DE102020119137A1 - Method for the model-based humidity control of a fuel cell device, fuel cell device and fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die modellbasierte Feuchteregelung einer einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzelle, umfassend die Schritte:- Messen des Luftmassenstroms am Systemeintritt vor einem Verdichter (4),- Messen der Wasserbeladung der Umgebungsluft Xamb,- Berechnung einer Luftmassenbilanz,- Ermittlung einer Massenstromaufteilung zwischen einem Befeuchter-Bypass (8) und einem Befeuchter (3), wobei der Bypassanteil WBYPin Abhängigkeit der Position von einer ersten Regelklappe (9) und einer zweiten Regelklappe (10) bestimmt wird,- Bestimmung des Stoffdurchgangskoeffizienten β eines Befeuchter-Kennfelds,- Berechnung der mittleren Befeuchtertemperatur und Bestimmung des Wirkungsgrads des Befeuchters (3),- Berechnung der molaren Wasserkonzentration der Zuluft beim Austritt aus dem Befeuchter (3),- Messen der Temperatur T2an einem Kathodeneintritt (11)- Berechnung der Wasserkonzentration an dem Kathodeneintritt (11),- Berechnung des Partialdrucks und somit des Sättigungsdampfdrucks bei einer Taupunkttemperatur des Wassers am Kathodeneintritt (11),- Umrechnung des Dampfdrucks in eine Taupunkttemperatur anhand einer invertierten Dampfdruckkurve,- Nutzung der Taupunkttemperatur als Regelgröße.Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellen-Brennstoffzellen-Fahrzeug.The invention relates to a method for model-based humidity control of a fuel cell having a fuel cell stack, comprising the steps: - measuring the air mass flow at the system inlet before a compressor (4), - measuring the water loading of the ambient air Xamb, - calculating an air mass balance, - determining a mass flow distribution between a humidifier bypass (8) and a humidifier (3), wherein the bypass proportion WBYP is determined depending on the position of a first control flap (9) and a second control flap (10), - determination of the mass transfer coefficient β of a humidifier characteristic map, - calculation the average humidifier temperature and determination of the efficiency of the humidifier (3), - calculation of the molar water concentration of the supply air at the exit from the humidifier (3), - measurement of the temperature T2 at a cathode inlet (11), - calculation of the water concentration at the cathode inlet (11), - Calculation of the partial pressure and thus de s saturation vapor pressure at a dew point temperature of the water at the cathode inlet (11), - conversion of the vapor pressure into a dew point temperature using an inverted vapor pressure curve, - use of the dew point temperature as a controlled variable. The invention also relates to a fuel cell device and a fuel cell fuel cell vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die modellbasierte Feuchteregelung einer Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte:

  • - Messen des Luftmassenstroms am Systemeintritt vor einem Verdichter,
  • - Messen der Wasserbeladung der Umgebungsluft Xamb
  • - Berechnung einer Luftmassenbilanz anhand der Gleichung m ˙ air ,dry = m ˙ air ,wet ,measured 1 + X amb ,
    Figure DE102020119137A1_0001
  • - Ermittlung einer Massenstromaufteilung zwischen einem Bypass und einem Befeuchter,
  • - Bestimmung des Stoffdurchgangskoeffizienten β eines Befeuchter-Kennfelds mittels der Gleichung β= D 0 δ men exp [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ] ,
    Figure DE102020119137A1_0002
  • - Berechnung der mittleren Befeuchtertemperatur anhand der Gleichung T m = T1 + T3 2
    Figure DE102020119137A1_0003
    und Bestimmung des Wirkungsgrads des Befeuchters,
  • - Berechnung der molaren Wasserkonzentration der Zuluft beim Austritt aus dem Befeuchter anhand der Gleichung cD,out = cD,in + η(cw,in - cD,in),
  • - Messen der Temperatur T2 an einem Kathodeneintritt
  • - Berechnung der Wasserkonzentration an dem Kathodeneintritt anhand der Gleichung CFC,in = CD,in ∗ WBYP + cD,out(1 - wBYP),
  • - Berechnung des Partialdrucks und somit des Sättigungsdampfdrucks bei einer Taupunkttemperatur des Wassers am Kathodeneintritt anhand der Gleichung pw,Fc,in = CD,FC,inR ∗ Tstackin = Ps(TDP),
  • - Umrechnung des Dampfdrucks in eine Taupunkttemperatur anhand einer invertierten Dampfdruckkurve,
  • - Nutzung der Taupunkttemperatur als Regelgröße.
The invention relates to a method for the model-based humidity control of a fuel cell device, comprising the steps:
  • - Measurement of the air mass flow at the system inlet in front of a compressor,
  • - Measuring the water loading of the ambient air X amb
  • - Calculation of an air mass balance using the equation m ˙ air ,dry = m ˙ air ,wet ,measured 1 + X amb ,
    Figure DE102020119137A1_0001
  • - Determination of a mass flow distribution between a bypass and a humidifier,
  • - Determination of the mass transfer coefficient β of a humidifier map using the equation β= D 0 δ men ex [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ] ,
    Figure DE102020119137A1_0002
  • - Calculation of the mean humidifier temperature using the equation T m = T1 + T3 2
    Figure DE102020119137A1_0003
    and determination of the efficiency of the humidifier,
  • - Calculation of the molar water concentration of the supply air when leaving the humidifier using the equation c D,out = c D,in + η(c w,in - c D,in ),
  • - Measuring the temperature T 2 at a cathode inlet
  • - Calculation of the water concentration at the cathode inlet using the equation C FC,in = C D,in ∗ W BYP + c D,out (1 - w BYP ),
  • - Calculation of the partial pressure and thus the saturation vapor pressure at a dew point temperature of the water at the cathode inlet using the equation p w,Fc,in = C D,FC,in R ∗ T stackin = P s (T DP ),
  • - Conversion of the vapor pressure into a dew point temperature using an inverted vapor pressure curve,
  • - Use of the dew point temperature as a control variable.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.The invention further relates to a fuel cell device and a fuel cell vehicle.

