = \frac{{\dot{Q}}_{n}}{514} {\sqrt{\frac{T_{1} \cdot ρ_{n}}{p_{2} \cdot Δ p}}}_{,}$
wobei k_v den Durchflussbeiwert in m³/h, κ den Isentropenexponenten, Q_n den Normdurchfluss in Nm³/h, p₁ den Eingangsdruck in bar, p₂ den Ausgangsdruck in bar, Δp die Druckdifferenz in bar, ρ_n die Normdichte in kg/m3 und T₁ die Fluidtemperatur am Eintritt in K bezeichnen.
In einer besonders bevorzugten Durchführungsform wird ein Durchflussbeiwert eines Wastegateventils verwendet. Der Durchflussbeiwert des Wastegateventils ist dabei bevorzugt 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.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist das Steuergerät ferner dazu eingerichtet ist, die Befeuchtung eines Kathodenbetriebsmediums in dem Befeuchter unter Berücksichtigung des Alterungszustands des Befeuchters zu steuern oder zu regeln. Bevorzugt erfolgt das Steuern oder Regeln der Befeuchtung des Kathodenbetriebsmediums dabei mittels Einstellen des Klappenverhältnisses des Bypassventils.
In dieser Hinsicht betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, aufweisend das erfindungsgemäße Bestimmen eines Alterungszustandes des in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Befeuchters wie vorstehend beschrieben. Gemäß einer ersten Durchführungsform dieses Verfahrens wird zunächst eine Übertragungseffizienz oder ein Leckagestrom des Befeuchters wie oben beschrieben anhand einer erfassten Drehzahltrajektorie ermittelt. Anschließend erfolgt das Steuern oder Regeln der Befeuchtung eines Kathodenbetriebsmediums in dem Befeuchter unter Berücksichtigung der ermittelten Übertragungseffizienz oder dem ermittelten Leckagestrom des Befeuchters. Wird beispielsweise eine verringerte Übertragungseffizienz beziehungsweise ein erhöhter Leckagestrom 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 Betriebsverfahrens wird mittels des ermittelten 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 anhand des Alterungszustandes angepasst wird und/oder indem in der Bestimmung der Brandauzahl Br (vgl. [1], Formel (29)), welche das Verhältnis der Volumenströme des zu befeuchtenden und des feuchten Fluidstroms am jeweiligen Befeuchtereintritt bezeichnet, diese Volumenströme angepasst werden. Bevorzugt wird in der Berechnung 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, des ermittelten Leckagestroms 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 vor oder zu einem Zeitpunkt t_1, sodass ein Kathodenversorgungspfad und ein Kathodenabgaspfad nur über den Befeuchter und eine Wastegateleitung fluidführend miteinander verbunden sind; Beschleunigen eines Verdichters ab dem Zeitpunkt t₁ und Erfassen der Drehzahl des Verdichters vom Zeitpunkt t₁ bis zu einem Zeitpunkt t₂ . Bevorzugt endet die Beschleunigung des Verdichters ebenfalls am Zeitpunkt t₂ . Die Beschleunigung kann positiv oder negativ sein. Ferner weist das Diagnostikverfahren die Schritte auf, Ermitteln einer Drehzahltrajektorie zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ , Vergleich der ermittelten Drehzahltrajektorie mit zumindest einer Referenztrajektorie und Bestimmen eines Alterungszustandes des Befeuchters anhand des Vergleichs mit der Referenztrajektorie, bevorzugt in Form eines Leckagestroms und/oder einer Übertragungseffizienz des Befeuchters. 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. Ebenfalls bevorzugt ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Alterungszustand eines Befeuchter im erfindungsgemäßen Verfahren während einer Startprozedur des Brennstoffzellenstapels oder während einer Ausschaltprozedur des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen.
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;
2 eine schematische Darstellung eines Befeuchters;
3 eine charakteristische Drehzahltrajektorie eines Verdichters bei Beschleunigung aus dessen Ruhelage; und
4 eine charakteristische Drehzahltrajektorie eines Verdichters bei Beschleunigung in dessen Ruhelage.

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 eine Steuereinheit 50, ein erstes Absperrmittel 61 und ein zweites Absperrmittel 62 aufweist.
