DE102020123782A1 - Verfahren zur Unterscheidung der Ursache von Spannungsverlusten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterscheidung der Ursache von Spannungsverlusten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die Schritte:
a) Erkennen eines quasi-stationären Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung (1),
b) Erfassen und Speichern einer gemessenen U-I-Kennlinie (16) mit den Stromwerten und den Spannungswerten eines Brennstoffzellen-stapels (3) der Brennstoffzellenvorrichtung (1),
c) Nutzung eines PtOx-Modells (17) zur Bestimmung von PtOx-Spannungsverlusten und Berechnung einer korrigierten U-I-Kennlinie (21) für den PtOx-freien und normal befeuchteten Brennstoffzellenstapel (3),
d) Vergleich der in Schritt b) und in Schritt c) bestimmten U-I-Kennlinien (16, 21) und Erkennen eines zumindest teilweise ausgetrockneten Brennstoffzellenstapels (3), wenn die gemessene U-I-Kennlinie (16) unterhalb der korrigierten U-I-Kennlinie (21) verläuft. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterscheidung der Ursache von Spannungsverlusten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte:
    1. a) Erkennen eines quasi-stationären Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung,
    2. b) Erfassen und Speichern einer gemessenen U-I-Kennlinie mit den Stromwerten und den Spannungswerten eines Brennstoffzellen-stapels der Brennstoffzellenvorrichtung,
    3. c) Nutzung eines PtOx-Modells zur Bestimmung von PtOx-Spannungsverlusten und Berechnung einer korrigierten U-I-Kennlinie für den PtOx-freien und normal befeuchteten Brennstoffzellenstapel,
    4. d) Vergleich der in Schritt b) und in Schritt c) bestimmten U-I-Kennlinien und Erkennen eines zumindest teilweise ausgetrockneten Brennstoffzellenstapel, wenn die gemessene U-I-Kennlinie unterhalb der korrigierten U-I-Kennlinie verläuft.
    Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
  • 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, nämlich der Anode und der Kathode, ist. Die Anode und die Kathode sind mit einer auf einem Kohlenstoffträger angeordneten Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • 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. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung erforderlich ist.
  • 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 Gewährleistung des Feuchteniveaus 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.
  • Brennstoffzellen unterliegen im Laufe ihrer Lebensdauer einer Alterung. Diese Alterung besitzt einen reversiblen und einen irreversiblen Anteil. und wird durch das Absinken der Spannung in einer Spannungs-Stromkennlinie (U/l-Kennlinie) beschrieben, während ein vorgegebener Strom von der Brennstoffzelle entnommen wird. So ist zu Beginn der Lebensdauer der Brennstoffzelle das Absinken der Spannung bei dem jeweiligen Strom geringer als nach fortgeschrittener Lebensdauer. Da die Alterung der Brennstoffzelle einen reversiblen Anteil aufweist, kann die Brennstoffzelle regeneriert und so der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wieder erhöht werden.
  • Eine wesentliche Degradationsursache ist die Auflösung des Platinkatalysators durch Oxidaufbau in einem Betrieb der Brennstoffzelle mit hoher Zellspannung. Die Auflösung des Platinkatalysators wird insbesondere dann beschleunigt, wenn die Membranelektrodeneinheit im Zyklenbetrieb am oberen Spannungslimit betrieben wird. Dies ist beispielsweise im Leerlauf der Brennstoffzelle (auch als OCV-Betrieb bekannt, wobei OCV „open circuit voltage“ bedeutet) oder beim Froststart der Fall. Die Auflösung des Platinkatalysators führt zu einer Abnahme der katalytisch aktiven Oberfläche, womit die Brennstoffzelle einer beschleunigten Alterung unterliegt.
