DE102022210748A1

DE102022210748A1 - Alterungszustands-Abschätzverfahren für einen Feuchteübertrager eines Brennstoffzellenaggregats

Info

Publication number: DE102022210748A1
Application number: DE102022210748.9A
Authority: DE
Inventors: Christopher Bruns; Sergei Hahn; Kristoffer Kantschar
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-12
Filing date: 2022-10-12
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Abschätzen eines Alterungszustands eines Feuchteübertragers (36), insbesondere eines Gas-zu-Gas-Befeuchters (36), eines Brennstoffzellenaggregats (1) insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei das Abschätzen des Alterungszustands des Feuchteübertragers (36) auf Basis eines in einer Anodenversorgung (20) des Brennstoffzellenaggregats (1) anfallenden Wassers erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen eines Alterungszustands eines Feuchteübertragers, sowie ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellenaggregat. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Stand der Technik
In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats (stationär oder mobil) z. B. eines Brennstoffzellensystems bspw. eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet (Brennstoffzellenstapel bzw. Stack mit einer Mehrzahl von Einzel-Brennstoffzellen (Einzelzellen)).
Aufgabenstellung
Für einen effizienten und degradationsarmen Betrieb eines solchen Brennstoffzellenstapels ist eine ausreichende Befeuchtung der Membranen der Membran-Elektroden-Einheiten erforderlich. Zur Sicherstellung dieser Anforderung ist deshalb kathodenseitig häufig ein Feuchteübertrager, insbesondere ein Gas-zu-GasBefeuchter, im Brennstoffzellenaggregat eingesetzt. Dieser nutzt feuchtes Abgas des Brennstoffzellenstapels zur Befeuchtung trockener Zuluft des Brennstoffzellenstapels. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem ein Verfahren für einen degradationsarmen Betrieb eines Brennstoffzellenaggregats durchführbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Abschätzen eines Alterungszustands eines Feuchteübertragers, insbesondere eines Gas-zu-Gas-Befeuchters, eines Brennstoffzellenaggregats insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs; durch ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellenaggregat insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs; sowie mittels eines Brennstoffzellenaggregats, eines Brennstoffzellensystems oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Abschätzverfahren erfolgt das Abschätzen des Alterungszustands des Feuchteübertragers auf Basis eines in einer Anodenversorgung des Brennstoffzellenaggregats anfallenden Wassers (Untersuchung einer Wasserbilanz). Hierdurch kann eine Adaption wenigstens eines Betriebsparameters, insbesondere wenigstens eines Betriebsparameters einer Kathodenversorgung, des Brennstoffzellenstapels dahingehend erfolgen (vgl. unten), dass ein sicherer und effizienter Betrieb des Brennstoffzellenaggregats bei bevorzugt wenigstens ausreichend befeuchtetem Feuchteübertrager und somit auch bevorzugt wenigstens ausreichend befeuchteten Membranen der Membran-Elektroden-Einheiten des Brennstoffzellenaggregats gewährleistet ist.
Durch das Abschätzverfahren kann über eine Zeit hinweg ein Wasser-Massenstrom (Füllrate, zeitlicher Füllstandsverlauf) eines Wassersammelbehälters, ein diffundierender Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode des Brennstoffzellenaggregats, und/oder eine relative Feuchte an einem Eintritt der Kathode eines Brennstoffzellenstapels berücksichtigt werden. Hierbei kann auf dieser Basis das Abschätzen des Alterungszustands des Feuchteübertragers erfolgen. - Der Wasserbehälter kann ein anodenseitiger Wassersammelbehälter oder auch ein der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung gemeinsamer Wassersammelbehälter sein. In zweiterem Fall muss natürlich ein von der Kathodenversorgung stammender Wasser-Massenstrom für das Abschätzverfahren aus der Wasserbilanz herausgenommen werden.
