WO2022184417A1 - Diagnose zum feuchtezustand eines pem brennstoffzellen-stacks - Google Patents

Diagnose zum feuchtezustand eines pem brennstoffzellen-stacks Download PDF

Info

Publication number
WO2022184417A1
WO2022184417A1 PCT/EP2022/053681 EP2022053681W WO2022184417A1 WO 2022184417 A1 WO2022184417 A1 WO 2022184417A1 EP 2022053681 W EP2022053681 W EP 2022053681W WO 2022184417 A1 WO2022184417 A1 WO 2022184417A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
pressure
membrane
cell system
inlet
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/053681
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Keller
Johannes Beer
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of WO2022184417A1 publication Critical patent/WO2022184417A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04432—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/0485—Humidity; Water content of the electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a moisture level of a membrane of a fuel cell system.
  • Energy generation systems with no or reduced generation of harmful exhaust gases such as carbon monoxide will play an increasingly important role in the future.
  • One such energy generation system is the fuel cell, which generates energy based on a chemical reaction between hydrogen and atmospheric oxygen and releases water as a product.
  • hydrogen is generally supplied on an anode side, with electrons being released and hydrogen protons diffusing through a corresponding membrane (e.g. a polymer electrolyte membrane) in the direction of a cathode side of a fuel cell system for reaction with oxygen in the air.
  • a corresponding membrane e.g. a polymer electrolyte membrane
  • the hydrogen protons react with the oxygen in the air to form water, which is discharged as a product on the cathode side.
  • the efficiency of a fuel cell system depends in particular on the degree of humidity or the optimal state of humidification of the membrane. If the membrane is too dry, the efficiency decreases due to an increase in the electrical resistance in the membrane. If the membrane is too moist, too much water condenses out. The resulting water droplets flood the channels of a bipolar plate of the fuel cell system on the cathode side. As a result, the transport of substances is impeded and the efficiency in the fuel cell system is reduced by restricting the chemical reaction. Presentation of the invention
  • This object is achieved with a method for determining a moisture state of a membrane of a fuel cell system and with a fuel cell system according to the independent claims.
  • a method for determining a moisture state of a membrane of a fuel cell system is described. According to the method, an optimal pressure drop between an inlet pressure of air at a fluid inlet of the fuel cell system and an outlet pressure at a fluid outlet of the fuel cell system is determined as a function of an inlet volume flow of air at the fluid inlet at an optimum moisture level of the membrane of the fuel cell system.
  • a dry pressure drop between the inlet pressure of air at the fluid inlet and an outlet pressure at the fluid outlet is determined as a function of the inlet volume flow when the membrane of the fuel cell system has dried out.
  • An (actual) pressure drop between the inlet pressure of air at the fluid inlet and the outlet pressure at the fluid outlet is measured as a function of the inlet volume flow of air at the fluid inlet.
  • a first reference value R1 consisting of a difference between the measured pressure drop and the dry pressure drop
  • a second reference value R2 consisting of a Difference formed between the optimal pressure drop and the dry pressure drop.
  • a quotient R1/R2 is formed from the first reference value R1 and the second reference value R2, the quotient being indicative of a moisture state of the membrane.
  • a fuel cell system which has a membrane which separates a cathode side and an anode side. Furthermore, the fuel cell system has a fluid inlet, through which air can be supplied at an inlet pressure to the cathode side, and a fluid outlet, through which a fluid as a product with an outlet pressure can be discharged from the cathode side.
  • the fuel cell system also has a control unit that is configured to carry out the method according to the invention described above.
  • the fuel cell system initially has an anode side and a cathode side, between which an electrical load or consumer is coupled and an electric circuit is formed.
  • a hydrogen supply for example a hydrogen tank, is coupled to the anode side.
  • the membrane through which hydrogen ions can diffuse in the direction of the cathode side, is coupled between the anode side and the cathode side.
  • the emitted electrons are conducted to the cathode side via the circuit.
  • On the cathode side is the fluid inlet, through which air usually flows. The oxygen in the air is ionized at the cathode and forms water with the hydrogen protons.
  • the water produced is discharged via the fluid outlet on the cathode side.
  • the air that flows in can be controlled, for example, via an air compressor at the fluid inlet.
  • the output pressure for example be controlled via a controlled exhaust back pressure throttle valve.
  • the fuel cell system is cooled.
  • coolant channels are formed, through which a coolant flows.
  • the membrane is in particular a proton exchange membrane (PEMFC) and serves as an ion exchange membrane.
  • the membrane can be coated on both sides with a catalytically active electrode, e.g. with a mixture of carbon (soot) and a catalyst, often platinum or a mixture of platinum and ruthenium (PtRu electrodes), platinum and nickel (PtNi electrodes), or platinum and cobalt (PtCo electrodes).
  • PtRu electrodes platinum or a mixture of platinum and ruthenium
  • PtNi electrodes platinum and nickel
  • PtCo electrodes platinum and cobalt
  • Hydrogen molecules dissociate on the anode side and are oxidized to two protons each, giving off two electrons. These protons diffuse through the membrane.
  • oxygen is reduced by the electrons that were previously able to do electrical work in an external circuit. Water is formed together with the protons transported through the membrane.
  • the anode and cathode are connected to the electrical consumer.
  • a humidity state of the membrane is determined accordingly in order to be able to carry out a diagnosis of the state of the fuel cell system.
  • an optimal moisture content of the membrane is indicative of the maximum performance of the fuel cell. Furthermore, it has been found that a pressure difference between the inlet pressure of air at a fluid inlet and the outlet pressure of a product of the fuel cell (e.g. moist air or water) is indicative of the performance of the fuel cell, so that for this reason, in turn, conclusions can be drawn about the moisture level of the membrane of the fuel cell.
  • a product of the fuel cell e.g. moist air or water
  • a so-called optimum pressure loss between an inlet pressure of air and an outlet pressure at a fluid outlet on the cathode side is first determined.
  • the optimal pressure drop is that pressure drop between the inlet pressure and the outlet pressure on the cathode side at which the maximum power of the fuel cell is achieved with a specific inlet volume flow of air.
  • the determination of the maximum power of the fuel cell as a function of a specific input volume flow of air can be determined, for example, offline on a test bench and saved in tabular form or a corresponding reference value file. Alternatively, as described in detail below, online, i. H. the optimal pressure loss can be measured during the operation of a fuel cell.
  • a dry pressure drop between the inlet pressure and the outlet pressure on the cathode side is determined when the membrane is completely dried out.
  • the dry pressure loss is determined by completely drying out the flow channels and the membrane of the fuel cell, for example by increasing the temperature of the fuel cell until the state of the membrane can be inferred to be completely dried out.
  • a reference pressure loss characteristic i. H. a dry pressure drop is determined as a function of the input volume flow.
  • the dry pressure loss can be determined, for example, on a test bench and saved in tabular form or in a corresponding setpoint file. Alternatively, as described in detail below, online, i. H. the dry pressure loss can be measured during operation of a fuel cell.
  • a pressure loss between the inlet pressure of air and the outlet pressure at the fluid outlet is also at a certain measured input volume flow measured.
  • This specific actual pressure loss is now used to form the first reference value R1, which maps the difference between the measured pressure loss and the dry pressure loss at a specific input volume flow.
  • the second reference value R2 is formed by forming the difference between the optimal pressure drop and the dry pressure drop at the determined input volume flow.
  • the quotient can also be quantified as a percentage in the form of a fictitious relative humidity of the membrane as a percentage of humidity.
  • an upper threshold value and a lower threshold value are determined for the quotient.
  • Flooding of the membrane is defined when the upper threshold value is exceeded and if the value falls below the lower threshold value, it defines drying out of the membrane.
  • a percentage range of the quotient can be determined in which there is an optimal or a permissible operating state depending on the membrane moisture.
  • the upper threshold can be set at 110% and the lower threshold at 70%. If the quotient exceeds the value 1.1 or 110%, for example, flooding of the fuel cell is defined so that drying processes are initiated. If the quotient falls below the value of 0.7 or 70%, for example, the fuel cell is defined as drying out, so that the fuel cell is flooded or moistened accordingly.
  • the humidity state of the membrane can be implemented based on the quotient formed.
  • the humidity level of the membrane is adjusted by adjusting the inlet pressure at the fluid inlet.
  • a compressor can be arranged at the fluid inlet of the fuel cell, which can be controlled in particular by the control unit. If the inlet pressure increases, the measured pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet point also increases. This in turn leads to an approach to the optimal pressure loss or the optimal humidity state of the membrane, starting from a too dry state of the membrane. This can be justified, for example, by the fact that less moisture is transported away with a higher pressure loss.
  • the humidity level of the membrane is implemented by adjusting the volume flow. For example, with an increased volume flow, more water can be absorbed in the air and correspondingly better removed. This causes the membrane to dry out.