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 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 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 for the chemical conversion of a fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode unit as a core component, which is a combination of a proton-conducting membrane and one electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers 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 electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The protons H + are transported from the anode compartment to the cathode compartment via the membrane, which separates the reaction compartments 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 supplied to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place, taking up the electrons. At the same time, in the cathode compartment, these oxygen anions react with the protons transported across the membrane to form water.

Bei Brennstoffzellenvorrichtungen wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird mittels eines Befeuchter befeuchtet, die im Allgemeinen eingesetzt werden, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Bei derartige Gas/Gas-Befeuchtern wird die trockene Luft aus dem Verdichter an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.In fuel cell devices, air with the oxygen contained therein is compressed in the cathode cycle to supply the cathode chambers of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the humidity of which is not sufficient for use in the fuel cell stack for the membrane electrode unit. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by means of a humidifier, which is generally used in order to be able to transfer the moisture to the drier medium in the case of two gaseous media with a different moisture content. In such gas/gas humidifiers, the dry air from the compressor is guided past a membrane permeable to water vapor, the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack.

Die Menge des zugeführten Wassers wird über eine Befeuchter-Bypassleitung und einen Feuchtesensor reguliert. Allerdings wurden die Feuchtesensoren nicht speziell für den Einsatz in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, sondern für den Einsatz im Industriebereich entwickelt. Dadurch weist ein solcher Sensor zusammen mit seiner Auswerteeinheit einen hohen Bauraumbedarf auf und verursacht weiterhin hohe Kosten. Auch muss der Sensor mit einer Heizung ausgestattet werden, die eine Versorgungsspannung von 24 V benötigt. Diese Spannung muss im Brennstoffzellen-Fahrzeug über einen Spannungswandler bereitgestellt werden, wodurch erneut zusätzlicher Bauraum benötigt wird und Kosten verursacht werden.The amount of water supplied is regulated via a humidifier bypass line and a humidity sensor. However, the moisture sensors were not specially developed for use in a fuel cell vehicle, but for use in the industrial sector. As a result, such a sensor, together with its evaluation unit, requires a large amount of space and also causes high costs. The sensor must also be equipped with a heater that requires a supply voltage of 24 V. This voltage must be provided in the fuel cell vehicle via a voltage converter, which means that additional installation space is required and costs are incurred.

