DE102019133094A1 - Method for performing a test measurement on a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig in seiner Luftversorgungsleitung (4) einen Verdichter (3), einen die Luftversorgungsleitung (4) stromab des Verdichters (3) mit einer Kathodenabgasleitung (5) verbindenden Systembypass (6) mit einem Bypassventil (7), ein in der Luftversorgungsleitung (4) stromab des Systembypasses (6) angeordnetes erstes Absperrventil (8) und ein in der Kathodenabgasleitung (5) stromauf des Systembypass (6) angeordnetes zweites Absperrventil (9) aufweist, wobei in der Luftversorgungsleitung (4) stromauf des Systembypasses (6) ein erster Luftmassensensor (10) und in dem Systembypass (6) ein zweiter Luftmassensensor (11) angeordnet ist, umfassend die Schritte des Schließens (13) des ersten Absperrventils (8) und des zweiten Absperrventils (9), des Erfassens (14) des Luftstromes durch den ersten Luftmassensensor (10) und durch den zweiten Luftmassensensor (11) und Vergleich (15) der Messdaten des ersten Luftmassensensors (10) und des zweiten Luftmassensensors (11) mit der Überprüfung auf Konsistenz. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a method for carrying out a test measurement on a fuel cell device (1) with a fuel cell stack having at least one fuel cell, which has a compressor (3) on the cathode side in its air supply line (4) and an air supply line (4) downstream of the compressor (3) a system bypass (6) connecting the cathode exhaust line (5) with a bypass valve (7), a first shut-off valve (8) arranged in the air supply line (4) downstream of the system bypass (6) and a first shut-off valve (8) in the cathode exhaust line (5) upstream of the system bypass (6) arranged second shut-off valve (9), wherein a first air mass sensor (10) is arranged in the air supply line (4) upstream of the system bypass (6) and a second air mass sensor (11) is arranged in the system bypass (6), comprising the steps of closing (13) ) the first shut-off valve (8) and the second shut-off valve (9), the detection (14) of the air flow through the first air tmassensensor (10) and by the second air mass sensor (11) and comparison (15) of the measurement data of the first air mass sensor (10) and the second air mass sensor (11) with the checking for consistency. The invention also relates to a fuel cell device (1) and a motor vehicle with a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig in seiner Luftversorgungsleitung einen Verdichter, einen die Luftversorgungsleitung stromab des Verdichters mit einer Kathodenabgasleitung verbinden-den Systembypass mit einem Bypassventil, ein in der Luftversorgungsleitung stromab des Systembypasses angeordnetes erstes Absperrventil und ein in der Kathodenabgasleitung stromauf des Systembypass angeordnetes zweites Absperrventil aufweist, wobei in der Luftversorgungsleitung stromauf des Systembypasses ein erster Luftmassensensor und in dem Systembypass ein zweiter Luftmassensensor angeordnet ist, umfassend die Schritte des Schließens des ersten Absperrventils und des zweiten Absperrventils, des Erfassens des Luftstromes durch den ersten Luftmassensensor und durch den zweiten Luftmassensensor und Vergleich der Messdaten des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit der Überprüfung auf Konsistenz. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a method for performing a test measurement on a fuel cell device with a fuel cell stack having at least one fuel cell, the air supply line on the cathode side, a compressor, the air supply line downstream of the compressor with a cathode exhaust gas line - the system bypass with a bypass valve, one in the air supply line downstream of the system bypass arranged first shut-off valve and a second shut-off valve arranged in the cathode exhaust line upstream of the system bypass, wherein a first air mass sensor is arranged in the air supply line upstream of the system bypass and a second air mass sensor is arranged in the system bypass, comprising the steps of closing the first shut-off valve and the second shut-off valve , the detection of the air flow by the first air mass sensor and by the second air mass sensor and comparison of the measurement data of the first air tmassensensors and the second air mass sensor with the check for consistency. The invention further relates to a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.Fuel cell devices are used to chemically convert a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. A (water-bound or water-free) transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place via the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.

Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Daher wird ein Befeuchter genutzt, der bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirkt, indem die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft an einer für Wasserdampf durchlässigen Befeuchtermembran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.In order to provide sufficient oxygen from the air for the large number of fuel cells combined in a fuel cell stack, air with the oxygen contained therein is compressed by means of a compressor in the cathode circuit to supply the cathode spaces of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present. whose moisture is insufficient for use in the fuel cell stack for the membrane electrode unit. For this reason, a humidifier is used which, in the case of two gaseous media with different moisture contents, causes the moisture to be transferred to the drier medium by guiding the dry air provided by the compressor past a humidifier membrane that is permeable to water vapor, the other side of which is released with the moist exhaust air the fuel cell stack is painted.

Bei Brennstoffzellenvorrichtung mit dem vorstehend genannten Aufbau werden die Messdaten der Luftmassensensoren ausgelesen und verarbeitet, um daraus die Größe des dem Brennstoffzellenstapels zugeführten Luftmassenstromes bestimmen zu können. Dies ist bedeutsam für den kontrollierten Ablauf der elektrochemischen Reaktion mit der erforderlichen Bereitstellung der an der Reaktion beteiligten Reaktanten in dem gewünschten stöchiometrischen Verhältnis. Allerdings können aufgrund von Toleranzen in der Fertigung der Luftmassensensoren und Veränderungen von deren Verhalten mit zunehmender Alterung während ihrer Laufzeit die Messdaten verfälscht werden, was dazu führen kann, dass der dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luftmassenstrom und der den Systembypass nutzende Luftmassenstrom falsch bestimmt wird. Dies führt zu ungewollten Systemzuständen mit der Wahl falscher Betriebspunkte, was die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung beeinträchtigt und diese sogar schädigen kann.In the case of a fuel cell device with the structure mentioned above, the measurement data from the air mass sensors are read out and processed in order to be able to determine the size of the air mass flow supplied to the fuel cell stack. This is important for the controlled course of the electrochemical reaction with the necessary provision of the reactants involved in the reaction in the desired stoichiometric ratio. However, due to tolerances in the production of the air mass sensors and changes in their behavior with increasing aging during their runtime, the measurement data can be falsified, which can lead to the air mass flow supplied to the fuel cell stack and the air mass flow using the system bypass being incorrectly determined. This leads to undesired system states with the selection of incorrect operating points, which impairs the efficiency of the fuel cell device and can even damage it.

In der DE 10 2011 118 689 A1 ist ein Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem beschrieben, das bereits während der Montage ausgeführt wird unter anderem beinhaltet, die Luftfördereinrichtung kurzzeitig zu betreiben, wobei mit Hilfe eines Luftmassensensors und mehreren Drucksensoren bei verschiedenen Stellungen von Drosselklappen Werte für den Luftmassenstrom und den Druck erfasst und mit Vorgabewerten verglichen werden.In the DE 10 2011 118 689 A1 describes a method for fault diagnosis in a fuel cell system, which is already carried out during assembly, among other things, to operate the air delivery device for a short time, with the help of an air mass sensor and several pressure sensors at different positions of throttle valves for the air mass flow and the pressure being recorded and with Default values are compared.

Die DE 10 2012 018 102 A1 schlägt vor, bei einem Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzellen durch eine regelbare Luftfördereinrichtung einen Luftmassenstrom zu erzeugen, der durch einen Luftmassensensor erfasst wird. Für eine in Strömungsrichtung von dem Luftmassensensor liegende Stelle erfolgt eine rechnerische Abschätzung des dort vorliegenden Luftmassenstromes, um den Einsatz weiterer Luftmassensensoren vermeiden zu können. Auch ist die Möglichkeit offenbart, an dem Ort der rechnerischen Abschätzung einen weiteren Luftmassensensor zu positionieren und dessen Messwert mit dem Schätzwert zu vergleichen zur Funktionsüberwachung. Die Verwendung zweier voneinander beabstandeter Luftmassensensoren ist auch in DE 10 2012 018 101 A1 erläutert.The DE 10 2012 018 102 A1 proposes, in a method for supplying air to a fuel cell, to generate an air mass flow by means of a controllable air delivery device, which air mass flow is detected by an air mass sensor. For a point located in the direction of flow from the air mass sensor, a computational estimate of the air mass flow present there is carried out in order to determine the use to be able to avoid further air mass sensors. The possibility is also disclosed to position a further air mass sensor at the location of the computational estimation and to compare its measured value with the estimated value for function monitoring. The use of two spaced apart air mass sensors is also in DE 10 2012 018 101 A1 explained.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die vorstehend genannten Nachteile gemildert oder sogar beseitigt werden können. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a method with which the above-mentioned disadvantages can be alleviated or even eliminated. A further object is to provide an improved fuel cell device and an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1, by a fuel cell device with the features of claim 7 and by a motor vehicle with the features of claim 9. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in der gewählten Konfiguration der durch den Verdichter generierte Luftmassenstrom nacheinander ohne Veränderungen beide Luftmassensensoren durchströmen muss und damit Veränderungen der Messdaten mit einer Drift über die Laufzeit erkannt werden können. Somit kann die Alterung der Luftmassensensoren mit einer Änderungen ihres Verhaltens erkannt werden.The aforementioned method for performing a test measurement on a fuel cell device is characterized in that, in the selected configuration, the air mass flow generated by the compressor must flow through both air mass sensors one after the other without changes and thus changes in the measurement data with a drift over the running time can be detected. The aging of the air mass sensors can thus be recognized with a change in their behavior.