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 zudem dem Abtrennen des abgeschalteten Brennstoffzellenstapels 10 von der Umgebung. Somit kann 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 und der Steuereinheit 50 das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Strömungswiderstand des vom Verdichter geförderten Fluides lediglich vom Befeuchter 40 und der Wastegateleitung 37 mit Wastegateventil 38 abhängt. Der Einfluss der letzten beiden wird bevorzugt über einen Durchflussbeiwert berücksichtigt.
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 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 anhand einer Drehzahltrajektorie des Verdichters.
Im Folgenden wird der Ablauf einer ersten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 kurz erläutert.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens signalisiert die Steuereinheit 50 dem Verdichter 33 mittels eines ersten Steuersignals S1 den Beginn einer Beschleunigung, hier des Hochfahrens des Verdichters 33, sowie des erfindungsgemäßen Erfassens der Drehzahl n des Verdichters. Unmittelbar daraufhin oder gleichzeitig sperrt die Steuereinheit 50 das erste und zweite Absperrmittel 61, 62 mittels eines zweiten Steuersignals S2 und öffnet die Steuereinheit 50 das Wastegateventil 38 mittels des Steuersignals S3. Alternativ können das ersten und zweite Absperrmittel 61, 62 zu diesem Zeitpunkt bereits geschlossen und das Wastegateventil 38 zu diesem Zeitpunkt bereits geöffnet sein. Dann hätte das zweite Steuersignal S2 keine Wirkung auf die Absperrmittel 61, 62 und Wastegateventil 38. Bevorzugt erfolgt das Verschließen der Ventile 61, 62 und das Öffnen des Ventils 38 zum Zeitpunkt t₀. Ebenfalls bevorzugt sind die Absperrmittel 61, 62 als regelbare Klappen ausgebildet.
Zu einem Zeitpunkt t_1, beispielsweise nach Ablauf einer festen Zeitspanne nach dem ersten Steuersignal S1 zur Sicherstellung der korrekten Ventilstellung der Ventile 61, 62 und 38, wird der Verdichter 33 wird mit einer bekannten und vorzugsweise konstanten Stromstärke bzw. Lastanforderung beschleunigt, wie in 3 dargestellt. Innerhalb des Messintervalls t₁ bis t₂ bewirkt der Strömungswiderstand des Systems, insbesondere der Kathodenversorgung 30 mit Befeuchter 40 und Wastegateleitung/-ventil 37, 38 eine eindeutige Drehzahlanstieg beziehungsweise eine eindeutige Drehzahltrajektorie des Verdichters 33. Diese ist durch das auf den Verdichter wirkende Widerstandsmoment M_W und das bekannte Antriebsmoment M_V definiert.
Ein steigender Leckagemassestrom durch den Befeuchter 40 mit zunehmender Alterung des Befeuchters 40 reduziert M_W und beeinflusst damit die charakteristische Drehzahltrajektorie des Verdichters 33, indem es beim Hochfahren des Verdichters 33 einen schnelleren Drehzahlanstieg bewirkt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Drehzahl zumindest zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ erfasst und die in 3 gezeigte Drehzahltrajektorie zumindest zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ ermittelt.
Ferner erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren ein Abgleich mit beispielsweise im Steuergerät 50 des Brennstoffzellensystems 100 hinterlegten Referenztrajektorien zu verschiedenen Alterungszuständen des Befeuchters 40. Aus diesem Abgleich wird letztlich der tatsächliche Alterungszustand des Befeuchters 40 in Form eines Leckagestroms oder einer Übertragungseffizienz bestimmt.
Im Folgenden wird der Ablauf einer ersten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 4 kurz erläutert.