In der DE 10 2014 100 186 A1 wird ein Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte eines Brennstoffzellensystems beschrieben, wobei die relative Feuchte nicht über einen eigenständiger Feuchtesensor bestimmt wird, sondern die Signale von im Brennstoffzellenstapel verbauten Sensoren oder ein Stapel-als-Sensor-Vorgehen für die Bestimmung verwendet werden. Ein Verfahren mit einem Algorithmus zur sensorlosen Steuerung der relativen Feuchte der Kathodeneingangsluftströmung in einer Brennstoffzellen-vorrichtung wird in der DE 10 2006 058 833 A1 beschrieben. In der DE 10 2009 005 647 A1 wird ein Verfahren zur Steuerung der relativen Feuchte am Kathodeneinlass beschrieben, wobei sowohl Sensoreingangs- als auch Komponentenmodelle verwendet werden, damit der Kathodenabfluss kathodenabflussverarbeitende Komponenten selektiv umgeht, wodurch die relative Feuchte beliebig eingestellt werden kann.In the DE 10 2014 100 186 A1 a method for determining the relative humidity of a fuel cell system is described, the relative humidity not being determined via an independent humidity sensor, but the signals from sensors installed in the fuel cell stack or a stack-as-sensor procedure being used for the determination. A method with an algorithm for sensorless control of the relative humidity of the cathode inlet air flow in a fuel cell device is described in DE 10 2006 058 833 A1 described. In the DE 10 2009 005 647 A1 describes a method for controlling the relative humidity at the cathode inlet using both sensor input and component models to allow the cathode effluent to selectively bypass cathode effluent processing components, thereby allowing the relative humidity to be adjusted arbitrarily.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, durch das der zusätzliche Feuchtesensor entbehrlich wird. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.It is the object of the present invention to provide a method which makes the additional moisture sensor unnecessary. The object is also to provide an improved fuel cell device and an improved fuel cell vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 7 and by a fuel cell vehicle having the features of claim 8. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das eingangs genannte Verfahren bietet den Vorteil, dass es die Kathodenfeuchte nicht mehr auf der Basis eines Feuchtesensors, sondern durch eine modellbasierte Feuchteregelung reguliert. Dadurch wird eine wesentliche Voraussetzung zur Serientauglichkeit eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfüllt. Durch die Verwendung der Taupunkttemperatur als Zielgröße wird die Berechnung der relativen Feuchte vermieden, wodurch die Bestimmung der relativen Feuchte entfällt, weshalb das Verfahren deutlich robuster und einfacher als bisherige Verfahren ist. Weiterhin kann auf den Einbau des Feuchtesensors verzichtet werden, wodurch mehr Bauraum für andere Bauteile zur Verfügung steht und Kosten eingespart werden.The method mentioned at the outset offers the advantage that it no longer regulates the cathode humidity on the basis of a humidity sensor, but rather through model-based humidity regulation. As a result, an essential prerequisite for the suitability for series production of a fuel cell vehicle is fulfilled. By using the dew point temperature as a target variable, the calculation of the relative humidity is avoided, which means that the determination of the relative humidity is no longer necessary, which is why the method is significantly more robust and simpler than previous methods. Furthermore, there is no need to install the moisture sensor, which means that more space is available for other components and costs are saved.

Bevorzugt ist weiterhin, dass die Aktivierungsenergie, die für die Berechnung des Stoffdurchgangskoeffizienten β notwendig ist, experimentell bestimmt wird. Durch die Verwendung des Stoffdurchgangskoeffizienten β wird der Zustand des Kennfeld des Befeuchters und damit das Übertragungsverhalten bestimmt. Daher entfällt die Notwendigkeit der Bestimmung des Wassermassenstroms, wodurch das Verfahren leichter durchzuführen und somit praxistauglicher als bisherige Verfahren ist.It is also preferred that the activation energy, which is necessary for the calculation of the mass transfer coefficient β, is determined experimentally. The use of the mass transfer coefficient β determines the state of the humidifier’s characteristic diagram and thus the transfer behavior. Therefore, there is no need to determine the water mass flow, which means that the method is easier to carry out and therefore more practical than previous methods.

Vorteilhaft ist auch, dass der Wirkungsgrad des Befeuchters anhand der Number-of-Transfer-Units-Methode bestimmt wird.Another advantage is that the efficiency of the humidifier is determined using the number-of-transfer-units method.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei einem geschlossenen Systembypass die Luftmassenbilanz mit einer verringerten Messungenauigkeit kalibriert wird. Durch dieses Vorgehen wird der absolute Fehler bei der Messung verringert, wodurch es zu einer geringeren Fehlerfortpflanzung und dadurch zu einem verbesserten Ergebnis kommt. Das hat zur Folge, dass die Kathodenluft verbessert befeuchtet wird und dadurch die Brennstoffzellenvorrichtung einen effizienteren Betrieb aufweist.Furthermore, it is advantageous that with a closed system bypass, the air mass balance is calibrated with a reduced measurement inaccuracy. This procedure reduces the absolute error in the measurement, resulting in less error propagation and thus an improved result. The consequence of this is that the cathode air is humidified in an improved manner and the fuel cell device therefore operates more efficiently.