Bevorzugt ist dabei, wenn nach der Startanforderung für die Betriebsaufnahme der Brennstoffzellenvorrichtung die Testmessung durchgeführt und anschließend die Startprozedur fortgesetzt wird, da so bei einem klar definierten Ausgangszustand ohne Einfluss auf den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung die Testmessung durchgeführt werden kann, die nicht zeitaufwändig ist und daher die Startprozedur für den Nutzer nur unwesentlich verzögert.It is preferred here if the test measurement is carried out after the start request for the start of operation of the fuel cell device and the start procedure is then continued, since the test measurement can be carried out in a clearly defined initial state without affecting the operation of the fuel cell device, which is not time-consuming and therefore the Start procedure only slightly delayed for the user.

Alternativ oder auch ergänzend besteht auch die Möglichkeit, dass die Testmessung beim Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt wird, wenn die Betriebssituation das zeitweilige Schließen des ersten Absperrventils und des zweiten Absperrventils ermöglicht. Eine derartige Betriebssituation ist insbesondere in einem Start-Stopp-Betrieb gegeben, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung keine Leistung abgeben muss.As an alternative or in addition, there is also the possibility that the test measurement is carried out when the fuel cell device is being operated if the operating situation enables the first shut-off valve and the second shut-off valve to be temporarily closed. Such an operating situation is given in particular in a start-stop mode when the fuel cell device does not have to output any power.

Von Vorteil ist weiterhin, wenn ein Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung hinterlegt ist, und die Messdaten des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit dem Referenzwert abgeglichen und korrigiert werden. Damit ist die Möglichkeit gegeben, dass nicht nur eine Abweichung zwischen den Messdaten der Luftmassensensoren oder eine Drift über die Laufzeit erkannt werden kann, sondern auch eine Korrektur erfolgen kann, also während der Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung erneute Kalibrierungen der Luftmassensensoren möglich sind, um die gemäß der Korrekturen neu erlernten Daten für den weiteren Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung zu nutzen.It is also advantageous if a reference value for the air mass flow is stored for a given compressor output, and the measurement data of the first air mass sensor and the second air mass sensor are compared with the reference value and corrected. This gives the possibility that not only a discrepancy between the measurement data of the air mass sensors or a drift over the running time can be detected, but also a correction can be made, i.e. renewed calibrations of the air mass sensors are possible during the life of the fuel cell device in order to adjust the according to the Corrections to use newly learned data for the further operation of the fuel cell device.