Durch das Abschätzverfahren kann über eine Zeit hinweg aus dem/einem Wasser-Massenstrom des Wassersammelbehälters, aus einem/dem diffundierenden Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode, und/oder aus einer/der relativen Feuchte eines Kathoden-Betriebsmediums am Eintritt der Kathode der Alterungszustand des Feuchteübertragers ermittelt werden. Hierbei kann aus obigem Wasser-Massenstrom obiger diffundierender Wasser-Massenstrom ermittelt werden. Dabei kann aus diesem diffundierenden Wasser-Massenstrom obige relative Feuchte ermittelt werden. Und ferner kann aus dieser relativen Feuchte obiger Alterungszustand des Feuchteübertragers ermittelt werden.
Generell kann ein Wasser-Massenstrom, ein diffundierender Wasser-Massenstrom, eine relative Feuchte und/oder ein anderer Parameter bzw. Betriebsparameter z. B. gemessen, detektiert, sensiert, diagnostiziert (KI) und/oder oder durch ein Modell (physikalisch, Kl- oder Hybrid-basiert) ermittelt werden.
In einer Ausführungsform kann ein Wasser-Massenstrom des Wassersammelbehälters ermittelt werden, anhand welchem der Alterungszustand durch ein Befeuchtermodell des Feuchteübertragers abgeschätzt wird. Hierbei kann eine Adaption des Wasser-Massenstroms durch ein Diffusionsmodell für einen diffundierenden Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode, sowie eine Adaption dieses diffundierenden Wasser-Massenstroms durch das Befeuchtermodell für die relative Feuchte am Eintritt der Kathode ermittelt werden.
Ein/das Befeuchtermodell für die relative Feuchte am Eintritt der Kathode kann als ein Alterungsmodell für einen Alterungszustand des Feuchteübertragers ausgebildet sein, wobei bevorzugt durch eine Adaption dieser relativen Feuchte am Eintritt der Kathode durch das Alterungsmodell der Alterungszustand des Feuchteübertragers ermittelt wird. - Hierbei ist ein Modell, also das Diffusionsmodell, das Befeuchtermodell und/oder das Alterungsmodell, bevorzugt in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems hinterlegt.
In einem ersten Schritt des Abschätzverfahrens kann durch das Diffusionsmodell ein im Brennstoffzellenstapel diffundierender Wasser-Massenstrom aufgrund des Wasser-Massenstroms des Wassersammelbehälters ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann zum Adaptieren des Wasser-Massenstroms des Wassersammelbehälters ein Vergleich zwischen einem realen und einem modellbasierten Wasser-Massenstrom erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann ein diffundierter Wasser-Massenstrom einem ermittelten Wasser-Massenstrom des Wassersammelbehälters im Wesentlichen äquivalent sein oder mit diesem korrelieren. Dies kann z. B. ein Faktor oder ein Funktion sein.
In einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt des Abschätzverfahrens kann aus dem diffundierten Wasser-Massenstrom im Befeuchtermodell die relative Feuchte am Eintritt der Kathode ermittelt werden. Ferner kann in einem auf den zweiten Schritt folgenden dritten Schritt des Abschätzverfahrens der Alterungszustand des Feuchteübertragers abgeschätzt werden, wobei ein Vergleich zwischen der relativen Feuchte am Eintritt der Kathode im Neuzustand und der im zweiten Schritt ermittelten relativen Feuchte durchgeführt werden kann.
Das Abschätzverfahren kann ohne ein Messen einer relativen Feuchte durchgeführt werden. D. h. das Abschätzverfahren kann ohne einen Feuchtesensor, insbesondere ohne einen Feuchtesensor vor/an dem Eintritt der Kathode, arbeiten. Das Abschätzverfahren kann ferner als ein Diagnoseverfahren ausgebildet sein, durch welches ein aktueller Alterungszustand des Feuchteübertragers ausgegeben werden kann. Das Abschätzen des Alterungszustands aufgrund eines Allgemeinzustands des Feuchteübertragers kann im Abschätzverfahren erfolgen. Ferner kann das Alterungsmodell durch ein Allgemeinzustandsmodell des Feuchteübertragers im Abschätzverfahren realisiert sein.