Da bei diesem Verfahren die molare Wasserkonzentration am Befeuchtereintritt zur Bestimmung des Wassereintrags über die Ansaugluft bestimmt wird, ist die Bestimmung des Wassermassenstroms über die Ansaugluft nicht erforderlich. Es ist daher vorteilhaft, dass die Wasserbeladung der Umgebungsluft Xamb durch einen am Befeuchtereintritt angeordneten Kombisensor für die Temperatur, Druck und Feuchte ermittelt wird.Since the molar water concentration at the humidifier inlet is determined with this method to determine the water input via the intake air, it is not necessary to determine the water mass flow via the intake air. It is therefore advantageous that the water loading of the ambient air X amb is determined by a combined sensor for temperature, pressure and humidity arranged at the humidifier inlet.

Bevorzugt ist weiterhin, wenn der Bypassanteil WBYP in Abhängigkeit der Position von einer ersten Regelklappe und einer zweiten Regelklappe bestimmt wird.It is also preferred if the bypass portion W BYP is determined as a function of the position of a first control flap and a second control flap.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Steuergerät zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens sowie für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.The advantages and effects mentioned above also apply analogously to a fuel cell device with a control device for carrying out the method mentioned above and to a fuel cell vehicle with a fuel cell device of this type.

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 and 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 in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of 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 einer Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine Arrhenius-Gerade zur Bestimmung der Aktivierungsenergie,
  • 3 eine vereinfachte schematische Darstellung der Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Befeuchter und mit einem Befeuchter-Bypass, und
  • 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierten Feuchteregelung einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 an Arrhenius line to determine the activation energy,
  • 3 a simplified schematic representation of the fuel cell device with the humidifier and with a humidifier bypass, and
  • 4 a schematic representation of the method according to the invention for model-based humidity control of a fuel cell device.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 3 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.In the 1 a fuel cell device 1 is shown schematically, this comprising a humidifier 3 for humidity regulation of a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack 2 .

Jede der Brennstoffzellen 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.Each of the fuel cells includes an anode, a cathode, and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. 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.

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 hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) from a fuel tank via an anode space. 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. At the anode, for example, the reaction takes place: 2H 2 →4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit.

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

Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 4 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 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in dem dem Verdichter 4 nachgelagerten Ladeluftkühler 7 und dem Befeuchter 3, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Since several fuel cells are combined in the fuel cell stack 2, a sufficiently large quantity of cathode gas must be made available so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is made available by a compressor 4, with the temperature of the cathode gas increasing sharply as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, i.e. its adjustment with regard to the desired temperature and humidity in the fuel cell stack 2, takes place in the charge air cooler 7 downstream of the compressor 4 and in the humidifier 3, which causes moisture saturation of the membranes of the fuel cells to increase their efficiency, since this favors proton transport.