Bevorzugt ist weiterhin, wenn der Abgleich und die Korrektur über den gesamten Betriebsbereich des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit unterschiedlichen Verdichterleistungen und daraus resultierenden Luftmassenströmen durchgeführt wird, um eine verbesserte Kontrolle zu erlangen.It is also preferred if the comparison and correction is carried out over the entire operating range of the first air mass sensor and the second air mass sensor with different compressor outputs and air mass flows resulting therefrom in order to achieve improved control.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen des Verfahrens mit seinen Varianten gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig in seiner Luftversorgungsleitung einen Verdichter, einen die Luftversorgungsleitung stromab des Verdichters mit einer Kathodenabgasleitung verbinden Systembypass mit einem Bypassventil, ein in der Luftversorgungsleitung stromab des Systembypasses angeordnetes erstes Absperrventil und ein in der Kathodenabgasleitung stromauf des Systembypass angeordnetes zweites Absperrventil aufweist, wobei in der Luftversorgungsleitung stromauf des System bypasses ein erster Luftmassensensor und in dem Systembypass ein zweiter Luftmassensensor angeordnet ist, und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren und eine Speichereinheit für den jeweiligen Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung aufweist, wobei der erste Luftmassensensor stromauf des Verdichters und der zweite Luftmassensensor in dem Systembypass stromab des Bypassventils und stromauf der Einmündung des System bypasses in die Kathodenabgasleitung angeordnet sind. Die sinngemäße Geltung bezieht sich auch auf ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.The above-mentioned advantages and effects of the method with its variants also apply mutatis mutandis to a fuel cell device with a fuel cell stack having at least one fuel cell, which on the cathode side in its air supply line connects a compressor, the air supply line downstream of the compressor with a cathode exhaust line system bypass with a bypass valve, an in the air supply line has a first shut-off valve arranged downstream of the system bypass and a second shut-off valve arranged in the cathode exhaust line upstream of the system bypass, a first air mass sensor being arranged in the air supply line upstream of the system bypass and a second air mass sensor being arranged in the system bypass, and with a control unit that is set up for performing one of the above-mentioned methods and a storage unit for the respective reference value for the air mass flow at a given compression performance, wherein the first air mass sensor upstream of the compressor and the second air mass sensor are arranged in the system bypass, downstream of the bypass valve and upstream of the confluence of the system bypass into the cathode exhaust line. The analogous validity also relates to a motor vehicle with such a fuel cell device.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Embodiments are thus also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are disclosed in The figures are not explicitly shown or explained, but emerge from the explanations explained and can be generated by separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung des kathodenseitigen Aufbaus einer Brennstoffzellenvorrichtung, und
  • 2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Einbindung des Verfahrens in die Startprozedur einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of the cathode-side structure of a fuel cell device, and
  • 2 a flow chart to illustrate the integration of the method in the starting procedure of a fuel cell device.

In der 1 ist schematisch der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.In the 1 is a schematic of the part of a fuel cell device required to explain the invention 1 shown, this comprising a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine in der 1 dargestellte Kathode 2 sowie eine die Anode von der Kathode 2 trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein. Each of the fuel cells includes an anode, one in the 1 shown cathode 2 and one the anode from the cathode 2 separating, proton-conductive membrane. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden 2 kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.The anodes and / or the cathodes 2 A catalyst can also be added, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like, which act as a reaction accelerator in the reaction serve the respective fuel cell.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode 2 hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode 2 oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) from a fuel tank via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the PEM to the cathode 2 pass through, the electrons are sent to the cathode via an external circuit 2 or fed to an energy store.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode 2 das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode can via a cathode compartment 2 the cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) are supplied so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem, in der Zeichnung nicht dargestellten, dem Verdichter 3 nachgelagerten Befeuchter, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Since a plurality of fuel cells are combined in the fuel cell stack, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available, so that by a compressor 3rd a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided, the temperature of which increases significantly as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, that is to say its setting with regard to the temperature and humidity desired in the fuel cell stack, takes place in a compressor, not shown in the drawing 3rd downstream humidifier, which causes moisture saturation of the membranes of the fuel cells to increase their efficiency, as this promotes the transport of protons.