Durch das Abschätzverfahren kann eine Wasserbilanz des Brennstoffzellenaggregats ausgehend vom Wasserbehälter stromaufwärts über den Brennstoffzellenstapel und weiter stromaufwärts bis hin zur relativen Feuchte am Eintritt der Kathode modelliert werden. Ferner kann durch die ermittelte relative Feuchte am Eintritt der Kathode ein Alterungszustand des Feuchteübertragers im Abschätzverfahren modelliert werden.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren arbeitet wenigstens zeitweise mit einem Resultat eines erfindungsgemäßen Abschätzverfahrens, wobei durch das Betriebsverfahren aufgrund des Resultats des Abschätzverfahrens auf ein Alterungsverhalten des Feuchteübertragers derart Einfluss genommen wird, dass eine Alterung des Feuchteübertragers verlangsamt wird. Durch das Betriebsverfahren kann dadurch wenigstens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenaggregats derart angepasst werden, dass die Alterung des Feuchteübertragers durch einen degradationsarmen Betrieb des Feuchteübertragers verlangsamt wird.
Hierbei kann der Betriebsparameter derart ausgewählt und/oder dessen Wert derart eingerichtet werden, dass eine Befeuchtermembran des Feuchteübertragers durch ein Kathoden-Abgasmedium im Wesentlichen dauerhaft feucht gehalten wird. Alternativ oder zusätzlich können dadurch Feucht-Trocken-Zyklen des Feuchteübertragers vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Wasseraktivität an einem Austritt der Kathode des Brennstoffzellenaggregats gezielt beeinflusst werden.
Die Wasseraktivität an einem / am Austritt der Kathode kann derart beeinflusst werden, dass ein bestimmter Grenzwert nicht oder nicht signifikant unterschritten wird. Bevorzugt beträgt der Wert der Wasseraktivität ca. oder größer 1. Ferner kann wenigstens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenaggregats derart gewählt und/oder angepasst werden, dass die Wasseraktivität den Grenzwert für die Wasseraktivität nicht oder nicht signifikant unterschreitet. Hierbei kann ein unsignifikantes und/oder kurzfristiges Unterschreiten außer Acht gelassen werden. Ferner kann nach dem Unterschreiten des Grenzwerts der Wasseraktivität der Feuchteübertrager in einem Regenerationsmodus betrieben werden, in welchem feuchtere Bedingungen im Feuchteübertrager eingestellt werden.
Der wenigstens eine Betriebsparameter kann in einem Betrieb des Brennstoffzellenaggregats eine Stöchiometrie, ein Druck und/oder eine Temperatur insbesondere an/in der Kathode sein. - Generell kann eine Wasseraktivität, eine Stöchiometrie, ein Druck, eine Temperatur und/oder ein anderer Betriebsparameter z. B. gemessen, detektiert, sensiert, diagnostiziert (KI) und/oder oder durch ein Modell (physikalisch, Kl- oder Hybrid-basiert) ermittelt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:

Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs,
die 2 ein mögliches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abschätzen eines Alterungszustands eines Feuchteübertragers eines Brennstoffzellenaggregats,
die 3 und 4 jeweils beispielhafte Liniendiagramme für eine Adaption eines zu gering (3) und eines zu hoch (4) geschätzten Wasser-Massenstroms eines Wassersammelbehälters für ein Diffusionsmodell des Abschätzverfahrens, und
die 5 ein beispielhaftes Liniendiagramm für eine Abhängigkeit eines diffundierten Wasser-Massenstroms in einem Brennstoffzellenstapel von einer relativen Feuchte an dessen Kathodeneintritt für ein Befeuchtermodell des Abschätzverfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand eines Verfahrens 100 zum Abschätzen (vgl. die 2) eines Alterungszustands eines Feuchteübertragers 36, insbesondere eines Gas-zu-Gas-Befeuchters 36, eines Brennstoffzellenaggregats 1 näher erläutert. Das Brennstoffzellenaggregat 1 ist bevorzugt das eines Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend einen Brennstoffzellenstapel 10, ein Brennstoffzellenaggregat 1 bzw. ein Brennstoffzellensystem.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte (1: Brennstoffzellenaggregat 1) des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondre kann die Erfindung auch auf ein anderes mobiles oder ein stationäres Brennstoffzellenaggregat 1 bzw. Brennstoffzellensystem angewendet sein.
Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10 gebündelten elektrochemischen Einzel-Brennstoffzellen 11 (Einzelzellen 11), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen als Anodenraum 12 ausgebildeten Elektrodenraum 12 und einen als Kathodenraum 13 ausgebildeten Elektrodenraum 13, die von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind.
Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und Kathodenraums 13 ist jeweils eine Bipolarplatte 14 angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert. - Die Kathodenräume 13 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Kathode und die Anodenräume 12 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Anode des Brennstoffzellenstapels 10.
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit seinen eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium, meist Luft) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf. - Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einem Absperr-/Dosierventil 27 und einem Ejektor 24; einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgasmedium 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgasmedium 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2), mit bevorzugt einer Turbine 34, insbesondere für die Fluid-Fördereinrichtung 33; bevorzugt einen Feuchteübertrager 36, insbesondere ein Gas-zu-Gas-Befeuchter 36; ggf. einen kathodenseitigen Stapelbypass 35 (Wastegate 35) zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22, mit einem Bypassventil 135; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
Darüber hinaus kann die Kathodenversorgung 30 (nicht dargestellt): stromaufwärts der Fluid-Fördereinrichtung 33 einen Luftfilter, stromabwärts der Fluid-Fördereinrichtung 33 einen Ladeluftkühler sowie stromabwärts der Kathode im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Druckhalteventil aufweisen. - Der Feuchteübertrager 36 ist zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 32 eingerichtet, wobei der Stapelbypass 35 bezüglich des Kathoden-Versorgungspfads 31 stromaufwärts (1) oder stromabwärts, und bezüglich des Kathoden-Abgaspfads 32 stromabwärts (1) oder stromaufwärts des Feuchteübertragers 36 eingerichtet ist.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40 eines Thermalsystems insbesondere des Brennstoffzellenfahrzeugs, durch welche hindurch der Brennstoffzellenstapel 10 bevorzugt mittels seiner Bipolarplatten 14 (Kühlmediumpfade 43) in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 44. - Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät, welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs selbst sein kann.
Bei dem Feuchteübertrager 36 wird zur Übertragung von Wasser von einer Abgasseite (32, 6) auf eine Betriebsmediumseite (31, 5) eine Befeuchtermembran angewendet, woraus aufgrund eines Partialdruckunterschieds des Wassers auf beiden Seiten ein Stofftransport von der Abgasseite (32, 6) auf die Betriebsmediumseite (31, 5) resultiert. Mit zunehmender Degradation der Befeuchtermembran nimmt eine Leistungsfähigkeit bzw. eine Übertragungsrate des Wassers im Feuchteübertrager 36 ab, wodurch sich eine Wasserübertragungsrate bzw. eine Befeuchtungsleistung des Feuchteübertragers 36 reduziert. Dies hat eine Abnahme einer relativen Feuchte eines Kathoden-Betriebsmediums 5 an einem Kathodeneintritt des Brennstoffzellenstapels 10 zur Folge, wodurch eine Adaption der Betriebsparameter insbesondere in der Kathodenversorgung 30 erforderlich sein kann.
Besonders herausfordernd ist dieser Umstand im Falle eines fehlenden Feuchtesensors vor/an dem Kathodeneintritt. Ein Feststellen eines Alterungszustands des Feuchteübertragers 36 wird dadurch deutlich erschwert. Hierfür kann der Einsatz eines Alterungsmodells für den Feuchteübertragers 36 herangezogen werden. Allerdings muss auch in diesem Fall der Alterungszustand zur Parametrierung des Modells abgeschätzt werden. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Abschätzen des Alterungszustands des Feuchteübertragers 36, ohne dass eine Messung der relativen Feuchte des Kathoden-Betriebsmediums 5 erforderlich ist.