Das erfindungsgemäße Verfahren für die modellbasierte Feuchteregelung einer Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht die Feuchteregelung und damit die optimale Einstellung der Feuchte ohne einen Feuchtesensor. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Messen des Luftmassenstroms am Systemeintritt vor einem Verdichter 4,
  • - Messen der Wasserbeladung der Umgebungsluft Xamb
  • - Berechnung einer Luftmassenbilanz anhand der Gleichung m ˙ air ,dry = m ˙ air ,wet ,measured 1 + X amb ,
    Figure DE102020119137A1_0004
  • - Ermittlung einer Massenstromaufteilung zwischen einem Befeuchter-Bypass 8 und einem Befeuchter 3, wobei der Bypassanteil WBYP in Abhängigkeit der Position von einer ersten Regelklappe 9 und einer zweiten Regelklappe 10 bestimmt wird,
  • - Bestimmung des Stoffdurchgangskoeffizienten β eines Befeuchter-Kennfelds mittels der Gleichung β= D 0 δ men exp [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ] ,
    Figure DE102020119137A1_0005
  • - Berechnung der mittleren Befeuchtertemperatur anhand der Gleichung T m = T1 + T3 2
    Figure DE102020119137A1_0006
    und Bestimmung des Wirkungsgrads des Befeuchters 3,
  • - Berechnung der molaren Wasserkonzentration der Zuluft beim Austritt aus dem Befeuchter 3 anhand der Gleichung cD,out = CD,in + η(cw,in - cD,in),
  • - Messen der Temperatur T2 an einem Kathodeneintritt 11
  • - Berechnung der Wasserkonzentration an dem Kathodeneintritt 11 anhand der Gleichung CFC,in = CD,in ∗ WBYP + CD,Out(1 - wBYP),
  • - Berechnung des Partialdrucks und somit des Sättigungsdampfdrucks bei einer Taupunkttemperatur des Wassers am Kathodeneintritt 11 anhand der Gleichung pw,Fc,in = cD,FC,inR ∗ Tstackin = Ps(TDP),
  • - Umrechnung des Dampfdrucks in eine Taupunkttemperatur anhand einer invertierten Dampfdruckkurve,
  • - Nutzung der Taupunkttemperatur als Regelgröße.
The method according to the invention for the model-based humidity control of a fuel cell device enables the humidity control and thus the optimal setting of the humidity without a humidity sensor. The procedure includes the steps:
  • - Measurement of the air mass flow at the system inlet in front of a compressor 4,
  • - Measuring the water loading of the ambient air X amb
  • - Calculation of an air mass balance using the equation m ˙ air ,dry = m ˙ air ,wet ,measured 1 + X amb ,
    Figure DE102020119137A1_0004
  • - Determination of a mass flow distribution between a humidifier bypass 8 and a humidifier 3, the bypass component W BYP being determined depending on the position of a first control flap 9 and a second control flap 10,
  • - Determination of the mass transfer coefficient β of a humidifier map using the equation β= D 0 δ men ex [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ] ,
    Figure DE102020119137A1_0005
  • - Calculation of the mean humidifier temperature using the equation T m = T1 + T3 2
    Figure DE102020119137A1_0006
    and determining the efficiency of the humidifier 3,
  • - Calculation of the molar water concentration of the supply air when leaving the humidifier 3 using the equation c D,out = CD,in + η(c w,in - c D,in ),
  • - Measuring the temperature T 2 at a cathode inlet 11
  • - Calculation of the water concentration at the cathode inlet 11 using the equation C FC,in = C D,in ∗ W BYP + C D,Out (1 - w BYP ),
  • - Calculation of the partial pressure and thus the saturation vapor pressure at a dew point temperature of the water at the cathode inlet 11 using the equation p w,Fc,in = c D,FC , in R ∗ T stackin = P s (T DP ),
  • - Conversion of the vapor pressure into a dew point temperature using an inverted vapor pressure curve,
  • - Use of the dew point temperature as a control variable.

Die gemessenen Luftmassenströme werden im feuchte Zustand gemessen, weshalb die serienmäßig verbaute Sensoren den Luftmassenstrom ṁair,wet,measurect inklusive der enthalten Luftfeuchtigkeit messen. Da für das erfindungsgemäße Verfahren der trockene Luftmassenstrom ohne enthaltene Luftfeuchtigkeit ermittelt werden muss, werden Druck, Temperatur und Feuchte über einen am Befeuchtereintritt 12 angeordneten Kombisensor gemessen, wie dies in 3 symbolisiert ist, und somit die Wasserbeladung der Umgebungsluft Xamb anhand der Gleichung X amb = 0,622 φ 1 p s ( T 1 ) p 1 φ 1 p s ( T 1 )

Figure DE102020119137A1_0007
ermittelt, wobei die Feuchte φ1, der Druck p1 und die Temperatur T1 messtechnisch bestimmt werden. Wenn bei einem geschlossenen Befeuchter-Bypass 3 die Luftmassenbilanz kalibriert wird, so folgt daraus eine Verringerung der Messungenauigkeit.The measured air mass flows are measured in the wet state, which is why the sensors installed as standard measure the air mass flow ṁ air,wet,measurect including the humidity contained. Since the dry air mass flow must be determined without the air humidity contained in it for the method according to the invention, the pressure, temperature and humidity are measured using a combination sensor arranged at the humidifier inlet 12, as is shown in 3 is symbolized, and thus the water loading of the ambient air X amb using the equation X amb = 0.622 φ 1 p s ( T 1 ) p 1 φ 1 p s ( T 1 )
Figure DE102020119137A1_0007
determined, with the humidity φ 1 , the pressure p 1 and the temperature T 1 being determined by measurement. If the air mass balance is calibrated with a closed humidifier bypass 3, the measurement inaccuracy is reduced.

