DE102020102393A1

DE102020102393A1 - Verfahren zur Prüfung der Funktionsweise einer kathodenseitig eingesetzten Messsonde, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020102393A1
Application number: DE102020102393.6A
Authority: DE
Inventors: Maurizio Mugnaini; Martin ARENDT
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsweise einer kathodenseitig eingesetzten Messsonde zur Bestimmung der geförderten Menge von Luft bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, deren mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Polymerelektrolytmembran gebildet ist, umfassend die Schritte:- Kathodenseitig bypassmassenstromfreies Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung bei einem Lastpunkt mit einer vorgegebenen Spannung V und einem vorgegebenem Strom I,- Reduzieren eines Lufteingangsstoffmengenstroms, soweit, bis das Luftverhältnis λ gleich oder ungefähr gleich 1 ist,- Ermitteln des Luftmassenstroms ṁLuft-indurch Verwendung des Faraday-Gesetzes unter Annahme einer vorgegebenen Luftfeuchte, eines vorgegebenen Drucks und einer vorgegebenen Temperatur, und- Vergleich des unter Ausnutzung des Faraday-Gesetztes ermittelten Luftmassenstroms ṁLuft-inmit dem von der stromauf eines Verdichters angeordnete Messsonde bestimmten Luftmassenstrom.Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsweise einer kathodenseitig eingesetzten Messsonde zur Bestimmung der geförderten Menge von Luft bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, deren mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Polymerelektrolytmembran gebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrfahrzeug.
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 Membranelektrodeneinheit, 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 Membranelektrodeneinheit 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 O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
In Brennstoffzellenvorrichtungen werden Messsonden zur Bestimmung des geförderten oder strömenden Luftmassenstroms, sogenannte Luftmassenmesser, zumeist in Form von Heissfilm-Luftmassenmessern (kurz HFM) eingesetzt, um den kathodenseitigen Luftmassenstrom zu bestimmen. Derartige Luftmassenmesser unterliegen Produktionstoleranzen, die zu unerwünschten Messungenauigkeiten führen können. Während unter Laborbedingungen eine Kalibrierung mittels Referenz-Durchflussmessgeräten möglich ist, scheitert eine derartige Kalibrierungsmöglichkeit beim Einsatz von Brennstoffzellenvorrichtungen, die in Serien-Kraftfahrzeugen verwendet werden.
Wenn die Luftmassenmesser der Brennstoffzellenvorrichtung einen falschen Wert liefern, kann der zur Verfügung gestellte Luftmassenstrom zu gering ausfallen, womit die Brennstoffzellen eine erniedrigte Leistung produzieren. Im Extremfall reicht der Luftmassenstrom nicht aus, um alle Zellen zu versorgen (sogenannter Fall von „Air Starvation“), womit einige Zellen dann eine sehr niedrige Zellspannung aufweisen. In einem solchen Fall wird die Brennstoffzellenvorrichtung abgeschaltet.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei welchem die Funktionalität und damit insbesondere die Bereitstellung der Spannung und der Lieferung des Stroms an eine Komponente des Systems geprüft werden, ist der DE 10 2012 005 690 B4 zu entnehmen.
In der DE 10 2015 225 647 A1 ist ein Verfahren zur differenzdruckbasierten Plausibilisierung des Luftmassenmessers auf der Kathodenseite eines Brennstoffzellensystems beschrieben.
In der DE 10 2008 039 407 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems beschrieben, in welchem zwei Luftmassenmesser vorhanden sind, bei welchem der Verdichter in einem Betriebsbereich betrieben wird, der durch eine reale Druckverlustkurve der Brennstoffzelle und durch eine Pumpgrenze begrenzt ist, um eine Beschädigung des Verdichters zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Plausibilisierung der Funktionsweise von kathodenseitig vorhandenen Messsonden anzugeben. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren umfasst dabei insbesondere die folgenden Schritte:

- Kathodenseitig bypassmassenstromfreies Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung bei einem Lastpunkt mit einer vorgegebenen Spannung V und einem vorgegebenem Strom I,
- Reduzieren eines Lufteingangsstoffmengenstroms, soweit, bis das Luftverhältnis λ gleich oder ungefähr gleich 1 ist,
- Ermitteln des Luftmassenstroms ṁ_Luft-in durch Verwendung des Faraday-Gesetzes unter Annahme einer vorgegebenen Luftfeuchte, eines vorgegebenen Drucks und einer vorgegebenen Temperatur, und
- Vergleich des unter Ausnutzung des Faraday-Gesetztes ermittelten Luftmassenstroms ṁ_Luft-in mit dem von der stromauf eines Verdichters angeordneten Messsonde bestimmten Luftmassenstrom.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also das Faraday-Gesetz aus, um einen Luftmassenstrom eingangsseitig der Kathode zu bestimmen, womit sich die Funktionstüchtigkeit von Luftmassenmessern verbessert prüfen lässt.
Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der geförderte Luftmassenstrom stromauf des Verdichters bestimmt wurde, kann dieser herangezogen werden um auch stromab einen Bypassmassenstrom zu ermitteln. In diesem Zusammenhang ist es daher sinnvoll, dass zusätzlich die Funktionsweise einer kathodenseitig in einer Bypassleitung eingesetzten Messsonde überprüft wird anhand des für die stromauf des Verdichters angeordnete Messsonde ermittelten Luftmassenstroms ṁ_Luft-in.
Der Leistung P der Brennstoffzellenvorrichtung im Betrieb errechnet sich mit der Formel: $P = V * I$
Mit V = (aktuelle) Spannung und I = (aktueller) Strom.
Aus dem bekannten, vorgegebenen Strom I lässt sich mit dem Faraday-Gesetz der folgende Zusammenhang bilden: $I = \frac{{\dot{n}}_{O 2 - i n} * z * F}{n_{c}} \to {\dot{n}}_{O 2 - i n} = \frac{1}{z * F} * n_{c}$
Mit ṅ_O2-in = Sauerstoff-Stoffmengenstrom der für die Erzeugung des Stroms I, mit z = Ladungszahl des verwendeten Ions, welches für die Kathodenreaktion einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle 4 beträgt, mit F = Faraday-Konstante und mit n_c = Anzahl der Brennstoffzellen .
Aus dem Sauerstoff-Stoffmengenstrom n_O2-_in lässt sich auch ein Luft-Stoffmengenstrom ṅ_Luft-in bestimmen mit der Formel: $Y_{O 2} = \frac{{\dot{n}}_{O 2 - i n}}{{\dot{n}}_{L u f t - i n}} = 0,21$
Dieses Verhältnis Y₀₂ ist für trockene Luft auf Meereshöhe bekannt und beträgt ungefähr 0,21. Somit ist es von Vorteil, wenn der Luft-Stoffmengenstrom ṅ_Luft-in bestimmt wird durch das für trockene Bedingungen geltende und auf Meereshöhe bekannte Verhältnis von 0,21 oder ungefähr 0,21 aus Luft-Stoffmengenstrom ṅ_Luft-in und Sauerstoff-Stoffmengenstrom ṅ_O2-in.
Für Polymerelektrolytbrennstoffzellen hat es sich also als vorteilhaft erwiesen, wenn der Luftmassenstrom ṁ_Luft-in aus einem Luft-Stoffmengenstrom ṅ_Luft-in und aus einem Sauerstoff-Stoffmengenstrom ṅ_O2-in bestimmt wird, und wenn der Sauerstoff-Stoffmengenstrom ṅ_O2-in ermittelt wird durch den Quotienten einerseits aus dem vorgegeben Strom I, der mit der Anzahl vorhandener Brennstoffzellen multipliziert wird, und andererseits aus einer auf 4 festgelegten Ladungszahl Z, die mit der Faradaykonstante F multipliziert wird.
Es ist von Vorteil das Luftverhältnis λ auf der Kathodenseite zu berücksichtigen und auf 1 zu halten, um die Bestimmung der Fördermenge zu vereinfachen. Für das Luftverhältnis λ gilt: ${\dot{n}}_{L u f t} = λ * {\dot{n}}_{L u f t - i n}$
Voraussetzung für die Berechnung mit dem Faraday-Gesetz ist, dass alle Brennstoffzellen zumindest annähernd die gleiche Spannung aufzeigen. Somit ist es für ein genaueres Messergebnis zudem sinnvoll, wenn für die Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ_Luft-in davon ausgegangen wird, dass alle Brennstoffzellenzellen der Brennstoffzellenvorrichtung eine Mindestzellgüte x aufweisen. $Z G I = \frac{V_{m i n}}{\frac{V}{n_{c}}} (z . B .0,9)$
Mit n_c gleich Anzahl vorhandener Brennstoffzellen und mit Vmin gleich minimaler Zellspannung am aktuellen Lastpunkt.