  • the air lambda value increased on the cathode side, since more air or more atmospheric oxygen is supplied than is required for the reaction with the hydrogen protons.
  • the humidity level of the membrane is adjusted by adjusting the temperature of the fuel cell system. If the fuel cell is operated at a higher temperature, the membrane and, accordingly, the fuel cell system continue to dry out. If the fuel cell is operated at a cooler temperature, the membrane and, accordingly, the fuel cell system are moistened or operated at a higher temperature. Accordingly, the humidity of the membrane can be adjusted accordingly by regulating the cooling fluid.
  • the setting of the temperature of the fuel cell system is implemented by means of a temperature setting of a cooling medium and/or a control of a coolant supply of the cooling medium which cools the fuel cell system.
  • the fuel cell system can have an integrated cooling system, for example, with a cooling fluid, for example a cooling gas or a cooling liquid, being guided through the fuel cell system through corresponding cooling channels.
  • the temperature of the fuel cell system can be controlled, for example, by the volume flow of the cooling fluid through the fuel cell, in order to regulate the heat transport.
  • the temperature of the cooling fluid itself can be adjusted to regulate the heat transport accordingly.
  • a correspondingly warmer cooling fluid cools down the fuel cell less, so that it is operated at a higher temperature. Accordingly, a reduced volume flow of the cooling fluid contributes to hotter operation of the fuel cell.
  • the determination of an optimal pressure drop is determined by first operating the fuel cell system from a minimum to a maximum current intensity and measuring the resulting cell voltage of the fuel cell system.
  • the control parameters of the fuel cell system are set or controlled in such a way that a constant cell voltage is established.
  • a fuel cell performance is determined, with the achievement of a maximum fuel cell performance being indicative of the optimum humidity condition of the membrane.
  • the optimum or maximum fuel cell performance can be achieved when the membrane is in an optimum humidity state.
  • the optimal moisture content of the membrane is in turn dependent on the control parameters of the fuel cell. For example, a certain temperature of the fuel cell system leads to a certain degree of moisture in the membrane. If the membrane has a maximum output at this specific humidity level, then this is the optimum humidity state of the membrane and can be recorded or stored for further determination depending on the set volume flow of the air at the fluid inlet on the cathode side.
  • the determination of the optimal humidity state of the membrane can be carried out, for example, offline on a test stand or online during the operation of a fuel cell.
  • the at least one control parameter is selected from the group consisting of the inlet pressure, the outlet pressure, an air lambda on the cathode side and the temperature of the fuel cell system.
  • the method described for determining a moisture state of a membrane of a fuel cell system and the fuel cell system itself can be used, for example, for stationary power generation.
  • the method and the fuel cell system can be used in mobile systems, such as in a hydrogen-powered automobile, watercraft or aircraft
  • a small number of common sensors (eg in an automobile) in the cathode circuit of the fuel cell system is sufficient for diagnosing the moisture state of the membrane or the fuel cell system.
  • the diagnosis result cannot be falsified by dynamic load changes of the fuel cell.
  • additional cell voltage monitoring in the subsequent fuel cell system during operation can be dispensed with.
  • the diagnostic function can be individually applied to a large number of different fuel cell systems, for example in the automotive sector, through simple calibration.
  • the diagnostic function does not lead to an incorrect diagnosis in the case of non-humidity-related causes of a drop in fuel cell efficiency, such as too little hydrogen on the anode side or highly dynamic load changes.
  • This precise case distinction is important to diagnose because, for example, drying out and flooding of the membrane should be treated by opposing measures in the fuel cell system control in order to avoid permanent damage in the fuel cell.
  • the drying out and flooding of the membrane are completely reversible in addition to the fuel cell efficiency in a high time range of several seconds. This applies when the moisture level is controlled back towards an optimal value. If this does not happen, degradation of the fuel cell system, i.e. permanent damage to the membrane and thus reduced fuel cell efficiency, can be expected. This is prevented with the system according to the invention and the method according to the invention in that the moisture content of the membrane can be actively monitored and controlled during operation of the fuel cell system.
  • the diagnostic function according to the invention is characterized by simple calibration, which means that it can be used in a large number of different fuel cell systems for mobile and stationary applications.
  • the method can in particular represent a computer-implemented control method which contains instructions for controlling a computer system, in particular the control unit, in order to suitably coordinate the operation of the fuel cell system or the method in order to achieve the effects associated with the method according to the invention.
  • the control unit has, in particular, a processor and is coupled to the relevant pressure sensors, in particular at the fluid inlet and at the fluid outlet, and to the temperature sensors, in particular at the fluid outlet. Furthermore, the control unit is coupled to the cooling system and its volume flow sensor and temperature sensor of the cooling fluid. Furthermore, the control unit is coupled to the control systems of the fuel cell system in order to set the control parameters. Correspondingly, the control unit can be coupled to a compressor of the intake air at the fluid inlet and to a controllable exhaust back pressure throttle valve at the fluid outlet. Furthermore, the control unit can be coupled to a control valve and to a heating unit for the cooling fluid.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the pressure loss between the fluid inlet and the fluid outlet is shown for a specific air volume flow, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a diagram of the air mass flow MAF over time t.
  • FIG. 5 shows a diagram of the inlet pressure P1 over time t.
  • FIG. 6 shows a diagram of the outlet pressure P2 over time t.
  • FIG. 8 shows a diagram of the voltage profile of the average cell voltage over time t.
  • FIG. 9 shows a diagram of the course of the air volume flow over time t.
  • FIG. 11 shows a diagram of the course of a specific dry pressure difference over time t.
  • FIG. 12 shows a diagram of the profile of the first reference value R1 over time t.
  • FIG. 13 shows a diagram of the course of the second reference value R2 over time t.
  • FIG. 15 shows a diagram of the progression of a percentage moisture level over time t.
  • FIG. 16 shows a diagram of the course of a binary diagnostic function in the event of drying out over time t.
  • FIG. 17 shows a diagram of the course of a binary diagnostic function during flooding over time t.
  • the fuel cell system 100 has at least one fuel cell 111 with an anode side and a cathode side, between which an electrical load or consumer 104 is coupled and a circuit I, U is formed.
  • a hydrogen supply for example a hydrogen tank 115, is coupled to the anode side.
  • a membrane 103 through which hydrogen ions can diffuse in the direction of the cathode side, is coupled between the anode side and the cathode side.
  • the emitted electrons are conducted to the cathode side via the circuit.
  • On the cathode side is first a fluid inlet 101, through which air usually flows.
  • the oxygen in the air is ionized at the cathode and forms water with the hydrogen protons.
  • the water produced is discharged via the fluid outlet 102 on the cathode side.
  • a larger amount of air flows in than atmospheric oxygen is required for the reaction with hydrogen.
  • the lambda value is therefore greater than 1.
  • air is also discharged in the fluid outlet. The generated water is absorbed by the air and flows out through the flood outlet.
  • the air that flows in can be controlled, for example, via an air compressor 112 at the fluid inlet 101 . Accordingly, for example, an air mass flow MAF and an air volume flow VL at the fluid inlet 101 can be adjusted. Furthermore, the outlet pressure P2 can be controlled, for example, via a controlled exhaust back pressure throttle valve 113 . Correspondingly, however, the air mass flow MAF and/or the air volume flow VL can also be used. Furthermore, the fuel cell system is cooled. For this purpose, in particular, coolant channels are formed, through which a coolant flows. The coolant has the temperature Tk, for example, and is controlled by the coolant circuit 114 .
  • the fuel cell system 100 has a control unit 110 .
  • the control unit 110 is coupled to the relevant pressure sensors, in particular at the fluid inlet 101 and at the fluid outlet 102, and to the temperature sensors, in particular at the fluid outlet 102.
  • the control unit 110 is coupled to the cooling system 114 and its volume flow sensor and temperature sensor of the cooling fluid.
  • the control unit 110 is coupled to the control systems of the fuel cell system 100 in order to set the control parameters.
  • the control unit 110 can be coupled to the compressor 112 of the intake air at the fluid inlet 101 and to the controllable exhaust back pressure throttle valve 113 at the fluid outlet 102 .
  • the control unit 110 can be coupled to a control valve and to a heating unit of the cooling system 114 .
  • a sensor is provided to the air mass flow MAF, the pressure P1 to be determined at the fluid inlet 101 and the pressure P2 at the fluid outlet 102 and the exhaust gas temperature T2.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the pressure loss P1-P2 between fluid inlet 101 and fluid outlet 102 is shown for a specific air volume flow VL, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the method according to the invention can be explained on the basis of the diagram shown.
  • an optimal pressure loss or a pressure difference 201 between an inlet pressure P1 of air at a fluid inlet 101 of the fuel cell system 100 and an outlet pressure P2 at a fluid outlet 102 of the fuel cell system 100 as a function of an inlet volume flow VL of air at the fluid inlet 101 at an optimal humidity level of the membrane 103 of the fuel cell system 100 is determined.