  • Das Absinken der Spannung kann also unter anderem auf ungewollte Katalysatorbeladung durch zum Beispiel Platin-Oxid-Spezies zurückgeführt werden. Diese Oxid-Spezies bilden sich im Betrieb auf der Kathode und sind spannungsgetrieben, d.h. ihr Auf- und Abbau ist eine Funktion der Kathoden-Halbzellspannung und somit eine Funktion der Zellspannung. Dieser Aufbauprozess ist nicht verhinderbar und Teil des gewöhnlichen Betriebs. Je stärker die PtOx-Beladung, desto größer sind die Spannungsverluste. Der Spannungsverlust verhält sich logarithmisch im zeitlichen Verlauf, d.h. die größte Änderung der Spannung erfolgt in den ersten Sekunden, danach ändert sich die Spannung nur noch langsam und schleichend. Entscheidenden Einfluss auf diese Spannungsverluste hat außerdem die Zellspannung, was zu einer ausgeprägten Lastpunktabhängigkeit führt. Bei Lastpunktwechseln finden PtOx-Umbauprozesse statt - ein Wechsel auf eine höhere Spannung baut mehr PtOx auf, ein Wechsel zu einer niedrigere Spannung baut PtOx teilweise ab. Der Auf- und Abbau-Prozess ist dabei nie abgeschlossen, sondern strebt erneut logarithmisch in der Zeit hin zu einem neuen elektrochemischen Gleichgewicht. Ein Wechsel zu einem hohen Lastpunkt und folglich einer niedrigeren Stapelspannung kann auch als Regeneration interpretiert werden, da ein Teil der unerwünschten Oxid-Beladung abgebaut wird.
  • Ein weiterer reversibler Anteil der Degradation der Brennstoffzelle beziehungsweise der Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen tritt auf, wenn die Brennstoffzelle respektive der Brennstoffzellenstapel mit einem unzureichenden Feuchteniveau, also zu trocken, betrieben wird. Dies wird in der Regel verursacht bei einem Betrieb bei hohen Temperaturen und bei hoher Belastung, also großer Leistungsentnahme. Das Austrocknen führt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades und damit zu einem höheren Brennstoffverbrauch.
  • Die DE 10 2012 104 142 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen, wann ein Rückgewinnungsprozess zum Rückgewinnen eines reversiblen Spannungsverlustes durchzuführen ist, wobei ein Schätzen eines irreversiblen Spannungsverlustes einbezogen ist, um eine Differenz zwischen dem geschätzten irreversiblen Spannungsverlust und einer geschätzten aktuellen Stapelspannung zu erkennen. Die DE 10 2016 117 432 A1 verweist gleichfalls auf ein Verfahren zur Bestimmung eines wiederherstellbaren Spannungsverlustes, basierend auf einem Vergleich zwischen der geschätzten Ausgabespannung und einer gemessenen Ausgabespannung. Ist eine ausreichende Größe des wiederherstellbaren Spannungsverlustes gegeben, wird ein Wiederherstellungsvorgang gestartet. Die Überwachung der Feuchte eines Brennstoffzellenstapels ist in der US 2016/0164126 A1 geschildert.
  • Da unterschiedliche Mechanismen vorliegen, die zu einer reversiblen Degradation führen, und unterschiedliche Maßnahmen zur Ausnutzung der Reversibilität der Mechanismen erforderlich sind, ist es wichtig zu unterscheiden, was die Ursache für eine festgestellte Leistungseinbuße ist, um die geeignete Rückgewinnungsstrategie auszulösen, die zur Wiederherstellung der normalen erreichbaren Leistung der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels führt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem eine Unterscheidung zwischen einer Austrocknung der Brennstoffzellen und einer Katalysatorvergiftung bzw. Spannungsverlust anhand von PtOx Aufbau möglich ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
  • 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 eingangs genannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einfacher Weise verschiedene Beiträge zur Degradation unterschieden werden können und auf diese Weise auch eine angepasste Rückgewinnungsstrategie angewandt werden kann, wenn nämlich eine Befeuchtung als Wiederherstellungsstrategie durchgeführt wird, wenn in Schritt d) ein zumindest teilweise ausgetrockneter Brennstoffzellenstapel erkannt wird. Unnötige Zwangsstopps mit einem erneuten Start werden dadurch vermieden, die Verfügbarkeit der Brennstoffzellenvorrichtung steigt. Auch sinkt der Brennstoffverbrauch, da der Brennstoffzellenstapel öfter in einem optimalen Zustand mit höherer Effizienz betrieben wird. Außerdem sinkt der irreversible Anteil der Degradation, da der Brennstoffzellenstapel öfter optimal betrieben wird.
  • Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Schritte a) bis d) erneut durchgeführt werden zur Kontrolle, ob die Befeuchtung den Spannungsverlust beseitigt hat. Ist dies der Fall, dann war die Diagnose der Degradation zutreffend, andernfalls muss ein anderer Mechanismus zur Degradation wie Verunreinigungen mit CO, NH3 in die Überlegungen mit einbezogen werden.
  • Der Wahl einer optimierten Rückgewinnungsstrategie dient auch, dass die in Schritt b) erfassten gemessenen Stromwerte und Spannungswerte klassifiziert und SOH-Containern zugewiesen werden, da so die Rückgewinnungsstrategie in Abhängigkeit des vorliegenden SOH-Containers ausgewählt werden kann.
  • Bewährt hat es sich, wenn bei einer trocknungsindizierten Regeneration des Brennstoffzellenstapels eine Änderung der durchschnittlichen Membrantemperatur und/oder eine Erhöhung der kathodenseitigen Eintrittsfeuchte und/oder eine Erhöhung des kathodenseitigen Eintrittsdruckes und/oder eine Änderung der Luft-Stöchiometrie erfolgt.
  • Ergibt sich bei der Anwendung des PtOx-Modells, dass eine Regeneration aufgrund einer PtOx-Vergiftung erforderlich ist, hat sich bewährt, wenn die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels unter 300 mV abgesenkt wird.
  • Auch kann ein Stopp der Brennstoffzellenvorrichtung angefordert werden, um den Brennstoffzellenstapel elektrisch zu entladen, um so das PtOx zu reduzieren und auch die Befeuchtung zu erleichtern.
  • Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zur Durchführung der vorstehenden Verfahren eingerichtetem Steuergerät und für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
  • 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 zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eine Brennstoffzellenvorrichtung,
    • 2 eine Darstellung dreier unterschiedlicher U-I-Kennlinien, nämlich der Kennlinie für einen PtOx-freien Katalysator (dünne durchgezogene Linie), einer nach einem Modell zur PtOx-Bildung korrigierten Kennlinie (strichliert) und einer gemessenen Kennlinie (dicke durchgezogene Linie),
    • 3 ein Flussdiagramm zur Bestimmung, ob ein ausgetrockneter Brennstoffzellenstapel vorliegt, und
    • 4 eine Darstellung eines PtOx-Aufbaumodells, mit dem die Spannungsverluste geschätzt werden, um eine PtOx- Regeneration zu triggern; darüber hinaus werden diese Spannungsverluste herangezogen, um die hinsichtlich der PtOx-Bildung korrigierte Kennlinie zu ermitteln.
  • In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst.
  • 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 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 Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
  • 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. Die Konditionierung des Kathodenfrischgases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem Befeuchter 4, der eine optimale Befeuchtung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
  • Während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 1 kommt es zu einer Katalysatorvergiftung durch Oxidbildung, was die Leistungsfähigkeit und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 1 einschränkt. Diese Degradation ist reversibel und die Durchführung eines Verfahrens zur Regeneration der Brennstoffzellenvorrichtung 1 möglich, was ausgenutzt wird, um die Spannungsverluste zu begrenzen beziehungsweise zu beseitigen. Erfolgt nämlich eine Absenkung der Zellspannung, beispielsweise durch eine erhöhte Stromentnahme bei hohen Lastpunkten, wird PtOx abgebaut. Je höher dieser Lastpunkt liegt, desto stärker ist die regenerative Wirkung. Im Idealfall ist der Laststrom so hoch, dass jede Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem eine Spannung unter 0,5V (idealerweise unter 0,4V) erreicht und somit in diesem Moment der Katalysator PtOx frei ist, was der maximalen Regenerationswirkung entspricht. Alternativ kann ein Stopp-Befehl an einen Start/Stopp-Koordinator geschickt werden, um die Brennstoffzellenvorrichtung 1 während dieses Vorgangs zu entladen.