Für die Einstellung der gewünschten stöchiometrischen Verhältnisse der Reaktanten bei unterschiedlichen Betriebszuständen und Betriebspunkten ist eine ausreichende Kontrolle über den Luftmassenstrom gewünscht. Dazu ist der Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung 1 kathodenseitig gewählt mit einer Luftversorgungsleitung 4 mit dem Verdichter 3, mit einem die Luftversorgungsleitung 4 stromab des Verdichters 3 mit einer Kathodenabgasleitung 5 verbindenden Systembypass 6 mit einem Bypassventil 7, mit einem in der Luftversorgungsleitung 4 stromab des Systembypasses 6 angeordneten ersten Absperrventil 8 und einem in der Kathodenabgasleitung 5 stromauf des Systembypass 6 angeordneten zweiten Absperrventil 9. Weiterhin ist in der Luftversorgungsleitung 4 stromauf des System bypasses 6 ein erster Luftmassensensor 10 und in dem Systembypass 6 ein zweiter Luftmassensensor 11 angeordnet. Bei diesem Aufbau besteht die Möglichkeit, ein Verfahren mit einer Testmessung durchzuführen, umfassend die Schritte des Schließens 13 des ersten Absperrventils 8 und des zweiten Absperrventils 9, bei Offenhaltung des Bypassventils 7, des Erfassens 14 des vom Verdichter 3 generierten Luftstromes durch den ersten Luftmassensensor 10 und durch den zweiten Luftmassensensor 11 und Vergleich der Messdaten des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit der Überprüfung auf Konsistenz. In dieser Konfiguration der Brennstoffzellenvorrichtung 1 muss der gesamte durch den Verdichter 3 bereit gestellte Luftmassenstrom zunächst den ersten Luftmassensensor 10 und sodann den zweiten Luftmassensensor 11 durchströmen, so dass zum Einem die Förderleistung des Verdichters 3 kontrolliert und abgeglichen werden kann und auch eine Kontrolle möglich ist, ob beide Luftmassensensoren 10, 11 die gleichen Messdaten anzeigen.Sufficient control over the air mass flow is desired for setting the desired stoichiometric ratios of the reactants at different operating states and operating points. This is the structure of the fuel cell device 1 Elected cathode side with an air supply line 4th with the compressor 3rd , with one the air supply line 4th downstream of the compressor 3rd with a cathode exhaust line 5 connecting system bypass 6th with a bypass valve 7th , with one in the air supply line 4th downstream of the system bypass 6th arranged first shut-off valve 8th and one in the cathode exhaust line 5 upstream of the system bypass 6th arranged second shut-off valve 9 . Furthermore is in the air supply line 4th upstream of the system bypass 6, a first air mass sensor 10 and in the system bypass 6th a second air mass sensor 11 arranged. With this structure, there is the possibility of carrying out a method with a test measurement, comprising the steps of closing 13th of the first shut-off valve 8th and the second shut-off valve 9 , when the bypass valve is kept open 7th , of capturing 14th from the compressor 3rd generated air flow through the first air mass sensor 10 and by the second air mass sensor 11 and comparing the measurement data of the first air mass sensor and the second air mass sensor with the check for consistency. In this configuration, the fuel cell device 1 must all through the compressor 3rd provided air mass flow initially the first air mass sensor 10 and then the second air mass sensor 11 flow through, so that on the one hand the delivery rate of the compressor 3rd can be checked and adjusted and it is also possible to check whether both air mass sensors 10 , 11 display the same measurement data.

Um diese Testmessung möglichst ohne Störung des Nutzers durchführen zu können, wird nach der Startanforderung 12 für die Betriebsaufnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1 die Testmessung durchgeführt und anschließend die Startprozedur mit dem Schritt 17 fortgesetzt. Der Betrieb 18 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird also nicht beeinträchtigt.In order to be able to carry out this test measurement without disturbing the user, after the start request 12th for the start of operation of the fuel cell device 1 the test measurement is carried out and then the start procedure with step 17th continued. The operation 18th the fuel cell device 1 so is not affected.

Es ist aber nicht zwingend, dass die Testmessung nur auf den Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1 beschränkt ist. Vielmehr ist beim Betrieb 18 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 die Durchführung gleichfalls möglich, wenn die Betriebssituation das zeitweilige Schließen des ersten Absperrventils 8 und des zweiten Absperrventils 9 ermöglicht, wie dies insbesondere bei einem Start-Stopp-Betrieb der Fall ist. Auch ist die Testmessung für den Nutzer nicht störend.However, it is not imperative that the test measurement only applies to the start of the fuel cell device 1 is limited. Rather, it is in operation 18th the fuel cell device 1 the implementation is also possible if the operating situation requires the temporary closing of the first shut-off valve 8th and the second shut-off valve 9 allows, as is the case in particular in a start-stop operation. The test measurement is also not annoying for the user.