In diesem Zusammenhang ist es folglich vorteilhaft, wenn ein Zellgüteindex ZGI der Brennstoffzellen bestimmt wird durch einen Quotienten aus einer Einzelzellmindestspannung Vmin und dem Quotienten aus Gesamtspannung V und Anzahl der Brennstoffzellen n_c.
Der Lufteingangsmassenstrom m_̇Luft am Eingang der Kathode(n) kann generell durch die folgende Formel ausgedrückt werden: ${\dot{m}}_{L u f t} = M_{L} * {\dot{n}}_{L u f t} = {\dot{m}}_{H G M 1} - {\dot{m}}_{H F M 2} - {\dot{m}}_{B e a r}$
Mit M_L = mittlere molare Masse von trockener Luft, mit ṅ_Luft gleich Luft-Stoffmengenstrom, mit ṁ_HFM1 gleich Luftmassenstrom einer ersten Messsonden stromauf des Verdichters, mit m_̇HFM2 gleich Luftmassenstrom einer zweiten Messsonde in einer Bypassleitung auf Kathodenseite, und mit ṁ_Bear gleich Luftmassenstrom ETL-Lager, der als bekannt für den Verdichter vorausgesetzt wird.
Mit anderen Worten ist es sinnvoll, dass der Luftmassenstrom ṁ_Luft-in bestimmt wird mittels der mittleren molaren Masse von trockener Luft M_L multipliziert mit dem Luft-Stoffmengenstrom ṅ_Luft-in.
Zudem ist es von Vorteil, wenn bei der Ermittlung des Luftmassenstroms ṁ_Luft-in ein für den Verdichter bekannter Luftmassenstrom ṁ_Bear berücksichtigt wird.
Durch Umformen und Einsetzen der vorstehen erwähnten Gleichungen lassen sich die nachfolgenden Zusammenhänge bilden. $M_{L} * λ * {\dot{n}}_{L u f t - i n} = {\dot{m}}_{H F M 1} - {\dot{m}}_{H F M 2} - {\dot{m}}_{B e a r}$
$\to M_{L} * λ * \frac{{\dot{n}}_{O 2 - i n}}{0.21} = {\dot{m}}_{H F M 1} - {\dot{m}}_{H F M 2} - {\dot{m}}_{B e a r}$
$\to M_{L} * λ * \frac{\frac{I}{z * F} * n_{c}}{0.21} = {\dot{m}}_{H F M 1} - {\dot{m}}_{H F M 2} - {\dot{m}}_{B e a r}$
Für den Fall, dass der Bypassmassenstrom gleich Null ist (z.B. in der Volllast) ergibt sich für die (erste) Messsonde (HFM1) stromauf des Verdichters dann der folgende Luftmassenstrom: ${\dot{m}}_{H F M 1} = {\dot{m}}_{B e a r} + M_{L} * λ * \frac{\frac{1}{z * F} * n_{c}}{0.21}$
Auf diese Weise lässt sich der von der Messsonde HFM1 gemessene Wert mit dem anhand des Faraday-Gesetzes ermittelten Werts vergleichen oder plausibilisieren. Ergeben sich dabei Abweichungen, so wird das Kennfeld der Messsonde HFM1 in vorteilhafter Weise an die ermittelten Werte angepasst.
Für einen Bypassmassenstrom, also für die (zweite) Messsonde (HFM2) in der stromab des Verdichters angeordneten Bypassleitung ergibt sich anhand des Faraday-Gesetzes dann der folgende Zusammenhang: ${\dot{m}}_{H F M 1} = {\dot{m}}_{H F M 1} - {\dot{m}}_{B e a r} - M_{L} * λ * \frac{\frac{1}{z * F} * n_{c}}{0.21}$
Auch hier lässt sich also der von der Messsonde HFM2 gemessene Wert mit dem anhand des Faraday-Gesetzes ermittelten Werts vergleichen oder plausibilisieren. Ergeben sich dabei Abweichung, so wird das Kennfeld der Messonde HFM2 in vorteilhafter Weise an die ermittelten Werte angepasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren entfaltet seine Vorteile und Wirkungen beim Einsatz in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung, die mit einem Steuergerät ausgestattet ist, welches zur Durchführung der vorstehend geschilderten Verfahren ausgebildet ist. Die Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einer Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 gezeigt. Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode 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.