Ein Arrhenius-Ansatz wird bei der Berechnung des Stoffdurchgangskoeffizienten β eines Befeuchter-Kennfelds mittels der Gleichung β= D 0 δ men exp [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ]

Figure DE102020119137A1_0008
verwendet, wobei Do für den Diffusionskoeffizienten bei einer Referenztemperatur T0, δmem für die Schichtdicke der Membran des Befeuchters 3, Tm für die mittlere Befeuchtertemperatur und R für die allgemeine Gaskonstante steht. Die Aktivierungsenergie EA wird experimentell über eine Arrhenius-Gleichung mit der Gleichung EA = -m ∗ R bestimmt, wobei m für die Steigung der Arrhenius-Gleichung und R für die allgemeine Gaskonstante steht. Die Ermittlung der Aktivierungsenergie wird beispielhaft in der 2 gezeigt.An Arrhenius approach is used when calculating the mass transfer coefficient β of a humidifier map using the equation β= D 0 δ men ex [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ]
Figure DE102020119137A1_0008
used, where Do for the diffusion coefficient at a reference temperature T 0 , δ mem for the layer thickness of the membrane of the humidifier 3, T m for the average humidifier temperature and R for the general gas constant. The activation energy E A is determined experimentally using an Arrhenius equation with the equation E A = -m ∗ R, where m stands for the slope of the Arrhenius equation and R for the general gas constant. The determination of the activation energy is exemplified in the 2 shown.

Die 3 zeigt eine schematische Darstellung des Befeuchters 3 mit einer Befeuchter-Bypassleitung. Die für die Berechnung der mittleren Befeuchtertemperatur essenzielle Temperatur T1 wird stromauf des Befeuchters 3, des Befeuchter-Bypasses 8 und stromauf der Kathode in der Kathodenfrischgasleitung 5 gemessen, wohingegen die Temperatur T3 stromab der Kathode und stromauf des Befeuchters 3 in der Kathodenabgasleitung 6 gemessen wird. Durch die Messung der Temperatur T1 kann weiterhin die molare Wasserkonzentration am Austritt des Ladeluftkühlers 7 über die Formel c D ,in = φ 1 p s ( t 1 ) R T 1

Figure DE102020119137A1_0009
berechnet werden, wobei φ1 für die Feuchte und ps(T1) für den Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur T1 steht.the 3 shows a schematic representation of the humidifier 3 with a humidifier bypass line. The temperature T 1 , which is essential for calculating the mean humidifier temperature, is measured upstream of the humidifier 3, the humidifier bypass 8 and upstream of the cathode in the cathode fresh gas line 5, while the temperature T 3 is measured downstream of the cathode and upstream of the humidifier 3 in the cathode exhaust gas line 6 will. By measuring the temperature T 1 , the molar water concentration at the outlet of the intercooler 7 can also be determined using the formula c D ,in = φ 1 p s ( t 1 ) R T 1
Figure DE102020119137A1_0009
be calculated, where φ 1 stands for the humidity and p s (T 1 ) for the saturation vapor pressure at the temperature T 1 .

Durch die molare Wasserkonzentration am Austritt des Ladeluftkühlers 7 und die Berechnung der molaren Wasserkonzentration am Kathodenaustritt mit der Formel c w ,in = φ wet ,in p s ( T 3 ) R T 3 ,

Figure DE102020119137A1_0010
wobei φwet,in für einen Anpassungsparameter, der die relative Feuchte der Luft am Kathodenaustritt abschätzt und experimentell an Messdaten angepasst wird, und ps(T3) für den Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur T3 steht, kann die molare Wasserkonzentration der Zuluft am Befeuchteraustritt über die Gleichung cD,out = CD,in + η(cw,in - CD,in) berechnet werden. Dabei steht η für den Wirkungsgrad des Befeuchters 3, berechnet nach der Number-of-Transfer-Units-Methode, und cw,in für die molare Wasserkonzentration am Kathodenaustritt.By the molar water concentration at the outlet of the intercooler 7 and the calculation of the molar water concentration at the cathode outlet with the formula c w ,in = φ wet ,in p s ( T 3 ) R T 3 ,
Figure DE102020119137A1_0010
where φ wet,in is an adjustment parameter that estimates the relative humidity of the air at the cathode outlet and is experimentally adjusted to measurement data, and p s (T 3 ) stands for the saturation vapor pressure at temperature T 3 , the molar water concentration of the supply air at the humidifier outlet can be calculated using the equation c D,out = C D,in + η(c w,in - C D,in ). η stands for the efficiency of the humidifier 3, calculated according to the number-of-transfer-units method, and c w,in for the molar water concentration at the cathode outlet.