  • a dry pressure loss or the pressure difference 202 with a dry membrane 103 between the inlet pressure P1 of air at the fluid inlet 101 and an outlet pressure P2 at the fluid outlet 102 as a function of the inlet volume flow VL with a dried out membrane 103 of the fuel cell system 100 is determined.
  • An (actual) pressure loss 203 between the inlet pressure P1 of air at the fluid inlet 101 and the outlet pressure P2 at the fluid outlet 102 is measured as a function of the inlet volume flow VL of air at the fluid inlet 101 .
  • a first reference value R1 consisting of a difference between the measured pressure drop 203 and the dry pressure drop 202
  • a second reference value R2 consisting of a difference between the optimal pressure drop 201 and the dry pressure drop 202 are then formed.
  • a quotient R1/R2 is formed from the first reference value R1 and the second reference value R2, the quotient being indicative of a moisture state of the membrane 103.
  • a dry pressure loss 202 is determined between the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 on the cathode side when the membrane 103 is completely dried out.
  • the dry pressure drop 202 is determined by completely drying out the flow channels and the membrane of the fuel cell 100, for example by increasing the temperature of the fuel cell 100 until the state of the membrane 103 can be concluded to be completely dried out. In this state, a reference pressure loss characteristic curve, ie a dry pressure loss 202 as a function of the input volume flow VL, is determined.
  • the dry pressure loss 202 can be determined, for example, on a test bench and stored in tabular form or in a corresponding setpoint file. Alternatively, the dry pressure loss 202 can be measured during the operation of a fuel cell 100 .
  • the pressure loss characteristic of the dry cathode path with a dried out membrane 103 is recorded by a direct offline reference measurement (i.e. beforehand) of the pressure loss 202 across the fuel cell system 100 in the dry state. It describes the pressure drop 202 across the fuel cell system when the flow channels are completely dry and the membrane 103 is therefore dried out.
  • the pressure drop P1-P2 depends, for example, on water droplets from condensation in the flow path, in particular a bipolar plate of the fuel cell system 100. If there are no water droplets, then the pressure drop is, for example minimal. In this case it can be concluded that the membrane 103 is also dry.
  • the pressure loss characteristic curve 201 is recorded by reference measurements with different electrical load variations of the current intensity I of the fuel cell system 100 .
  • the reference pressure loss characteristic curve 201 measured offline is stored in the control unit 110, for example. Reference pressure loss characteristics can further depend on an air lambda and pressure in the cathode circuit and Fuel cell system temperature for each stack of the fuel cell system 100 and for each current I are determined.
  • the “offline” preliminary reference measurement takes place, for example, on a fuel cell test bench with a fuel cell system 100 with cell voltage measurement that is representative for the application.
  • the pressure loss 202 across the fuel cell system 100 is measured when the fuel cell is not electrically active or when the current intensity I is low and constant.
  • a fuel cell current intensity variation from the minimum to the maximum current intensity I is carried out.
  • the boundary conditions of the fuel cell system 100 air lambda, cathode pressure, temperature of the fuel cell system/stack 100
  • This operating state represents the optimal humidification state of the fuel cell 100 or its membrane 103 and allows the measurement of the corresponding pressure loss characteristic 201 for the optimally humidified membrane 103.
  • the pressure losses can be carried out during ongoing fuel cell operation (online) if cell voltage measurements are available in the fuel cell system.
  • the pressure loss characteristic curve 202 for the case of dry flow channels is measured during operation of the fuel cell system 100, in a state when no consumer is connected and accordingly with an electrically deactivated fuel cell or at a lower level constant current intensity via the air compressor 112 of the fuel cell system 100, a variation of the air volume flow VL is carried out from a minimum to a maximum value.
  • the value pairs of air volume flow VL and measured differential pressure 202 are stored in a table. For example, this measurement can be performed at a deceleration phase of an electric vehicle in which the fuel cell system 100 is installed. The deceleration phase is characterized in that the fuel cell system 100 provides little or no electrical energy.
  • the pressure loss characteristic curve 201 for the optimally humidified membrane 103 can be carried out online during the operation of the fuel cell system 100 .
  • optimal humidification can take place via evaluation of the individual cell voltage measurements over a time interval. Meet the rating of
  • the pair of measured values for air volume flow VL and measured differential pressure 201 is determined and saved for the fuel cell output.
  • the measurement under the conditions mentioned is repeated until the complete pressure loss characteristic curve for the case of an optimally moistened membrane 103 has been generated.
  • the reference measurement can be carried out once per driving cycle of a vehicle.
  • a pressure loss 203 between the inlet pressure P1 of air and the outlet pressure P2 at the fluid outlet 102 is measured at a specific measured inlet volume flow VL.
  • This specific actual pressure loss 203 is now used to form the first reference value R1, which maps the difference between the measured pressure loss 203 and the dry pressure loss 202 at a specific input volume flow VL.
  • the second reference value R2 is formed by the difference between the optimal pressure loss 201 and the Dry pressure loss 202 is formed at the specific input volume flow VL.
  • 3 to 8 describe recordings of measurement signals over time t (in seconds) during operation of fuel cell system 100 at constant current intensity I and air mass flow MAF.
  • the temperature of the coolant that cools the fuel cell system 100 increases.
  • the temperature of the coolant is increased from an initially flooded and wet state of the membrane 103 at a low temperature of the fuel cell system 100 and correspondingly at a low temperature of the cooling fluid to an ultimately dried out state of the membrane 103 at a high fuel cell temperature and correspondingly high temperature of the cooling fluid get.
  • the diagnostic function is to be presented as an example based on the measurement shown on the fuel cell system 100 .
  • the known sensors or parameters from FIGS. 1 and 2 are shown over time in FIGS. 3 to 8 .
  • the measured current intensity I and the average cell voltage U of the fuel cell system 100 can be found in FIGS. 7 and 8.
  • the fuel cell temperature was gradually increased via the cooling circuit.
  • the increase in the fuel cell coolant temperature leads to an increase in the exhaust gas temperature T2 at the outlet 102.
  • the increase in the fuel cell coolant temperature and the gas temperature leads to a reduction in the relative humidity within the cathode and the membrane 103 of the Fuel cell system 100.
  • the cell voltages and thus the efficiency of the fuel cell system 100 decrease as a result of the moisture reduction.
  • FIG. 3 shows a diagram of the air mass flow MAF over time t, a constant air mass flow MAF being specified at approximately 6 g/s (grams per second) in the example shown.
  • the outlet temperature T2 is measured, for example, at the fluid outlet 102 on the cathode side.
  • the starting temperature T2 is adjusted, for example, by heating the cooling fluid of the fuel cell system 100 over the time t or by reducing the volume flow of the cooling fluid.
  • the inlet pressure P1 is kept constant at just over 1000 mbar by means of the air compressor 112 for a period of up to 1500 seconds.
  • the inlet pressure P1 is increased to approximately 1600 mbar from 1500 seconds, as described further below.
  • the outlet pressure P2 is kept constant at 1000 mbar by means of the air compressor 112 for a period of up to 1500 seconds.
  • the outlet pressure P2 is increased to approximately 1500 mbar from 1500 seconds, as described further below. This can be done, for example, by means of the exhaust gas back pressure throttle valve 113 .
  • FIG. 7 shows a diagram of the course of the current intensity I over time t.
  • the current intensity I is kept constant at about 100 A.
  • FIG. 8 shows a diagram of the voltage profile over time t.
  • the voltage is measured along time t.
  • the voltage shows a maximum at approx. 750 seconds.
  • a generally higher voltage U sets in.
  • FIG. 9 shows a diagram of the course of the air volume flow VL over time t.
  • the volume flow VL increases constantly starting from approx. 350 l/min up to the regulation of the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 from 1500 seconds.
  • the volume flow then drops to approx. 200 l/min due to the increase in pressure at a constant mass flow.
  • the measured pressure difference P1-P2 drops slightly from approx. 145 mbar to approx. 130 mbar until the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 are regulated from 1500 seconds. This drop can be due, for example, to the membrane 103 drying out due to the increase in the temperature T2 of the fuel cell system 100 .
  • the measured pressure difference P1-P2 then falls to approx. 80 mbar due to the drop in air volume flow and then rises slightly.
  • FIG. 11 shows a diagram of the course of a specific dry pressure difference P1 -P2 (202) over time t.
  • the determined pressure difference P1 -P2 increases slightly, among other things due to the increasing volume flow VL from 100 mbar to approx. 110 mbar up to the regulation of the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 from 1500 seconds. After that, the determined pressure difference P1-P2 (202) drops to about 60 mbar.
  • the values for the determined dry pressure difference P1-P2 (202) for a dried out membrane 103 over time t and in relation to the volume flow VL can be retrieved from a database, for example.