Den Anoden und/oder den Kathoden ist zusätzlich ein Katalysator beigemischt, 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 elektrochemischen Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen. Alternativ kann auch eine Ausbildung der Brennstoffzelle 2 mit einer Gasdiffusionselektrode erfolgen, bei der die Elektrode mit der Katalysatorschicht einer Gasdiffusionslage zugeordnet ist, die für eine verbesserte Gleichverteilung der Reaktanten der elektrochemischen Reaktion dient.
Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 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 hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodenfrischgas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^-→ 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme ).
Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodenfrischgas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodenfrischgases sich dessen Temperatur stark erhöht. Der Verdichter 18 umfasst dabei typischerweise eine Welle, die von einem Turbinenrad abgasgetrieben umläuft. Diese Welle treibt zur Ansaugung von Frischgas ein Verdichterrad an. Zusätzlich kann eine Unterstützung durch einen Motor 17 erfolgen. Die Konditionierung des Kathodenfrischgases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgeschalteten Wärmetauscher 5 und einem dem Wärmetauscher 5 nachgeschalteten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
Kathodenseitig ist eine erste Messsonde 16 (HFM1) zur Bestimmung der geförderten Menge von Luft bei der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorhanden, welche stromauf des Verdichters 18 angeordnet ist. Diese erste Messsonde 16 (HFM1) bestimmt den Lufteingangsmassenstrom, der vom Verdichter 18 gefördert wird. Außerdem ist eine zweite Messsonde 16 (HFM2) vorhanden, die den Luftmassenstrom in der Bypassleitung 6 erfasst. Es ist erforderlich und sinnvoll, die von den Messsonden 16 erfassten Werte zu prüfen, mithin zu plausibilisieren und gegebenenfalls ihre Kennfelder entsprechend anzupassen.
Hierzu werden von einem der Brennstoffzellenvorrichtung 1 zugehörigen Steuergerät die folgenden Schritte veranlasst bzw. durchlaufen:

- Kathodenseitig Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung 1 bei einem Lastpunkt mit einer vorgegebenen Spannung V und einem vorgegebenem Strom I, wobei das Bypassventil 7 geschlossen ist und ein bypassfreier Betrieb erfolgt,
- Reduzieren eines Lufteingangsstoffmengenstroms, soweit, bis das Luftverhältnis λ gleich oder ungefähr gleich 1 ist,
- Ermitteln des Luftmassenstroms ṁ_Luft-in durch Verwendung des Faraday-Gesetzes unter Annahme einer vorgegebenen Luftfeuchte, eines vorgegebenen Drucks und einer vorgegebenen Temperatur, und
- Vergleich des unter Ausnutzung des Faraday-Gesetztes ermittelten Luftmassenstroms ṁ_Luft-in mit dem von der stromauf eines Verdichters 18 Messsonde 16 bestimmten Luftmassenstrom.

Für die Bestimmung des Luftmassenstroms der ṁ_Luft-in = ṁ_HFM1 der stromauf des Verdichters 18 platzierten Messsonde 16 wird folglich Gleichung (1) herangezogen: ${\dot{m}}_{H F M 1} = {\dot{m}}_{B e a r} + M_{L} * λ * \frac{\frac{1}{z * F} * n_{c}}{0.21}$
Hierbei werden die Parameter m_̇Bear, M_L, λ, z, I, n_c als bekannt vorausgesetzt, wobei F die Faraday-Konstante darstellt.
Aus dieser ersten Messung zur Ermittlung des Luftmassenstroms ṁ_̇HFM1 der stromauf des Verdichters 18 angeordneten Messsonde 16 (HFM1) lässt sich dann die Funktionsweise einer kathodenseitig in der Bypassleitung 6 eingesetzten Messsonde 16 (HFM2) überprüfen. Für diese Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ_HFM2 wird dabei Gleichung (2) herangezogen: ${\dot{m}}_{H F M 1} = {\dot{m}}_{H F M 1} - {\dot{m}}_{B e a r} + M_{L} * λ * \frac{\frac{1}{z * F} * n_{c}}{0.21}$
Mit den Gleichungen (1) und (2) lassen sich die Werte für die Messsonden 16 plausibilisieren, wobei Abweichungen oder eine Alterung entsprechend korrigiert werden können. Hierbei werden vorzugsweise die Kennfelder entsprechend angepasst.