  • Eine Einschränkung der Effizienz und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenvorrichtung kann auch durch ein Austrocknen des Brennstoffzellenstapels 3 gegeben sein, was durch eine entsprechende verbesserte Befeuchtung durch den Befeuchter 4 reversibel ist. Spannungsverluste können auch durch Verunreinigungen auftreten. Das alles bereitet Schwierigkeiten bei der Unterscheidung, was die Ursache der Degradation ist und wie diese durch eine geeignete Rückgewinnungsstrategie beseitigt werden kann. Die Alterung des Brennstoffzellenstapels wird durch einen State of Health (SOH) beschrieben.
  • Zur Unterscheidung der Ursache von Spannungsverlusten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung 1, wird deshalb ein Verfahren durchgeführt, das die Schritte umfasst:
    1. a) Erkennen eines quasi-stationären Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 1,
    2. b) Erfassen und Speichern einer gemessenen U-I-Kennlinie 16 mit den Stromwerten und den Spannungswerten eines Brennstoffzellen-stapels 3 der Brennstoffzellenvorrichtung 1,
    3. c) Nutzung eines PtOx-Modells 17 zur Bestimmung von PtOx-Spannungsverlusten und Berechnung einer korrigierten U-I-Kennlinie 21 für den PtOx-freien und normal befeuchteten Brennstoffzellenstapel 3,
    4. d) Vergleich der in Schritt b) und in Schritt c) bestimmten U-I-Kennlinien 16, 21 und Erkennen eines zumindest teilweise ausgetrockneten Brennstoffzellenstapel 3, wenn die gemessene U-I-Kennlinie 16 unterhalb der korrigierten U-I-Kennlinie 21 verläuft.
  • In 2 sind drei unterschiedliche U-I-Kennlinien dargestellt, nämlich die Kennlinie 22 für einen PtOx-freien Katalysator (dünne durchgezogene Linie), eine nach einem Modell zur PtOx-Bildung korrigierte Kennlinie 21 (strichliert) und eine gemessene Kennlinie 16 (stärker durchgezogene Linie). Wenn sich ergibt, dass ausgehend von der gemessenen Kennlinie 16 eine aufgrund des PtOx-Modells korrigierte Kennlinie 21 nicht die erwartete Kennlinie für einen PtOx-freien Katalysator zeigt, dann liegt ein zusätzlicher Degradationsmechanismus vor, zu dem angenommen wird, dass dieser auf einer unzureichenden Befeuchtung beruht. Der entsprechende Ablauf ist in dem Flussdiagramm der 3 dargestellt. Liegt der Verdacht auf einen trockenen Brennstoffzellenstapel 3 vor, dann wird eine Befeuchtung als Rückgewinnungsstrategie durchgeführt.
  • Ergibt die erneute Durchführung der Schritte a) bis d), dass die Befeuchtung die Spannungsverluste beseitigt hat, also die gemessene U-I-Kennlinie 16 sich im Wesentlichen mit der korrigierten U-I-Kennlinie 21 deckt, dann liegt die Bestätigung vor, dass die Diagnose des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 3 im trockenen Zustand zutreffend war (3).
  • Der einfacheren Wahl einer geeigneten Rückgewinnungsstrategie dient auch, dass die in Schritt b) erfassten gemessenen Stromwerte und Spannungswerte klassifiziert und SOH-Containern zugewiesen werden.