  • FIG. 12 shows a diagram of the profile of the first reference value R1 over time t.
  • the reference value R1 reflects the pressure difference between the measured pressure loss 203 (see FIG. 10 ) and the dry pressure loss 202 (see FIG. 11 ). Until the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 are regulated after 1500 seconds, the reference value R1 drops from approx. 30 mbar to approx. 15 mbar.
  • FIG. 13 shows a diagram of the course of the second reference value R2 over time t.
  • the second reference value R2 consisting of a difference between the optimal pressure loss 201 and the dry pressure loss 202. Until the regulation of the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 from 1500 seconds, the reference value R2 hardly decreases and remains constant at approx. 24 mbar.
  • the quotient R1/R2 is formed from the first reference value R1 and the second reference value R2, the quotient being indicative of a moisture state of the membrane.
  • the quotient R1/R2 decreases from a value above 1 to a value of 0.6 at about 1500 seconds, at which point the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 are regulated. After the inlet pressure P1 and the outlet pressure P2 have been regulated, the quotient continues to drop slightly due to the inertia of the system or the time-delayed rewetting of the membrane 103 before leveling off at an ideal value of 1 at around 1750 seconds.
  • FIG. 15 shows a diagram of the progression of a percentage moisture level over time t.
  • the method according to the invention uses the parameters air mass flow MAF, inlet pressure P1, outlet pressure P2, outlet temperature T2 to calculate the humidification state of membrane 103, which is identified as the cause of the low cell voltages.
  • the required volume flow VL is measured from a mass flow signal of the MAF sensor (see FIGS. 3 and 9). This can be estimated, for example, using the ideal gas equation using the inlet pressure P1 and the temperature T2 at the fluid outlet 102 as a mean value.
  • the measured pressure loss P1 - P2 (Fig. 10) across the cathode path of the fuel cell system 100 is determined as the currently measured value (Fig. 10)
  • the previously calibrated reference dry pressure drop profile P1 - P2 (fully dried out, see FIG. 11 ) of the forced dried out fuel cell system 100 is known in advance from the e.g. offline preliminary investigation for each calculated volume flow VL.
  • the difference R1 is now calculated as the pressure loss between the currently measured pressure loss and the pressure loss when the membrane has dried out (see Fig. 12).
  • the difference R2 in the pressure loss profile between a dried-out and optimally humidified membrane or fuel cell system is determined from the previously calibrated data (see, for example, FIG. 2).
  • the offline method in advance or the online method, as described above can be used.
  • the advantage of the offline method is that cell voltage measurement is no longer necessary for diagnosis in fuel cell operation.
  • the quotient can also be quantified as a percentage in the form of a "fictitious relative humidity" of the membrane as a degree of humidity in % (see FIG. 15).
  • the following applies: a.) R1/R2 1 the membrane has an optimal humidity of 100%.
  • R1/R2 > 1 indicates a humidity level of > 100% and thus flooding of the membrane, and
  • R1/R2 0 for 0% humidity and for a completely dried out membrane or fuel cell.
  • FIG. 16 shows a diagram of the profile of a binary diagnostic function when drying out over time t
  • FIG. 17 shows a diagram of the profile of a binary diagnostic function when flooded over time t.
  • an upper threshold value and a lower threshold value are determined for the quotient R1/R2.
  • Flooding of the membrane 103 is defined when the upper threshold value is exceeded, and drying out of the membrane 103 is defined when the value falls below the lower threshold value.
  • a percentage range of the quotient can be determined in which there is an optimal or a permissible operating state depending on the membrane moisture.
  • a drying out of the fuel cell is defined (see FIGS. 15 and 16), so that the fuel cell should be flooded or moistened accordingly.
  • the "drying out" condition is detected from about 1100 seconds.
  • the humidity level continues to drop briefly after 1500 seconds (see Fig. 15), but the humidity level then continues to rise. From about 1800 seconds, the lower threshold value of the moisture level is exceeded, so that drying out is no longer detected (see Fig. 15 and Fig. 17).
  • the moisture level ideally levels off at a quotient of 1 or 100%.
  • a dependency on the operating point of the fuel cell system 100 can also be assigned in the upper and lower threshold values.
  • the example shown applies, for example, to a current of 100 A for the fuel cell system 100.
  • this information can be given to a downstream humidity regulator or the control unit 110.
  • this controller can, for example, reduce the temperature or, via the exhaust gas back pressure, the pressure in the cathode circuit or the air lambda increase or decrease.
  • the exhaust gas back pressure was increased by continuously closing the back pressure throttle flap 113, which can be seen at the end of FIG. 6 by an increase in P2.
  • the moisture management can be brought back into the optimal range, as shown in FIGS. 15 to 17 in a time range between 600 and 1100 seconds or from about 1800 seconds in the calculated degree of moisture at the end. This stabilizes the cell voltage again (Fig. 8).

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustands einer Membran (103) eines Brennstoffzellensystems (100) beschrieben. Ein optimaler Druckverlust zwischen einem Eingangsdruck (P1) von Luft und ein Ausgangsdruck (P2) in Abhängigkeit von einem Eingangsvolumenstrom (VL) bei einem optimalen Feuchtezustand der Membran (103) des Brennstoffzellensystems (100) und bei einer ausgetrockneten Membran (103) des Brennstoffzellensystems (100) werden bestimmt. Ferner wird ein Druckverlust zwischen dem Eingangsdruck dem Ausgangsdruck (P2) in Abhängigkeit von dem Eingangsvolumenstrom (VL) von Luft an dem Fluideingang (101) gemessen. Ein erster Referenzwert (R1) bestehend aus einer Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlust und dem Trocken-Druckverlust (202) und ein zweiter Referenzwerts (R2) bestehend aus einer Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust (201) und dem Trocken-Druckverlust (202) wird gebildet. Ferner wird ein Quotient aus dem ersten Referenzwert (R1) und dem zweiten Referenzwert (R2) gebildet, wobei der Quotient indikativ für einen Feuchtezustand der Membran (103) ist.

Description

Beschreibung
Diagnose zum Feuchtezustand eines PEM Brennstoffzellen-Stacks
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustands einer Membran eines Brennstoffzellensystems.
Hintergrund der Erfindung
Energieerzeugungssysteme ohne oder mit reduzierter Erzeugung von schädlichen Abgasen wie Kohlenmonoxid spielen in Zukunft eine immer größere Rolle. Ein solches Energieerzeugungssystem ist die Brennstoffzelle, welche basierend auf chemischer Reaktion zwischen Wasserstoff und Luftsauerstoff Energie erzeugt und Wasser als Produkt freigibt. Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel an einer Anodenseite Wasserstoff zugeführt, wobei Elektronen abgegeben werden und Wasserstoffprotonen zur Reaktion mit Luftsauerstoff in Richtung einer Kathodenseite eines Brennstoffzellensystems durch eine entsprechende Membran (z.B. eine Polymer Elektrolyt Membran) diffundieren. An der Kathodenseite reagieren die Wasserstoffprotonen mit dem Luftsauerstoff zu Wasser, welches als Produkt auf der Kathodenseite abgeführt wird.
Dabei hängt die Effizienz eines Brennstoffzellensystems insbesondere von dem Feuchtegrad bzw. dem optimalen Befeuchtungszustand der Membran ab. Ist die Membran zu trocken verringert sich die Effizienz durch eine Zunahme des elektrischen Widerstandes in der Membran. Ist die Membran zu feucht kondensiert zu viel Wasser aus. Die dabei entstehenden Wassertropfen fluten die Kanäle einer Bipolarplatte des Brennstoffzellensystems auf der Kathodenseite. Dadurch wird der Stofftransport behindert und über eine Einschränkung der chemischen Reaktion die Effizienz in dem Brennstoffzellensystem verringert. Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistung eines Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von einem Feuchtezustand einer Membran des Brennstoffzellensystems zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustands einer Membran eines Brennstoffzellensystems sowie mit einem Brennstoffzellensystems gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustands einer Membran eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Gemäß dem Verfahren wird ein optimaler Druckverlust zwischen einem Eingangsdruck von Luft an einem Fluideingang des Brennstoffzellensystems und einem Ausgangsdruck an einem Fluidausgang des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von einem Eingangsvolumenstrom von Luft an dem Fluideingang bei einem optimalen Feuchtezustand der Membran des Brennstoffzellensystems bestimmt.
Ferner wird ein Trocken-Druckverlust zwischen dem Eingangsdruck von Luft an dem Fluideingang und einem Ausgangsdruck an dem Fluidausgang in Abhängigkeit des Eingangsvolumenstroms bei einer ausgetrockneten Membran des Brennstoffzellensystems bestimmt.