Die vorstehende Funktionsprüfung kann auch im Erst-Kalibriervorgang der Messsonden 16 Verwendung finden.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 und ein mit einer solchen ausgestattetes Kraftfahrzeug weisen in ihrem Regelbetrieb eine verbesserte Effizienz auf, da luftseitig eine verbesserte Bestimmung des vorherrschenden Massenstroms ermöglicht ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzelle
3: Brennstoffzellenstapel
4: Befeuchter
5: Wärmetauscher
6: Bypassleitung
7: Bypassventil
8: Frischluftdosierventil
9: Frischluftleitung
10: Kathodenabgasleitung
11: Kathodenabgasventil
12: Brennstoffleitung
13: Brennstofftank
14: Rezirkulationsleitung
15: Rezirkulationsgebläse
16: Messsonde (Heißfilm-Luftmassenmesser)
17: Motor
18: Verdichter
19: Brennstoffdosierventil
20: Wasserabscheider

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012005690 B4 [0005]
DE 102015225647 A1 [0006]
DE 102008039407 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Prüfung der Funktionsweise einer kathodenseitig eingesetzten Messsonde (16) zur Bestimmung der geförderten Menge von Luft bei einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), deren mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Polymerelektrolytmembran gebildet ist, umfassend die Schritte: - Kathodenseitig bypassmassenstromfreies Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung (1) bei einem Lastpunkt mit einer vorgegebenen Spannung (V) und einem vorgegebenem Strom (I), - Reduzieren eines Lufteingangsstoffmengenstroms, soweit, bis das Luftverhältnis λ gleich oder ungefähr gleich 1 ist, - Ermitteln des Luftmassenstroms (ṁ_Luft-in) durch Verwendung des Faraday-Gesetzes unter Annahme einer vorgegebenen Luftfeuchte, eines vorgegebenen Drucks und einer vorgegebenen Temperatur, und - Vergleich des unter Ausnutzung des Faraday-Gesetztes ermittelten Luftmassenstroms (ṁ_Luft-in) mit dem von der stromauf eines Verdichters (18) angeordnete Messsonde (16) bestimmten Luftmassenstrom.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Funktionsweise einer kathodenseitig in einer Bypassleitung (6) eingesetzten Messsonde (16) überprüft wird anhand des für die stromauf des Verdichters (18) angeordnete Messsonde (16) ermittelten Luftmassenstroms (ṁ_Luft-in).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom (ṁ_Luft-in) aus einem Luft-Stoffmengenstrom (ṅ_Luft-in) und aus einem Sauerstoff-Stoffmengenstrom (ṅ_O2-in) bestimmt wird, und dass der Sauerstoff-Stoffmengen (ṅ_O2-in) ermittelt wird durch den Quotienten einerseits aus dem vorgegeben Strom (I), der mit der Anzahl vorhandener Brennstoffzellen multipliziert wird, und andererseits aus einer auf 4 festgelegten Ladungszahl (Z), die mit der Faradaykonstante (F) multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der LuftStoffmengenstrom (ṅ_Luft-in) bestimmt wird durch das für trockene Bedingungen geltende und auf Meereshöhe bekannte Verhältnis von 0,21 oder ungefähr 0,21 aus Luft-Stoffmengenstrom (ṅ_Luft-in) und Sauerstoff-Stoffmengenstrom (no2-in).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Luftmassenstroms (ṁ_Luft-in) davon ausgegangen wird, dass alle Brennstoffzellenzellen der Brennstoffzellenvorrichtung (1) eine Mindestzellgüte (x) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellgüteindex (ZGI) der Brennstoffzellen bestimmt wird durch einen Quotienten aus einer Einzelzellmindestspannung (V_min) und dem Quotienten aus Gesamtspannung (V) und Anzahl der Brennstoffzellen (n_c).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom (ṁ_Luft-in) bestimmt wird mittels der mittleren molaren Masse von trockener Luft (M_L) multipliziert mit dem Luft-Stoffmengenstrom (ṅ_Luft-in).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Luftmassenstroms (ṁ_Luft-in) ein für den Verdichter (18) bekannter Luftmassenstrom (ṁ_Bear) berücksichtigt wird.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Steuergerät, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgelegt ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.