  • 4 zeigt den Vorgang zur Anwendung des PtOx-Modells 17, bei dem die Stromwerte und die Spannungswerte als Eingangsgrößen dem PtOx-Modell 17 zugeführt werden, das die Bildung von PtOx bei den gegebenen Betriebsbedingungen bestimmt und daraus den zu erwartenden Spannungsabfall errechnet. Überschreitet dieser einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, kann eine PtOx-Regeneration initiiert werden.
  • Bei einer trocknungsindizierten Regeneration des Brennstoffzellenstapels 3 erfolgt eine Änderung der durchschnittlichen Membrantemperatur und/oder eine Erhöhung der kathodenseitigen Eintrittsfeuchte und/oder eine Erhöhung des kathodenseitigen Eintrittsdruckes und/oder eine Änderung der Luft-Stöchiometrie, während die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels 3 unter 300 mV abgesenkt wird, wenn eine Degradation aufgrund einer PtOx-Vergiftung vorliegt. Ergänzend kann auch ein Stopp der Brennstoffzellenvorrichtung 1 angefordert werden.
  • Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem zur Durchführung des Verfahrens geeignetem Steuergerät gewährleistet bei Kraftfahrzeug dessen lange währende Leistungsfähigkeit bei guter Effizienz.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzelle
    3
    Brennstoffzellenstapel
    4
    Befeuchter
    5
    Ladeluftkühler
    6
    Bypassleitung
    7
    Befeuchter-Bypassventil
    8
    Frischluftdosierventil
    9
    Frischluftleitung
    10
    Kathodenabgasleitung
    11
    Kathodenabgasventil
    12
    Brennstoffleitung
    13
    Brennstofftank
    14
    Rezirkulationsleitung
    15
    Rezirkulationsgebläse
    16
    gemessene U-I-Kennlinie
    17
    PtOx-Modell
    18
    Verdichter
    19
    Brennstoffdosierventil
    20
    Wasserabscheider
    21
    korrigierte U-I-Kennlinie
    22
    PtOx-freie Kennlinie
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012104142 A1 [0009]
    • DE 102016117432 A1 [0009]
    • US 2016/0164126 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Unterscheidung der Ursache von Spannungsverlusten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die Schritte: a) Erkennen eines quasi-stationären Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung (1), b) Erfassen und Speichern einer gemessenen U-I-Kennlinie (16) mit den Stromwerten und den Spannungswerten eines Brennstoffzellenstapels (3) der Brennstoffzellenvorrichtung (1), c) Nutzung eines PtOx-Modells (17) zur Bestimmung von PtOx-Spannungsverlusten und Berechnung einer korrigierten U-I-Kennlinie (21) für den PtOx-freien und normal befeuchteten Brennstoffzellenstapel (3), d) Vergleich der in Schritt b) und in Schritt c) bestimmten U-I-Kennlinien (16, 21) und Erkennen eines zumindest teilweise ausgetrockneten Brennstoffzellenstapels (3), wenn die gemessene U-I-Kennlinie (16) unterhalb der korrigierten U-I-Kennlinie (21) verläuft.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befeuchtung als Wiederherstellungsstrategie durchgeführt wird, wenn in Schritt d) ein zumindest teilweise ausgetrockneter Brennstoffzellenstapel (3) erkannt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis d) erneut durchgeführt werden zur Kontrolle, ob die Befeuchtung den Spannungsverlust beseitigt hat.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) erfassten gemessenen Stromwerte und Spannungswerte klassifiziert und SOH-Containern zugewiesen werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückgewinnungsstrategie in Abhängigkeit des vorliegenden SOH-Containers ausgewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer trocknungsindizierten Regeneration des Brennstoffzellenstapels (3) eine Änderung der durchschnittlichen Membrantemperatur und/oder eine Erhöhung der kathodenseitigen Eintrittsfeuchte und/oder eine Erhöhung des kathodenseitigen Eintrittsdruckes und/oder eine Änderung der Luft-Stöchiometrie
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels (3) unter 300 mV abgesenkt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stopp der Brennstoffzellenvorrichtung (1) angefordert wird.
  9. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.
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