Ein (Ist-)Druckverlust zwischen dem Eingangsdruck von Luft am Fluideingang und dem Ausgangsdruck an dem Fluidausgang wird in Abhängigkeit von dem Eingangsvolumenstrom von Luft an dem Fluideingang gemessen.
Gemäß dem Verfahren wird anschließend ein erster Referenzwerts R1 bestehend aus einer Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlust und dem Trocken-Druckverlust, und ein zweiter Referenzwerts R2 bestehend aus einer Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust und dem Trocken-Druckverlust gebildet. Aus dem ersten Referenzwert R1 und dem zweiten Referenzwert R2 wird ein Quotient R1/R2 gebildet, wobei der Quotient indikativ für einen Feuchtezustand der Membran ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, welches eine Membran aufweist, die eine Kathodenseite und eine Anodenseite trennt. Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen Fluideingang, durch welchen Luft mit einem Eingangsdruck der Kathodenseite zuführbar ist, und einen Fluidausgang, durch welchen ein Fluid als Produkt mit einem Ausgangsdruck von der Kathodenseite abführbar ist, auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Steuereinheit auf, die konfiguriert ist, dass oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Das Brennstoffzellensystem weist zunächst eine Anodenseite und eine Kathodenseite auf, zwischen welchen eine elektrische Last bzw. ein Verbraucher gekoppelt ist und ein Stromkreis gebildet wird. An die Anodenseite ist eine Wasserstoffzufuhr gekoppelt, beispielsweise ein Wasserstofftank. Zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite ist die Membran gekoppelt, durch welche Wasserstoffionen in Richtung Kathodenseite diffundieren können. Die abgegebenen Elektronen werden über den Stromkreis an die Kathodenseite geleitet. Auf der Kathodenseite befindet sich zunächst der Fluideingang, durch welchen in der Regel Luft eingeströmt wird. Der Luftsauerstoff in der Luft wird an der Katode ionisiert und bildet mit den Wasserstoffprotonen Wasser. Das erzeugte Wasser wird über den Fluidausgang an der Kathodenseite abgeführt. Typischerweise wird eine größere Luftmenge eingeströmt als Luftsauerstoff für die Reaktion mit Wasserstoff benötigt wird. Der Lambda Wert somit größer als 1 . Entsprechend wird in dem Fluidausgang zudem Luft ausgeströmt. Das erzeugte Wasser wird durch die Luft aufgenommen und durch den Flutausgang ausgeströmt.
Die zugeströmte Luft kann beispielsweise über einen Luftkompressor am Fluideingang gesteuert werden. Ferner kann der Ausgangsdruck beispielsweise über eine gesteuerte Abgasgegendruck- Drosselklappe gesteuert werden. Ferner wird das Brennstoffzellensystem gekühlt. Hierfür werden insbesondere Kühlmittelkanäle ausgebildet, durch welche ein Kühlmittel strömt.
Die Membran ist insbesondere eine Protonenaustauschmembran (PEMFC) und dient als lonenaustauschermembran. Die Membran kann beispielsweise beidseitig mit einer katalytisch aktiven Elektrode beschichtet werden, z.B. mit einer Mischung aus Kohlenstoff (Ruß) und einem Katalysator, häufig Platin oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium (PtRu-Elektroden), Platin und Nickel (PtNi-Elektroden), oder Platin und Cobalt (PtCo-Elektroden). Wasserstoffmoleküle dissoziieren auf der Anodenseite und werden unter Abgabe von zwei Elektronen zu je zwei Protonen oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch die Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen, die zuvor in einem äußeren Stromkreis elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert. Zusammen mit den durch die Membran transportierten Protonen entsteht Wasser. Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode und Kathode an den elektrischen Verbraucher angeschaltet.
Ferner hat sich herausgestellt, dass der Transport der Protonen durch die Membran sowie der ohmsche Widerstand stark mit dem Feuchtezustand der Membran zusammenhängt. Bei einer ausgetrockneten Membran wird der Protonenfluss reduziert und der ohmsche Widerstand erhöht. Bei einem zu hohen Feuchtezustand bzw. bei einer Flutung der Membran wird ebenfalls der Protonenfluss gestört und der ohmsche Widerstand erhöht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird entsprechend ein Feuchtezustand der Membran bestimmt, um entsprechend eine Diagnose des Zustands des Brennstoffzellensystems durchführen zu können.
Dabei hat sich herausgestellt, dass einerseits ein optimaler Feuchtezustand der Membran indikativ für die maximale Leistung der Brennstoffzelle ist. Ferner hat sich herausgestellt, dass über eine Druckdifferenz zwischen dem Eingangsdruck von Luft an einem Fluideingang und dem Ausgangsdruck eines Produkts der Brennstoffzelle (beispielsweise feuchte Luft oder Wasser) indikativ für die Leistung der Brennstoffzelle, sodass aus diesem Grund wiederum auf den Feuchtezustand der Membran der Brennstoffzelle geschlossen werden kann.
Um den Feuchtezustand einer Membran eines Brennstoffzellensystems zu bestimmen wird entsprechen zunächst ein sogenannter optimaler Druckverlust zwischen einem Eingangsdruck von Luft und einem Ausgangsdruck an ein Fluidausgang der Kathodenseite bestimmt. Der optimale Druckverlust ist derjenige Druckverlust zwischen dem Eingangsdruck und den Ausgangsdruck auf der Kathodenseite, bei welchem bei einem bestimmten Eingangsvolumenstrom von Luft die maximale Leistung der Brennstoffzelle erbracht wird. Die Bestimmung der Maximalleistung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einem bestimmten Eingangsvolumenstrom von Luft kann beispielsweise offline auf einem Prüfstand bestimmt werden und tabellarisch bzw. entsprechenden Sollwertdatei gespeichert werden. Alternativ kann wie weiter unten im Detail beschrieben online, d. h. während des Betriebs einer Brennstoffzelle der optimale Druckverlust gemessen werden.
Entsprechend wird ein Trocken-Druckverlust zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck auf der Kathodenseite bei vollständig ausgetrockneter Membran bestimmt. Der Trocken-Druckverlust wird bestimmt, indem die Strömungskanäle und die Membran der Brennstoffzelle völlig ausgetrocknet werden, beispielsweise indem die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird, bis auf einen vollständig ausgetrockneter den Zustand der Membran geschlossen werden kann. In diesem Zustand wird eine Referenz Druckverlust Kennlinie, d. h. ein Trocken-Druckverlust in Abhängigkeit von dem Eingangsvolumenstrom bestimmt. Der Trocken-Druckverlust kann beispielsweise auf einem Prüfstand bestimmt werden und tabellarisch bzw. entsprechenden Sollwertdatei gespeichert werden. Alternativ kann wie weiter unten im Detail beschrieben online, d. h. während des Betriebs einer Brennstoffzelle der Trocken-Druckverlust bemessen werden.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ferner ein Druckverlust zwischen dem Eingangsdruck von Luft und dem Ausgangsdruck an dem Fluidausgang bei einem bestimmten gemessenen Eingangsvolumenstrom gemessen. Dieser bestimmte Ist-Druckverlust wird nun herangezogen, um den ersten Referenzwert R1 zu bilden, der die Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlust und dem Trocken-Druckverlust bei einem bestimmten Eingangsvolumenstrom abbildet. Der zweite Referenzwert R2 wird gebildet, indem die Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust und dem Trocken-Druckverlust bei dem bestimmten Eingangsvolumenstrom gebildet wird.
Setzt man nun R1/R2 erhält man den Quotienten mit Hilfe dessen sich Schlussfolgern lässt, ob sich die Membran in einen überfeuchteten oder zu trockenen Zustand aktuell (d.h. basierend auf dem gemessenen Druckverlust) befindet. Dabei lässt sich der Quotient alternativ auch prozentual in Form einer fiktiven relativen Feuchte der Membran als Feuchtegrad in % quantifizieren. Darin gilt beispielsweise: a.) R1/R2 =1 die Membran eine optimale Feuchte von 100% aufweist. b.) R1/R2 > 1 ein Feuchtegrad von > 100% und somit eine Flutung der Membran vorliegt, und c.) R1/R2 = 0 für 0% Feuchte und für eine komplett ausgetrocknete Membran bzw. Brennstoffzelle steht.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine schnelle und einfache Bestimmungsmöglichkeit des Feuchtezustand einer Membran und somit der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle geschaffen. Dabei sind lediglich wenige Parameter, wie beispielsweise Eingangsdruck, Ausgangsdruck und Luftvolumenstrom notwendig, welche aus bereits vorhandenen Sensoren eines Brennstoffzellensystems bezogen werden. Entsprechend können auch bestehende Brennstoffzellensystems beispielsweise mit dem dargestellten Analyseverfahren nachgerüstet werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens, wird ein oberer Schwellwert und ein unterer Schwellwertes für den Quotienten bestimmt. Bei Überschreiten des oberen Schwellwertes wird eine Flutung der Membran definiert und bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes eine Austrocknung der Membran definiert. Mit anderen Worten kann ein prozentualer Bereich des Quotienten bestimmt werden, in welchen ein optimaler bzw. ein zulässiger Betriebszustand in Abhängigkeit der Membranfeuchte vorliegt. Beispielsweise kann der obere Schwellwert bei 110 % und der untere Schwellwert bei 70 % gewählt werden. Überschreitet der Quotient beispielsweise den Wert 1 ,1 bzw. 110%, so wird eine Flutung der Brennstoffzelle definiert, sodass Trocknungsvorgänge eingeleitet werden. Unterschreitet der Quotient beispielsweise den Wert von 0,7 bzw. 70 %, so wird eine Austrocknung der Brennstoffzelle definiert, sodass entsprechend Flutungsvorgänge bzw. Befeuchtungsmaßnahmen der Brennstoffzelle vorgenommen werden.