Es ist ein Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung in einem zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Steuergerät in einer Speichereinheit hinterlegt, wobei die Messdaten des ersten Luftmassensensors 10 und des zweiten Luftmassensensors 11 mit dem Referenzwert in einem Verfahrensschritt 16 abgeglichen und korrigiert werden, um die gemäß der Korrekturen neu erlernten Daten für den weiteren Betrieb 18 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 zu nutzen. Dabei wird optional der Abgleich und die Korrektur über den gesamten Betriebsbereich des ersten Luftmassensensors 10 und des zweiten Luftmassensensors 11 mit unterschiedlichen Leistungen des Verdichters 3 und daraus resultierenden Luftmassenströmen durchgeführt.A reference value for the air mass flow at a given compressor output is stored in a control device set up to carry out the method in a memory unit, with the measurement data from the first air mass sensor 10 and the second air mass sensor 11 with the reference value in one process step 16 adjusted and corrected in order to use the newly learned data for further operation in accordance with the corrections 18th the fuel cell device 1 to use. The adjustment and correction over the entire operating range of the first air mass sensor is optional 10 and the second air mass sensor 11 with different compressor capacities 3rd and the resulting air mass flows.

Bei der in 1 gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung 1 sind der erste Luftmassensensor 10 stromauf des Verdichters 3 und der zweite Luftmassensensor 11 in dem Systembypass 6 stromab des Bypassventils 7 und stromauf der Einmündung des Systembypasses 6 in die Kathodenabgasleitung 5 angeordnet. Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist besonders zur Nutzung in einem Kraftfahrzeug geeignet.At the in 1 fuel cell device shown 1 are the first air mass sensor 10 upstream of the compressor 3rd and the second air mass sensor 11 in the system bypass 6th downstream of the bypass valve 7th and upstream of the confluence of the system bypass 6th into the cathode exhaust line 5 arranged. This fuel cell device 1 is particularly suitable for use in a motor vehicle.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
Kathodecathode
33
Verdichtercompressor
44th
LuftversorgungsleitungAir supply line
55
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
66th
System bypassSystem bypass
77th
BypassventilBypass valve
88th
Erstes AbsperrventilFirst shut-off valve
99
Zweites AbsperrventilSecond shut-off valve
1010
Erster LuftmassensensorFirst air mass sensor
1111
Zweiter LuftmassensensorSecond air mass sensor
1212th
StartanforderungStart request
1313th
Schließen von 8 und 9Closing 8 and 9
1414th
Generierung Luftmassenstrom durch 3Generation of air mass flow by 3
1515th
Vergleich der Messdaten von 8 und 9Comparison of the measurement data from 8 and 9
1616
Adaptation von 10 und 11Adaptation of 10 and 11
1717th
Fortsetzung der StartprozedurContinuation of the start procedure
1818th
Betriebbusiness

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102011118689 A1 [0005]DE 102011118689 A1 [0005]
  • DE 102012018102 A1 [0006]DE 102012018102 A1 [0006]
  • DE 102012018101 A1 [0006]DE 102012018101 A1 [0006]

Claims (9)

Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig in seiner Luftversorgungsleitung (4) einen Verdichter (3), einen die Luftversorgungsleitung (4) stromab des Verdichters (3) mit einer Kathodenabgasleitung (5) verbindenden Systembypass (6) mit einem Bypassventil (7), ein in der Luftversorgungsleitung (4) stromab des Systembypasses (6) angeordnetes erstes Absperrventil (8) und ein in der Kathodenabgasleitung (5) stromauf des Systembypass (6) angeordnetes zweites Absperrventil (9) aufweist, wobei in der Luftversorgungsleitung (4) stromauf des Systembypasses (6) ein erster Luftmassensensor (10) und in dem Systembypass (6) ein zweiter Luftmassensensor (11) angeordnet ist, umfassend die Schritte des Schließens (13) des ersten Absperrventils (8) und des zweiten Absperrventils (9), des Erfassens (14) des Luftstromes durch den ersten Luftmassensensor (10) und durch den zweiten Luftmassensensor (11) und Vergleich (15) der Messdaten des ersten Luftmassensensors (10) und des zweiten Luftmassensensors (11) mit der Überprüfung auf Konsistenz.Method for performing a test measurement on a fuel cell device (1) with a fuel cell stack having at least one fuel cell, the cathode side in its air supply line (4) a compressor (3), the air supply line (4) downstream of the compressor (3) with a cathode exhaust line (5) ) connecting system bypass (6) with a bypass valve (7), a first shut-off valve (8) arranged in the air supply line (4) downstream of the system bypass (6) and a second shut-off valve (8) arranged in the cathode exhaust line (5) upstream of the system bypass (6) ( 9), wherein a first air mass sensor (10) is arranged in the air supply line (4) upstream of the system bypass (6) and a second air mass sensor (11) is arranged in the system bypass (6), comprising the steps of closing (13) the first shut-off valve (8) and the second shut-off valve (9), the detection (14) of the air flow through the first air mass sensor (10) and durc h the second air mass sensor (11) and comparison (15) of the measurement data from the first air mass sensor (10) and the second air mass sensor (11) with the checking for consistency. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Startanforderung (12) für die Betriebsaufnahme der Brennstoffzellenvorrichtung (1) die Testmessung durchgeführt und anschließend die Fortsetzung (17) der Startprozedur erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that after the start request (12) for the start of operation of the fuel cell device (1) the test measurement is carried out and then the continuation (17) of the start procedure takes place. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Testmessung beim Betrieb (18) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) durchgeführt wird, wenn die Betriebssituation das zeitweilige Schließen (13) des ersten Absperrventils (8) und des zweiten Absperrventils (9), insbesondere in einem Start-Stopp-Betrieb ermöglicht.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the test measurement is carried out during operation (18) of the fuel cell device (1) when the operating situation includes the temporary closing (13) of the first shut-off valve (8) and the second shut-off valve (9), in particular in a start-stop Operation enabled. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung hinterlegt ist, und die Messdaten des ersten Luftmassensensors (10) und des zweiten Luftmassensensors (11) mit dem Referenzwert abgeglichen und korrigiert werden.Method according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that a reference value for the air mass flow is stored for a given compressor output, and the measurement data of the first air mass sensor (10) and the second air mass sensor (11) are compared with the reference value and corrected. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß der Korrekturen neu erlernten Daten für den weiteren Betrieb (18) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) genutzt werden.Procedure according to Claim 4 , characterized in that the data newly learned according to the corrections are used for the further operation (18) of the fuel cell device (1). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich (15) und die Korrektur (16) über den gesamten Betriebsbereich des ersten Luftmassensensors (10) und des zweiten Luftmassensensors (11) mit unterschiedlichen Verdichterleistungen und daraus resultierenden Luftmassenströmen durchgeführt wird.Procedure according to Claim 4 or 5 , characterized in that the adjustment (15) and the correction (16) are carried out over the entire operating range of the first air mass sensor (10) and the second air mass sensor (11) with different compressor outputs and air mass flows resulting therefrom. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig in seiner Luftversorgungsleitung (4) einen Verdichter (3), einen die Luftversorgungsleitung (4) stromab des Verdichters (3) mit einer Kathodenabgasleitung (5) verbindenden Systembypass (6) mit einem Bypassventil (7), ein in der Luftversorgungsleitung (4) stromab des Systembypasses (6) angeordnetes erstes Absperrventil (8) und ein in der Kathodenabgasleitung (5) stromauf des Systembypass (6) angeordnetes zweites Absperrventil (9) aufweist, wobei in der Luftversorgungsleitung (4) stromauf des Systembypasses (6) ein erster Luftmassensensor (10) und in dem Systembypass (6) ein zweiter Luftmassensensor (11) angeordnet ist, und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 und eine Speichereinheit für den jeweiligen Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung aufweist.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack having at least one fuel cell, the air supply line (4) on the cathode side with a compressor (3), a system bypass (6) connecting the air supply line (4) downstream of the compressor (3) to a cathode exhaust line (5) a bypass valve (7), a first shut-off valve (8) arranged in the air supply line (4) downstream of the system bypass (6) and a second shut-off valve (9) arranged in the cathode exhaust line (5) upstream of the system bypass (6), wherein in the Air supply line (4) a first air mass sensor (10) is arranged upstream of the system bypass (6) and a second air mass sensor (11) is arranged in the system bypass (6), and with a control unit which is set up to carry out one of the methods according to the Claims 1 to 6th and has a storage unit for the respective reference value for the air mass flow at a given compressor output. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftmassensensor (8) stromauf des Verdichters (3) und der zweite Luftmassensensor (9) in dem Systembypass (6) stromab des Bypassventils (7) und stromauf der Einmündung des Systembypasses (6) in die Kathodenabgasleitung (5) angeordnet sind.Fuel cell device (1) according to Claim 7 , characterized in that the first air mass sensor (8) upstream of the compressor (3) and the second air mass sensor (9) in the system bypass (6) downstream of the bypass valve (7) and upstream of the confluence of the system bypass (6) into the cathode exhaust line (5 ) are arranged. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to Claim 7 or 8th .
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