Durch die bekannte Aufteilung der Luftmassenströme kann nachfolgend die Wasserkonzentration am Eintritt der Kathode durch die Gleichung CFC,in = CD,in ∗ WBYP + CD,out(1 - WBYP) berechnet werden. Durch die Temperatur T2 am Kathodeneintritt kann der Partialdruck von Wasser am Kathodeneintritt durch die Gleichung Pw,FC,in = cD,FC,inR ∗ Tstackin = ps(TDP) berechnet werden, wobei Tstack in für die Temperatur des Brennstoffzellenstapels und ps(TDP) für den Sättigungsdampfdruck bei der Taupunkttemperatur steht.The water concentration at the inlet of the cathode can be calculated using the equation C FC,in = CD ,in ∗ W BYP + CD,out (1 - W BYP ) from the known distribution of the air mass flows. From the temperature T2 at the cathode inlet, the partial pressure of water at the cathode inlet can be calculated using the equation P w,FC,in = c D,FC,in R ∗ T stackin = p s (T DP ), where T stack in stands for the temperature of the fuel cell stack and p s (T DP ) is the saturation vapor pressure at the dew point temperature.

Die 4 zeigt zur weiteren Veranschaulichung eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur modellbasierten Feuchteregelung.the 4 shows a schematic representation of the method according to the invention for model-based humidity control for further illustration.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
Befeuchterhumidifier
44
Verdichtercompressor
55
KathodenfrischgasleitungCathode fresh gas line
66
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
77
Ladeluftkühlerintercooler
88th
Befeuchter-Bypasshumidifier bypass
99
erste Regelklappefirst control flap
1010
zweite Regelklappesecond control flap
1111
Kathodeneintrittcathode entry
1212
Befeuchtereintritthumidifier entry
1313
Brennstofftankfuel tank
T0T0
Referenztemperaturreference temperature
T1T1
Temperatur der Zuluft stromauf des BefeuchtersTemperature of the supply air upstream of the humidifier
T2T2
Temperatur der Zuluft stromab des Befeuchters vor der KathodeTemperature of the supply air downstream of the humidifier before the cathode
T3T3
Temperatur der Abluft stromauf des BefeuchtersTemperature of the exhaust air upstream of the humidifier
Tmtom
mittlere Befeuchtertemperaturmean humidifier temperature
Tstacktstack
in Temperatur des Brennstoffzellenstapelsin temperature of the fuel cell stack
TDPTDP
Taupunkttemperaturdew point temperature
XambXamb
Umgebungsluftambient air
WBYPWBYP
Bypassanteilbypass portion
ββ
Stoffdurchgangskoeffizientenmass transfer coefficient
Dodo
Diffusionskoeffizient bei Referenztemperatur ToDiffusion coefficient at reference temperature To
EAEA
Aktivierungsenergieactivation energy
RR
allgemeine Gaskonstantegeneral gas constant
CD,outCD out
molare Wasserkonzentration Befeuchter Zuluft AUSmolar water concentration humidifier supply air OFF
CD,in,CD, in,
molare Wasserkonzentration Ladeluftkühler AUSmolar water concentration charge air cooler OFF
Cw,in,cw,in
molare Wasserkonzentration Kathode AUSmolar water concentration cathode OFF
δmemδmem
Schichtdicker der Membran des BefeuchtersLayer thickness of the humidifier membrane
ηn
Wirkungsgrad BefeuchterEfficiency humidifier

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • DE 102006058833 A1 [0006]DE 102006058833 A1 [0006]
  • DE 102009005647 A1 [0006]DE 102009005647 A1 [0006]

Claims (8)