Entsprechend kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens der Feuchtezustand der Membran basierend auf dem gebildeten Quotienten umgesetzt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das Einstellen des Feuchtezustandes der Membran mittels Einstellens des Eingangsdrucks am Fluideingang umgesetzt. Beispielsweise kann ein Kompressor am Fluideingang der Brennstoffzelle angeordnet sein, welcher insbesondere von der Steuereinheit gesteuert werden kann. Erhöht sich der Eingangsdruck, so erhöht sich ebenfalls die gemessene Druckdifferenz zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgangspunkt dies führt wiederum ausgehend von einem zu trockenen Zustand der Membran zu einer Annäherung an den optimalen Druckverlust bzw. an den optimalen Feuchtezustand der Membran. Dies kann beispielsweise dadurch begründet werden, dass bei einem höheren Druckverlust weniger Feuchte abtransportiert wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird der Feuchtezustand der Membran mittels einer Einstellung des Volumenstroms umgesetzt. Beispielsweise kann mit einem erhöhten Volumen Strom mehr Wasser in der Luft aufgenommen werden und entsprechend besser abgeführt werden. Dies führt zu einer Austrocknung der Membran. Somit wird insbesondere der Luft Lambda Wert auf der Kathodenseite erhöht, da mehr Luft bzw. mehr Luftsauerstoff zugeführt wird als zur Reaktion mit den Wasserstoffprotonen benötigt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird das Einstellen des Feuchtezustandes der Membran mittels einer Einstellung einer Temperatur des Brennstoffzellensystems umgesetzt. Wird die Brennstoffzelle heißer betrieben, trocknet die Membran und entsprechend das Brennstoffzellensystem weiter aus. Wird die Brennstoffzelle kühler betrieben, wird die Membran und entsprechend das Brennstoffzellensystem befeuchtet bzw. feuchter betrieben. Entsprechend kann über die Regulierung des Kühlfluids entsprechend die Feuchtigkeit der Membran eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird das Einstellen der Temperatur des Brennstoffzellensystems mittels einer Temperatureinstellung eines Kühlmediums und/oder einer Steuerung einer Kühlmittelzufuhr des Kühlmediums, welches das Brennstoffzellensystem kühlt, umgesetzt. Das Brennstoffzellensystem kann beispielsweise ein integriertes Kühlsystem aufweisen, wobei entsprechend ein Kühlfluid, beispielsweise ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit, durch entsprechende Kühlkanäle durch das Brennstoffzellensystem geführt wird. Die Temperatur des Brennstoffzellensystems kann beispielsweise durch den Volumenstrom des Kühlfluids durch die Brennstoffzelle gesteuert werden, um somit den Wärmetransport zu regulieren. Ferner kann die Temperatur des Kühlfluids selbst eingestellt werden, um entsprechend den Wärmetransport zu regulieren. Ein entsprechend wärmeres Kühlfluid kühlt die Brennstoffzelle weniger aus, sodass diese heißer betrieben wird. Entsprechend trägt ein reduzierter Volumenstrom des Kühlfluids zu einem heißeren Betrieb der Brennstoffzelle bei.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird das Bestimmen eines optimalen Druckverlustes bestimmt, indem zunächst das Brennstoffzellensystem von einer minimalen bis zu einer maximalen Stromstärke betrieben wird und die resultierenden Zellspannung des Brennstoffzellensystems gemessen wird. Dabei werden die Steuerparameter des Brennstoffzellensystems derart eingestellt bzw. gesteuert bis sich eine konstante Zellspannung einstellt. Bei Einstellung der konstanten Zellspannung wird eine Brennstoffzellenleistung bestimmt, wobei das Erreichen einer maximalen Brennstoffzellenleistung indikativ für den optimalen Feuchtezustand der Membran ist. Wie eingangs erläutert, kann die optimale bzw. maximale Brennstoffzellenleistung erbracht werden, wenn ein optimaler Feuchtezustand der Membran vorliegt. Der optimale Feuchtezustand der Membran ist wiederum abhängig von den Steuerparametern der Brennstoffzelle. So führt beispielsweise eine bestimmte Temperatur des Brennstoffzellensystems zu einem bestimmten Feuchtigkeitsgrad der Membran. Liegt bei diesem bestimmten Feuchtigkeitsgrad der Membran eine maximale Leistung vor, so ist dies der optimale Feuchtezustand der Membran und kann in Abhängigkeit des eingestellten Volumenstroms der Luft am Fluideingang der Kathodenseite festgehalten bzw. für die weitere Bestimmung gespeichert werden.
Das Durchführen der Bestimmung des optimalen Feuchtezustand der Membran kann beispielsweise offline auf einem Prüfstand durchgeführt werden oder online während des Betriebs einer Brennstoffzelle.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist der zumindest eine Steuerparameter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus dem Eingangsdruck, dem Ausgangsdruck, einem Luft-Lambda auf Kathodenseite und der Temperatur des Brennstoffzellensystems.
Das beschriebene Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustand einer Membran eines Brennstoffzellensystems sowie das Brennstoffzellensystem an sich kann beispielsweise zur stationären Energieerzeugung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das Verfahren und das Brennstoffzellensystem in mobilen Systemen, wie beispielsweise in einem wasserstoffbetriebenen Automobil, Wasserfahrzeug oder Luftfahrzeug eingesetzt werden
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zur Diagnose des Feuchtezustandes der Membran bzw. des Brennstoffzellensystems eine geringe Anzahl an gängiger Sensorik (z.B. in einem Automobil) im Kathodenkreis des Brennstoffzellensystems ausreichend. Darin werden sowohl Luftmassenstrom (MAF) als auch Druck am Einlass (P1 ) sowie am Auslass (P2) des Brennstoffzellensystems und der Abgas-Temperatur (T2) am Fluidausgang durch eine Sensorik überwacht. Das Diagnoseergebnis kann durch dynamische Lastwechsel der Brennstoffzelle nicht verfälscht werden. Durch eine vorab offline Vermessung zur Bestimmung der Druckverluste im Kathodenkreis der optimal befeuchteten Membran bzw. Brennstoffzellensystems, kann auf eine zusätzliche Zellspannungsüberwachung im späteren Brennstoffzellensystem im Betrieb verzichtet werden. Weiter gilt, dass durch einfache Kalibration die Diagnosefunktion auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Brennstoffzellensystemen z.B. im Automobilbereich, individuell anwendbar ist. Die Diagnosefunktion führt bei nicht feuchtebedingten Ursachen eines Absinkens der Brennstoffzelleneffizienz, wie z.B. zu wenig Wasserstoff auf der Anodenseite oder hoch dynamische Lastwechsel, zu keiner Fehldiagnose. Diese genaue Fallunterscheidung ist wichtig zu diagnostizieren, weil z.B. Austrocknung und Flutung der Membran durch gegensätzliche Maßnahmen in der Brennstoffzellensystemregelung behandelt werden sollten, um dauerhafte Schäden in der BZ zu vermeiden.
Die Austrocknung und Flutung der Membran sind neben der Brennstoffzelleneffizienz in einem hohen Zeitbereich von mehreren Sekunden wieder vollständig reversibel. Dies gilt, wenn der Feuchtegrad wieder hin zu einem optimalen Wert gesteuert wird. Passiert dies nicht kann mit einer Degradation des Brennstoffzellensystems also einer dauerhaften Schädigung der Membran und damit verringerte Brennstoffzelleneffizienz zu rechnen sein. Mit dem erfindungsgemäßen System und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dies verhindert, indem der Feuchtegehalt der Membran aktiv während des Betriebs des Brennstoffzellensystems überwacht und gesteuert werden kann.