Ein Teil des im Brennstoffzellenstapel 10 produzierten Wassers diffundiert aufgrund eines Konzentrationsunterschieds zwischen Kathode und Anode innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 von der Kathode zur Anode. Ein resultierender Wasser-Massenstrom ist dabei u. a. vom erzeugten elektrischen Strom, der relativen Feuchte am Kathodeneintritt, der Betriebstemperatur (Stöchiometrie, Drücke, Temperaturen etc.), der Umgebungsbedingungen etc. abhängig. Eine Änderung der Befeuchtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 aufgrund einer Alterung der Feuchteübertragers 36 wirkt sich damit auf den diffundierenden Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode aus.
Dieses Wasser sammelt sich mit der Zeit innerhalb der abgeschlossenen Anodenversorgung 20 an, wodurch ein Abscheiden dieses Wassers und ein anschließendes Abführen über ein sogenanntes Drain-Ventil 28 bzw. Wasserablassventil 28 (vgl. 1) vorgenommen werden muss. Eine Ansteuerung des Drain-Ventils 28 kann über ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Intervall erfolgen, welches von einer zusätzlichen Leer- bzw. Vollerkennung eines ggf. lediglich anodenseitigen Wassersammelbehälters 29 (vgl. 1) beeinflusst werden kann. Eine Rückmeldung über einen Füllstand des Wassersammelbehälters 29 in Kombination mit einer Befüll- und Entleerzeit erlaubt Rückschlüsse auf den diffundierenden Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode. - Hierbei kann der Wassersammelbehälter 29 stromaufwärts (Verkürzen von Schließ-/Öffnungsintervallen) des Drain-Ventils 28 (vgl. 1) oder auch stromabwärts des Drain-Ventils 28 eingerichtet sein.
Falls das Brennstoffzellenaggregat 1 keinen Feuchtesensor zwischen einem Feuchteübertrager 36 (frischluftseitig) und Kathodeneintritt besitzt, kann derzeit keine zuverlässige Aussage über einen Alterungszustand des Feuchteübertragers 36 bzw. dessen Befeuchtermembran gemacht werden. Ferner wird eine Adaption von Betriebsparametern des Brennstoffzellenaggregats 1 unter Berücksichtigung einer Alterung des Feuchteübertragers 36 im Stand der Technik nicht umgesetzt.
Gemäß der Erfindung erfolgt ein Abschätzen eines Alterungszustands des Feuchteübertragers 36 indem aus einem Erkennen eines Wasser-Massenstrom (Füllrate, zeitlicher Füllstandsverlauf) des anodenseitigen Wassersammelbehälters 29 der diffundierende Wasser-Massenstrom und daraus die relative Feuchte am Kathodeneintritt bestimmt bzw. ermittelt wird. Hieraus kann der Alterungszustand des Feuchteübertragers 36 abgeschätzt werden und eine Adaption der Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 10 dahingehend erfolgen, dass ein sicherer und effizienter Betrieb des Brennstoffzellenaggregats 1 gewährleistet ist. - Ferner lässt sich dadurch eine Diagnosefunktionen für den Feuchteübertrager 36 realisieren, z. B. um einen Tausch wenigstens einer betreffenden Komponente oder des gesamten Feuchteübertragers 36 bedarfsgerecht realisieren zu können.
Hierbei erfolgt eine feuchtesensorlose Abschätzung des Alterungszustands des Feuchteübertragers 36, wobei ein Wasser-Massenstrom des anodenseitigen Wassersammelbehälters 29 bzw. dessen Füllstand über die Zeit hinweg ermittelt wird. Durch einen Vergleich solch eines messtechnisch ermittelten Wasser-Massenstroms des Füllstands mit einem in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems hinterlegten Modell für den diffundierenden Wasser-Massenstrom (Diffusionsmodell) von der Kathode zur Anode sowie eines Modells für die relative Feuchte am Kathodeneintritt (Befeuchtermodell) ist es möglich, das im Steuergerät hinterlegte Modell zu parametrieren und den Alterungszustand des Feuchteübertragers 36 abzuschätzen.