Verfahren für die modellbasierte Feuchteregelung einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) aufweisenden Brennstoffzelle, umfassend die Schritte: - Messen des Luftmassenstroms am Systemeintritt vor einem Verdichter (4), - Messen der Wasserbeladung der Umgebungsluft Xamb - Berechnung einer Luftmassenbilanz anhand der Gleichung m ˙ air ,dry = m ˙ air ,wet ,measured 1 + X amb ,
Figure DE102020119137A1_0011
- Ermittlung einer Massenstromaufteilung zwischen einem Befeuchter-Bypass (8) und einem Befeuchter (3), - Bestimmung des Stoffdurchgangskoeffizienten β eines Befeuchter-Kennfelds mittels der Gleichung β= D 0 δ men exp [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ] ,
Figure DE102020119137A1_0012
- Berechnung der mittleren Befeuchtertemperatur anhand der Gleichung T m = T1 + T3 2
Figure DE102020119137A1_0013
und Bestimmung des Wirkungsgrads des Befeuchters (3), - Berechnung der molaren Wasserkonzentration der Zuluft beim Austritt aus dem Befeuchter (3) anhand der Gleichung cD,out = CD,in + η(cw,in - cD,in), - Messen der Temperatur T2 an einem Kathodeneintritt (11) - Berechnung der Wasserkonzentration an dem Kathodeneintritt (11) anhand der Gleichung CFC,in = CD,in ∗ WBYP + cD,out(1 - WBYP), - Berechnung des Partialdrucks und somit des Sättigungsdampfdrucks bei einer Taupunkttemperatur des Wassers am Kathodeneintritt (11) anhand der Gleichung pw,FC,in = cD,FC,in R ∗ Tstack in = Ps(TDP), - Umrechnung des Dampfdrucks in eine Taupunkttemperatur anhand einer invertierten Dampfdruckkurve, - Nutzung der Taupunkttemperatur als Regelgröße.
Method for model-based humidity control of a fuel cell device (1) having a fuel cell, comprising the steps: - measuring the air mass flow at the system inlet before a compressor (4), - measuring the water loading of the ambient air X amb - calculating an air mass balance using the equation m ˙ air ,dry = m ˙ air ,wet ,measured 1 + X amb ,
Figure DE102020119137A1_0011
- Determination of a mass flow distribution between a humidifier bypass (8) and a humidifier (3), - Determination of the mass transfer coefficient β of a humidifier map using the equation β= D 0 δ men ex [ E A R ( 1 T m 1 T 0 ) ] ,
Figure DE102020119137A1_0012
- Calculation of the mean humidifier temperature using the equation T m = T1 + T3 2
Figure DE102020119137A1_0013
and determination of the efficiency of the humidifier (3), - Calculation of the molar water concentration of the supply air when leaving the humidifier (3) using the equation c D,out = CD,in + η(c w,in - c D,in ) , - measuring the temperature T 2 at a cathode inlet (11) - calculating the water concentration at the cathode inlet (11) using the equation C FC,in = C D,in ∗ W BYP + c D,out (1 - W BYP ), - Calculation of the partial pressure and thus the saturation vapor pressure at a dew point temperature of the water at the cathode inlet (11) using the equation p w,FC,in = c D,FC,in R ∗ T stack in = P s (T DP ), - Conversion of the vapor pressure into a dew point temperature using an inverted vapor pressure curve, - use of the dew point temperature as a controlled variable.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsenergie, die für die Berechnung des Stoffdurchgangskoeffizienten β notwendig ist, experimentell bestimmt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the activation energy, which is necessary for the calculation of the mass transfer coefficient β, is determined experimentally. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad des Befeuchters (3) anhand der Number-of-Transfer-Units-Methode bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 2 , characterized in that the efficiency of the humidifier (3) is determined using the number-of-transfer-units method. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem geschlossenen Befeuchter-Bypass (8) die Luftmassenbilanz mit einer verringerten Messungenauigkeit kalibriert wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that with a closed humidifier bypass (8), the air mass balance is calibrated with a reduced measurement inaccuracy. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserbeladung der Umgebungsluft Xamb durch einen am Befeuchtereintritt angeordneten Kombisensor für die Temperatur, Druck und Feuchte ermittelt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the water loading of the ambient air X amb is determined by a combination sensor for temperature, pressure and humidity arranged at the humidifier inlet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wobei der Bypassanteil WBYP in Abhängigkeit der Position von einer ersten Regelklappe (9) und einer zweiten Regelklappe (10) bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the bypass component W BYP is determined as a function of the position of a first control valve (9) and a second control valve (10). Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Fuel cell device (1) with a control unit for carrying out the method according to one of Claims 1 until 6 . Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7.Fuel cell vehicle with a fuel cell device (1). claim 7 .
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