Die erfindungsgemäße Diagnosefunktion zeichnet sich durch einfache Kalibration aus, wodurch die Anwendung auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Brennstoffzellensystemen für mobile und stationäre Anwendungen gegeben ist. Dazu besteht die Möglichkeit über die Offline Methode zur Bestimmung der Druckverluste über Drucksensoren im Kathodenkreis eine Verringerung der Brennstoffzelleneffizienz Aufgrund von Austrocknung und Flutung in dem Brennstoffzellensystems zu detektieren, ohne eine zusätzliche Zellspannungsüberwachung im Brennstoffzellensystems zu installieren.
Das Verfahren kann insbesondere ein Computer implementiertes Steuerverfahren darstellen, welches Anweisungen zum Steuern eines Computersystems, insbesondere der Steuereinheit, enthält, um die Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems bzw. des Verfahrens in geeigneter Weise koordiniert, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
Die Steuereinheit weist insbesondere einen Prozessor auf und ist mit den relevanten Drucksensoren insbesondere am Fluideingang und am Fluidausgang sowie mit den Temperatursensoren insbesondere am Fluidausgang gekoppelt. Ferner ist die Steuereinheit mit dem Kühlsystem und dessen Volumenstromsensor und Temperatursensor des Kühlfluids gekoppelt. Ferner ist die Steuereinheit mit den Steuersystemen des Brennstoffzellensystems gekoppelt, um die Steuerparameter einzustellen. Entsprechend kann die Steuereinheit an einem Kompressor der Zugangsluft am Fluideingang und an einer steuerbaren Abgasgegendruck Drosselklappe am Fluidausgang gekoppelt sein. Ferner kann die Steuereinheit an einem Steuerventil und an einer Erwärmungseinheit des Kühlfluids gekoppelt sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Druckverlust zwischen Fluideingang zu Fluidausgang bei einem bestimmten Luftvolumenstrom dargestellt wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Luftmassenstroms MAF über die Zeit t.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Ausgangstemperatur T2 über die Zeit t.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm des Eingangsdrucks P1 über die Zeit t.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm des Ausgangsdrucks P2 über die Zeit t.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm des Strom Stärkenverlaufs über die Zeit t.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm des Spannungsverlaufs der mittleren Zellspannung über die Zeit t.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des Luft-Volumenstroms über die Zeit t.
Fig. 10 zeigt ein Diagramm einer gemessenen Druckdifferenz über die Zeit t.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer bestimmten Trocken-Druckdifferenz über die Zeit t. Fig. 12 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des ersten Referenzwerts R1 über die Zeit t.
Fig. 13 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des zweiten Referenzwerts R2 über die Zeit t.
Fig. 14 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des Quotienten R1/R2 über die Zeit t.
Fig. 15 zeigt ein Diagramm des Verlaufs eines prozentualen Feuchtegrads über die Zeit t.
Fig. 16 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer binären Diagnosefunktion bei Austrocknung über die Zeit t.
Fig. 17 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer binären Diagnosefunktion bei Flutung über die Zeit t.
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführunqsformen
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in der Figur mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in der Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 weist zumindest eine Brennstoffzelle 111 mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite auf, zwischen welchen eine elektrische Last bzw. ein Verbraucher 104 gekoppelt ist und ein Stromkreis I, U gebildet wird. An die Anodenseite ist eine Wasserstoffzufuhr gekoppelt, beispielsweise ein Wasserstofftank 115. Zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite ist eine Membran 103 gekoppelt, durch welche Wasserstoffionen in Richtung Kathodenseite diffundieren können. Die abgegebenen Elektronen werden über den Stromkreis an die Kathodenseite geleitet. Auf der Kathodenseite befindet sich zunächst ein Fluideingang 101 , durch welchen in der Regel Luft eingeströmt wird. Der Luftsauerstoff in der Luft wird an der Katode ionisiert und bildet mit den Wasserstoffprotonen Wasser. Das erzeugte Wasser wird über den Fluidausgang 102 an der Kathodenseite abgeführt. Typischerweise wird eine größere Luftmenge eingeströmt als Luftsauerstoff für die Reaktion mit Wasserstoff benötigt wird. Der Lambda Wert somit größer als 1 . Entsprechend wird in dem Fluidausgang zudem Luft ausgeströmt. Das erzeugte Wasser wird durch die Luft aufgenommen und durch den Flutausgang ausgeströmt.
Die zugeströmte Luft kann beispielsweise über einen Luftkompressor 112 am Fluideingang 101 gesteuert werden. Entsprechend kann beispielsweise ein Luftmassenstrom MAF und ein Luftvolumenstrom VL am Fluideingang 101 eingestellt werden. Ferner kann der Ausgangsdruck P2 beispielsweise über eine gesteuerte Abgasgegendruck- Drosselklappe 113 gesteuert werden. Entsprechend kann jedoch ebenfalls der Luftmassenstrom MAF und/oder der Luftvolumenstrom VL Ferner wird das Brennstoffzellensystem gekühlt. Hierfür werden insbesondere Kühlmittelkanäle ausgebildet, durch welche ein Kühlmittel strömt. Das Kühlmittel weist beispielsweise die Temperatur Tk auf und wird durch den Kühlmittelkreislauf 114 gesteuert.
Ferner weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Steuereinheit 110 auf. Die Steuereinheit 110 ist mit den relevanten Drucksensoren insbesondere am Fluideingang 101 und am Fluidausgang 102 sowie mit den Temperatursensoren insbesondere am Fluidausgang 102 gekoppelt. Ferner ist die Steuereinheit 110 mit dem Kühlsystem 114 und dessen Volumenstromsensor und Temperatursensor des Kühlfluids gekoppelt. Ferner ist die Steuereinheit 110 mit den Steuersystemen des Brennstoffzellensystems 100 gekoppelt, um die Steuerparameter einzustellen. Entsprechend kann die Steuereinheit 110 an dem Kompressor 112 der Zugangsluft am Fluideingang 101 und an der steuerbaren Abgasgegendruck-Drosselklappe 113 am Fluidausgang 102 gekoppelt sein. Ferner kann die Steuereinheit 110 an einem Steuerventil und an einer Erwärmungseinheit des Kühlsystems 114 gekoppelt sein. Ferner ist eine Sensorik vorgesehen, um den Luftmassenstrom MAF, den Druck P1 am Fluideingang 101 sowie den Druck P2 am Fluidauslass 102 und die Abgas-Temperatur T2 zu ermitteln.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Druckverlust P1 -P2 zwischen Fluideingang 101 zu Fluidausgang 102 bei einem bestimmten Luftvolumenstrom VL dargestellt wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Anhand des gezeigten Diagramms kann insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden.
Zunächst wird ein optimaler Druckverlust bzw. eine Druckdifferenz 201 zwischen einem Eingangsdruck P1 von Luft an einem Fluideingang 101 des Brennstoffzellensystems 100 und einem Ausgangsdruck P2 an einem Fluidausgang 102 des Brennstoffzellensystems 100 in Abhängigkeit von einem Eingangsvolumenstrom VL von Luft an dem Fluideingang 101 bei einem optimalen Feuchtezustand der Membran 103 des Brennstoffzellensystems 100 bestimmt. Ferner wird ein Trocken-Druckverlust bzw. die Druckdifferenz 202 bei trockener Membran 103 zwischen dem Eingangsdruck P1 von Luft an dem Fluideingang 101 und einem Ausgangsdruck P2 an dem Fluidausgang 102 in Abhängigkeit des Eingangsvolumenstroms VL bei einer ausgetrockneten Membran 103 des Brennstoffzellensystems 100 bestimmt.
Ein (Ist-)Druckverlust 203 zwischen dem Eingangsdruck P1 von Luft am Fluideingang 101 und dem Ausgangsdruck P2 an dem Fluidausgang 102 wird in Abhängigkeit von dem Eingangsvolumenstrom VL von Luft an dem Fluideingang 101 gemessen.
Gemäß dem Verfahren wird anschließend ein erster Referenzwerts R1 bestehend aus einer Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlust 203 und dem Trocken-Druckverlust 202, und ein zweiter Referenzwerts R2 bestehend aus einer Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust 201 und dem Trocken-Druckverlust 202 gebildet. Aus dem ersten Referenzwert R1 und dem zweiten Referenzwert R2 wird ein Quotient R1/R2 gebildet, wobei der Quotient indikativ für einen Feuchtezustand der Membran 103 ist. Entsprechend wird ein Trocken-Druckverlust 202 zwischen dem Eingangsdruck P1 und dem Ausgangsdruck P2 auf der Kathodenseite bei vollständig ausgetrockneter Membran 103 bestimmt. Der Trocken-Druckverlust 202 wird bestimmt, indem die Strömungskanäle und die Membran der Brennstoffzelle 100 völlig ausgetrocknet werden, beispielsweise indem die Temperatur der Brennstoffzelle 100 erhöht wird, bis auf einen vollständig ausgetrockneter den Zustand der Membran 103 geschlossen werden kann. In diesem Zustand wird eine Referenz Druckverlust Kennlinie, d. h. ein Trocken-Druckverlust 202 in Abhängigkeit von dem Eingangsvolumenstrom VL bestimmt. Der Trocken-Druckverlust 202 kann beispielsweise auf einem Prüfstand bestimmt werden und tabellarisch bzw. entsprechenden Sollwertdatei gespeichert werden. Alternativ kann während des Betriebs einer Brennstoffzelle 100 der Trocken-Druckverlust 202 bemessen werden.