Ein Vorteil ist, dass kein Feuchtesensor zum Erfassen einer aktuellen Leistungsfähigkeit und damit eines Ermittelns des Alterungszustands des Feuchteübertragers 36 erforderlich ist. Hierdurch ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich einer möglichen Adaption unterschiedlicher Betriebsparameter des Brennstoffzellenaggregats 1, um einer Alterung des Feuchteübertragers 36 entgegenzuwirken. Ferner lassen sich Diagnosefunktionen umsetzen, welche eine Erkennung einer Leistungsfähigkeit einer Befeuchtung benötigen.
In einem ersten Schritt 110 einer Ausführungsform des Abschätzverfahrens 100 - vgl. die 2, 3 (Rechtsachse: Zeit [t], Hochachse: Füllstand Wassersammelbehälter 29 [%]) und 4 (wie 3) - wird ein diffundierender Wasser-Massenstrom im Brennstoffzellenstapel 10 abgeschätzt, um ein hinterlegtes Diffusionsmodell korrekt zu adaptieren. Zur Adaption des Wasser-Massenstroms des Wassersammelbehälters 29 kann ein Vergleich zwischen einer realen (durchgezogene Linie in der 3) und eines diffusionsmodellbasierten (gestrichelte Linie in der 3) Wasser-Massenstroms erfolgen.
Dies ist beispielhaft für den Fall eines zu gering abgeschätzten Wasser-Massenstroms mit einer anschließenden Detektion eines vollen Wassersammelbehälters 29 (100%) in 3 dargestellt (linker Dreiecksverlauf). Aufsteigende (linke) Flanken symbolisieren eine Füllung des Wassersammelbehälters 29, negative (rechte) Flanken eine Entleerung aufgrund eines geöffneten Drain-Ventils 28. Dabei können z. B. die Zustände „voll” (100 %) und „leer” (0 %) vom Brennstoffzellensystem erkannt werden. - Um auf Dauer einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, sollte der maximale Füllstand (horizontal gestrichelte Linie) jedoch einen bestimmten Wert (in diesem Fall 75 %) nicht überschreiten.
Ferner kann natürlich der reale Wasser-Massenstrom (durchgezogene Linie) auch unterhalb des Wasser-Massenstroms des Diffusionsmodells (gestrichelte Linie) liegen, siehe 4. In diesem Fall muss ein Vergleich zwischen der laut Diffusionsmodell erwarteten Zeit für eine Entleerung und der realen Erkennung des Zustands „leer” erfolgen. Aus dem Verhältnis dieser Zeiten, kann der ursprüngliche reale Wasser-Massenstrom abgeschätzt werden. - Eine Wiederholung und Durchführung zahlreicher Vergleiche kann dabei die Genauigkeit der Aussagekraft erhöhen.
Im ersten Schritt 110 des Abschätzverfahrens 100 kann aus einem Vergleich der realen (durchgezogene Linie) und des modellierten Wasser-Massenstroms (gestrichelte Linie) ein Faktor oder eine Funktion auf Basis des Verhältnisses des jeweiligen Füllstands gebildet werden. Dadurch kann nach Schließen des Drain-Ventils 28 der diffundierende Wasser-Massenstrom adaptiert werden, sodass das Diffusionsmodell im Wesentlichen mit einem realen Verhalten des Brennstoffzellenstapels 10 übereinstimmt.
Da der diffundierte Wasser-Massenstrom von der relativen Feuchte am Kathodeneintritt abhängig ist, erlaubt der ermittelte diffundierte Wasser-Massenstrom eine Aussage über eine Leistungsfähigkeit des Feuchteübertragers 36. Dies ist in 5 für einen erzeugten elektrischen Strom des Brennstoffzellenstapels 10 von ca. 300A und eine Betriebstemperatur von ca. 65°C exemplarisch dargestellt. Ein zweiter Schritt 130 der Ausführungsform des Abschätzverfahrens 100 - vgl. die 2 und 5 (Rechtsachse: diffundierender Wasser-Massenstrom [g/s], Hochachse: relative Feuchte an einem Eintritt der Kathode [%]) - berücksichtigt dies entsprechend durch ein Befeuchtermodell.