Zu einem Zeitpunkt t₀ sind je nach Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems 100 die Absperrklappen 61, 62 sowie das Wastegate 38 noch geöffnet. Zum Zeitpunkt t₁ werden die Absperrklappen 61, 62 geschlossen und das Wastegate 38 geöffnet. Innerhalb des Messintervalls t₁ bis t₂ bewirkt der Strömungswiderstand des Systems 100, insbesondere der Kathodenversorgung 30, einen eindeutigen Drehzahlabfall des Verdichters 33. Diese ist durch das auf den Verdichter wirkende Widerstandsmoment M_W definiert. Ein mit zunehmender Alterung des Befeuchters steigender Leckagestrom reduziert M_W und beeinflusst damit die charakteristische Drehzahltrajektorie des Verdichters 33 und bewirkt insbesondere einen langsamere Drehzahlabfall, wie in 4 dargestellt. Ein Abgleich mit beispielsweise im Steuergerät 50 des Brennstoffzellensystems 100 hinterlegten Referenztrajektorien zu verschiedenen Alterungszuständen des Befeuchters 40 ergibt dann den jeweils tatsächlich vorliegenden Alterungszustand, bevorzugt in Form eines Leckagestroms durch den Befeuchter 40 oder einer Übertragungseffizienz des Befeuchters 40.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungsleitung
22: Anodenabgasleitung
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Rezirkulationsfördereinrichtung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungsleitung
32: Kathodenabgasleitung
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
50: Steuereinheit
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) ([1]) [0023]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands eines Befeuchters (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, wobei ein Verdichter (33) stromaufwärts des Befeuchters (40) in dem ersten Strömungspfad (31) angeordnet ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Beschleunigung des Verdichters (33) ab einem Zeitpunkt t₁ und Erfassen einer Drehzahl n des Verdichters (33) von dem Zeitpunkt t₁ bis zu einem Zeitpunkt t₂; Bestimmen einer Trajektorie der Drehzahl n zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂; Vergleich der Drehzahltrajektorie mit zumindest einer Referenztrajektorie, und Ermitteln eines Alterungszustands des Befeuchters (40) anhand des Vergleichs, wobei der erste Strömungspfad (31) und der zweite Strömungspfad (32) zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ über den Befeuchter (40) und zumindest einen dritten Strömungspfad (37) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine chemische Zusammensetzung des Fluidstroms in dem zumindest einen dritten Strömungspfad (37) unverändert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Alterungszustand des Befeuchters (40) als ein Leckagemassestrom und/oder eine Übertragungseffizienz ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend die Schritte: Ermitteln eines auf den Verdichter (33) wirkenden Widerstandsmoments anhand der Drehzahltrajektorie und einem Antriebsmoment des Verdichters (33); und Ermitteln des Alterungszustandes des Befeuchters (40) anhand des Widerstandsmoments.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Beschleunigen des Verdichters (33) aus oder in dessen Ruhelage erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit den Schritten: 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).
Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen (11); eine Anodenversorgung (20) mit einer Anodenversorgungsleitung (21) und einer Anodenabgasleitung (22); eine Kathodenversorgung (30) mit einer Kathodenversorgungsleitung (31), einer Kathodenabgasleitung (32), einem in der Kathodenversorgungsleitung (31) angeordneten Befeuchter (40), eine die Kathodenversorgungsleitung (31) stromaufwärts des Befeuchters mit der Kathodenabgasleitung (32) und stromabwärts des Befeuchters (40) verbindende Wastegateleitung (37), und einen stromaufwärts des Befeuchters (40) in der Kathodenversorgungsleitung (31) angeordneten Verdichter (33); und eine Steuereinheit (50), die zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist, wobei die Kathodenversorgungsleitung (31) des Brennstoffzellenstapels (10) der erste Strömungspfad, die Kathodenabgasleitung (32) des Brennstoffzellensystems (100) der zweite Strömungspfad und die Wastegateleitung (37) der dritte Strömungspfad ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, ferner aufweisend ein stromabwärts des Befeuchters (40) in der Kathodenversorgungsleitung (31) angeordnetes erstes Absperrmittel (61) zum Sperren des ersten Strömungspfads und ein stromaufwärts des Befeuchters (40) in der Kathodenabgasleitung (32) angeordnetes zweites Absperrmittel (62) zum Sperren des zweiten Strömungspfads, wobei die Steuereinheit (50) ferner dafür eingerichtet ist, das erste Absperrmittel (61) und das zweite Absperrmittel (62) vor dem Zeitpunkt t₁ zu schließen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7 oder 8 mit einer zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4 eingerichteten Steuereinheit (50), wobei der Alterungszustand des Befeuchters (40) anhand des Widerstandsmoments und zumindest eines Durchflussbeiwerts der Kathodenversorgung (30) ermittelt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei dass Steuergerät (50) ferner dazu eingerichtet ist, die Befeuchtung eines Kathodenbetriebsmediums in dem Befeuchter (40) unter Berücksichtigung des Alterungszustands des Befeuchters (40) zu steuern oder zu regeln.