In einem dritten Schritt 130 der Ausführungsform des Abschätzverfahrens 100 - vgl. die 2 - wird der Alterungszustand des Feuchteübertragers 36 bestimmt. Dies geschieht über einen Vergleich zwischen der erwarteten relativen Feuchte am Kathodeneintritt im Neuzustand und der im letzten Schritt ermittelten relativen Feuchte. Aus dem Verhältnis dieser Größen lässt sich der Alterungszustand bestimmen.
Ein SoH-Wert (State of Health, Allgemeinzustand [%]) des Feuchteübertragers 36 beinhaltet genau genommen nicht nur eine Information darüber, welchen Alterungszustand der Feuchteübertrager 36 hat, sondern schließt ebenfalls neben einer Degradation weitere Einflussgrößen wie Bauteilstreuungen usw. mit ein, die einen Einfluss auf eine Leistungsfähigkeit des Feuchteübertragers 36 haben. Demzufolge handelt es sich genau genommen nicht zwangsläufig um einen Alterungszustand, sondern um einen allgemeinen Zustandswert des Feuchteübertragers 36. Auf eine explizite Unterscheidung ist aus Gründen der Einfachheit jedoch verzichtet.
Auf Basis eines aktuellen Alterungszustands des Feuchteübertragers 36 können interne Modelle des Brennstoffzellensystems adaptiert werden, sodass eine anschließende Adaption einer Betriebsstrategie möglich ist. Ferner kann ein Öffnen und Schließen des Drain-Ventils 28 auf eine verbesserte Weise erfolgen. Des Weiteren kann wenigstens eine Diagnosefunktion auf Basis des aktuellen Alterungszustands des Feuchteübertragers 36 im Brennstoffzellensystem implementiert werden.

Claims

Verfahren (100) zum Abschätzen eines Alterungszustands eines Feuchteübertragers (36), insbesondere eines Gas-zu-Gas-Befeuchters (36), eines Brennstoffzellenaggregats (1) insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschätzen des Alterungszustands des Feuchteübertragers (36) auf Basis eines in einer Anodenversorgung (20) des Brennstoffzellenaggregats (1) anfallenden Wassers erfolgt.
Abschätzverfahren (100) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Abschätzverfahren (100) durch die Zeit (t) hindurch: • ein Wasser-Massenstrom eines Wassersammelbehälters (29) berücksichtigt wird, • ein diffundierender Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode des Brennstoffzellenaggregats (1) berücksichtigt wird, und/oder • eine relative Feuchte an einem Eintritt der Kathode eines Brennstoffzellenstapels (10) berücksichtigt wird, wobei auf dieser Basis das Abschätzen des Alterungszustands des Feuchteübertragers (36) erfolgt.
Abschätzverfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, durch das Abschätzverfahren (100) durch die Zeit (t) hindurch: • aus dem/einem Wasser-Massenstrom des Wassersammelbehälters (29), • aus einem/dem diffundierenden Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode, und/oder • aus einer/der relativen Feuchte eines Kathoden-Betriebsmediums (5) am Eintritt der Kathode der Alterungszustand des Feuchteübertragers ermittelt wird.
Abschätzverfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasser-Massenstrom des Wassersammelbehälters (29) ermittelt wird, anhand welchem der Alterungszustand durch ein Befeuchtermodell des Feuchteübertragers (36) abgeschätzt wird, wobei bevorzugt eine Adaption des Wasser-Massenstroms durch ein Diffusionsmodell für einen diffundierenden Wasser-Massenstrom von der Kathode zur Anode, sowie eine Adaption dieses diffundierenden Wasser-Massenstroms durch das Befeuchtermodell für die relative Feuchte am Eintritt der Kathode ermittelt wird.
Abschätzverfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein/das Befeuchtermodell für die relative Feuchte am Eintritt der Kathode ferner als ein Alterungsmodell für einen Alterungszustand des Feuchteübertragers (36) ausgebildet ist, wobei bevorzugt durch eine Adaption dieser relativen Feuchte am Eintritt der Kathode durch das Alterungsmodell der Alterungszustand des Feuchteübertragers (36) ermittelt wird.
Abschätzverfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt (110) des Abschätzverfahrens (100) durch das Diffusionsmodell: • ein im Brennstoffzellenstapel (10) diffundierender Wasser-Massenstrom aufgrund des Wasser-Massenstroms des Wassersammelbehälters (29) ermittelt wird, • zum Adaptieren des Wasser-Massenstroms des Wassersammelbehälters (29) ein Vergleich zwischen einem realen und einem modellbasierten Wasser-Massenstrom erfolgt, und/oder • ein diffundierter Wasser-Massenstrom einem ermittelten Wasser-Massenstrom des Wassersammelbehälters (29) im Wesentlichen äquivalent ist oder mit diesem korreliert.
Abschätzverfahren (100)) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf den ersten Schritt (110) folgenden zweiten Schritt (120) des Abschätzverfahrens (100) aus dem diffundierten Wasser-Massenstrom im Befeuchtermodell die relative Feuchte am Eintritt der Kathode ermittelt wird, und/oder in einem auf den zweiten Schritt (120) folgenden dritten Schritt (130) des Abschätzverfahrens (100) der Alterungszustand des Feuchteübertragers (36) abgeschätzt wird, wobei ein Vergleich zwischen der relativen Feuchte am Eintritt der Kathode im Neuzustand und der im zweiten Schritt (120) ermittelten relativen Feuchte durchgeführt wird.
Abschätzverfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • das Abschätzverfahren (100) ohne ein Messen einer relativen Feuchte durchgeführt wird, • das Abschätzverfahren (100) ferner als ein Diagnoseverfahren (100) ausgebildet ist, durch welches ein aktueller Alterungszustand des Feuchteübertragers (36) ausgegeben werden kann, • das Abschätzen des Alterungszustands aufgrund eines Allgemeinzustands des Feuchteübertragers (36) im Abschätzverfahren (100) erfolgt, und/oder • das Alterungsmodell durch ein Allgemeinzustandsmodell des Feuchteübertragers (36) im Abschätzverfahren (100) realisiert ist.
Abschätzverfahren (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Abschätzverfahren (100) eine Wasserbilanz des Brennstoffzellenaggregats (1) ausgehend vom Wasserbehälter (29) stromaufwärts über den Brennstoffzellenstapel (10) und weiter stromaufwärts bis hin zur relativen Feuchte am Eintritt der Kathode modelliert wird.
Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellenaggregat (1) insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsverfahren wenigstens zeitweise mit einem Resultat eines Abschätzverfahrens arbeitet (100), welches gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei durch das Betriebsverfahren (100) aufgrund des Resultats des Abschätzverfahrens auf ein Alterungsverhalten des Feuchteübertragers (36) derart Einfluss genommen wird, dass eine Alterung des Feuchteübertragers (36) verlangsamt wird.
Betriebsverfahren gemäß vorhergehendem Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Betriebsverfahren: • wenigstens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenaggregats (1) derart angepasst wird, dass die Alterung des Feuchteübertragers (36) durch einen degradationsarmen Betrieb des Feuchteübertragers (36) verlangsamt wird, • eine Wasseraktivität an einem / am Austritt der Kathode derart beeinflusst wird, dass ein bestimmter Grenzwert nicht oder nicht signifikant unterschritten wird, und/oder • der wenigstens eine Betriebsparameter in einem Betrieb des Brennstoffzellenaggregats (1) eine Stöchiometrie, ein Druck und/oder eine Temperatur insbesondere an/in der Kathode ist.
Brennstoffzellenaggregat (1), Brennstoffzellensystem oder Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Brennstoffzellenaggregat (1), das Brennstoffzellensystem oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein Verfahren (100) zum Abschätzen eines Alterungszustands des Feuchteübertragers (36) und/oder ein Betriebsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen durchführbar ist und/oder durchgeführt wird.