Durch eine direkte Offline Referenzvermessung (d.h. vorab) des Druckverlustes 202 über dem Brennstoffzellensystem 100 im trockenen Zustand wird die Druckverlustkennlinie des trockenen Kathodenpfades mit ausgetrockneter Membran 103 aufgezeichnet. Sie beschreibt den Druckverlust 202 über dem Brennstoffzellensystem bei komplett trockenen Strömungskanälen und damit ausgetrockneter Membran 103. Allgemein ist der Druckverlust P1-P2 abhängig z.B. von Wassertropfen aus Kondensation im Strömungspfad insbesondere einer Bipolarplatte des Brennstoffzellensystems 100. Gibt es keine Wassertropfen, dann ist der Druckverlust beispielsweise minimal. Für diesen Fall kann geschlossen werden, dass auch die Membran 103 trocken ist.
Zur Ermittlung der optimalen befeuchteten Membran wird durch Referenzvermessungen, bei unterschiedlichen elektrischen Last-Variation der Stromstärke I des Brennstoffzellensystems 100 die Druckverlustkennlinie 201 aufgezeichnet. Die offline gemessenen Referenz-Druckverlustkennlinie 201 werden beispielsweise in der Steuereinheit 110 abgelegt. Referenz-Druckverlustkennlinien können weiter in Abhängigkeit eines Luftlambda sowie Druck im Kathodenkreis und Brennstoffzellensystemtemperatur für jeden Stack des Brennstoffzellensystems 100 und für jede Stromstärke I ermittelt werden.
Die „offline“ Referenz-Vorabvermessung findet beispielsweise an einem Brennstoffzellen-Prüfstand mit einem für den Anwendungsfall repräsentativen Brennstoffzellensystem 100 mit Zellspannungsmessung statt.
Zum Aufnehmen der Referenz-Druckverlustkennline 202 für den Fall der trockene Strömungskanälen und entsprechender ausgetrockneter Membran 103 wird der Druckverlust 202 über dem Brennstoffzellensystem 100 bei nicht elektrisch aktiver Brennstoffzelle gemessen bzw. bei niedriger konstanter Stromstärke I gemessen.
Für den Fall der Referenz-Druckverlustkennline 201 bei optimal befeuchteter Membran 103 wird eine Brennstoffzellen-Stromstärkenvariation von minimaler bis zur maximalen Stromstärke I durchgeführt. Dabei werden die Randbedingungen des Brennstoffzellensystems 100 (Luftlambda, Kathodendruck, Temperatur des Brennstoffzellensystems/Stacks 100) so eingestellt, dass sich die Zellspannungen U des Brennstoffzellensystems 100 in einem stabilen Betriebszustand und bei maximaler Brennstoffzelleneffizienz bzw. bei maximaler Leistungsabgabe befinden. Dieser Betriebszustand repräsentiert den optimalen Befeuchtungszustand der Brennstoffzelle 100 bzw. dessen Membran 103 und erlaubt die Messung der entsprechenden Druckverlustkennlinie 201 für die optimal befeuchtete Membran 103.
Ferner können die Druckverluste im laufenden Brennstoffzellenbetrieb (online) durchgeführt werden, wenn Zellspannungsmessungen im Brennstoffzellensystem verfügbar sind.
Die Druckverlustkennlinie 202 für den Fall trockener Strömungskanäle zum Beispiel einer Bipolarplatte des Brennstoffzellensystems 100 und entsprechend ausgetrockneter Membran 103 wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 gemessen, in einem Zustand, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist und entsprechend bei elektrisch deaktivierter Brennstoffzelle oder bei niedriger konstanter Stromstärke über den Luftkompressor 112 des Brennstoffzellensystems 100 eine Variation des Luft Volumenstroms VL von einem minimalen bis zu einem maximalen Wert durchgeführt wird. Dabei werden die Wertepaare Luftvolumenstrom VL und gemessener Differenzdruck 202 in einer Tabelle gespeichert. Beispielsweise kann diese Messung bei einer Verzögerungsphase eines elektrischen Fahrzeuges, in welchem das Brennstoffzellensystem 100 installiert ist, durchgeführt werden. Die Verzögerungsphase ist dadurch gekennzeichnet ist, dass das Brennstoffzellensystem 100 keine bzw. kaum elektrische Energie zur Verfügung stellt.
Ferner kann die Druckverlustkennlinie 201 für die optimal befeuchteten Membran 103 online während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 durchgeführt werden. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems, welches beispielsweise in einem elektrischen Fahrzeug eingesetzt ist, bei konstanter Brennstoffzellenleistung kann eine optimale Befeuchtung über Auswertung der Einzelzellspannungsmessungen über ein Zeitinterfall erfolgen. Erfüllen die Bewertung der
Einzelzellspannungsmessungen das definierte Stabilitätskriterium (z.B. konstante Spannung U), so wird für die abgegebene Brennstoffzellenleistung das gemessene Wertepaar Luftvolumenstrom VL und gemessener Differenzdruck 201 bestimmt u. abgespeichert. Die Messung unter genannten Bedingungen wird solange wiederholt, bis die vollständige Druckverlustkennlinie für den Fall optimal befeuchteten Membran 103 erzeugt wurde. Die Referenzmessung kann dabei einmal pro Fahrzyklus eines Fahrzeugs durchgeführt werden.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ferner ein Druckverlust 203 zwischen dem Eingangsdruck P1 von Luft und dem Ausgangsdruck P2 an dem Fluidausgang 102 bei einem bestimmten gemessenen Eingangsvolumenstrom VL gemessen. Dieser bestimmte Ist-Druckverlust 203 wird nun herangezogen, um den ersten Referenzwert R1 zu bilden, der die Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlust 203 und dem Trocken-Druckverlust 202 bei einem bestimmten Eingangsvolumenstrom VL abbildet. Der zweite Referenzwert R2 wird gebildet, indem die Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust 201 und dem Trocken-Druckverlust 202 bei dem bestimmten Eingangsvolumenstrom VL gebildet wird.
Setzt man nun R1/R2 erhält man einen Quotienten mit Hilfe dessen sich Schlussfolgern lässt, ob sich die Membran 103 in einen überfeuchteten oder zu trockenen Zustand aktuell (d.h. basierend auf dem gemessenen Druckverlust 203) befindet.
In Fig. 3 bis Fig. 17 wird beispielhaft die Bestimmung eines Feuchtezustand einer Membran 103 bzw. eines Brennstoffzellensystems 103 gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Dabei beschreiben Fig. 3 bis Fig. 8 Aufzeichnungen von Messsignalen entlang der Zeit t (in Sekunden) während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 bei konstanter Stromstärke I sowie Luftmassenstrom MAF. Und zunehmender Temperatur des Kühlmittels, welches das Brennstoffzellensystem 100 kühlt. In dem Beispiel wird Temperatur des Kühlmittels erhöht, um von einem anfänglich gefluteten und feuchten Zustand der Membran 103 bei geringer Temperatur des Brennstoffzellensystems 100 und entsprechend bei geringer Temperatur des Kühlfluids zu einem letztendlich ausgetrockneten Zustand der Membran 103 bei hoher Brennstoffzellentemperatur und entsprechend hoher Temperatur des Kühlfluids zu kommen.
Anhand der gezeigten Messung am Brennstoffzellensystem 100 soll die Diagnosefunktion beispielhaft dargestellt werden. Dabei sind die bekannten Sensoren bzw. Parameter aus Fig. 1 und Fig. 2 über der zeit in Fig 3 bis Fig. 8 dargestellt. In Fig 7 und Fig. 8 finden sich die gemessene Stromstärke I sowie die mittlere Zellspannung U des Brennstoffzellensystems 100. In der gezeigten Messung wurde die Brennstoffzellentemperatur über den Kühlkreis sukzessive erhöht. Die Erhöhung der Brennstoffzellen-Kühlmitteltemperatur führt zum Anstieg der Abgas-Temperatur T2 am Ausgang 102. Durch den Anstieg der Brennstoffzellen-Kühlmitteltemperatur sowie der Gastemperatur kommt es zu einer Reduktion der relativen Feuchte innerhalb der Kathode sowie der Membran 103 des Brennstoffzellensystems 100. Durch die Feuchtereduktion sinken die Zellspannungen und somit die Effizienz des Brennstoffzellensystems 100.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Luftmassenstroms MAF über die Zeit t, wobei in dem gezeigten Beispiel ein konstanter Luftmassenstrom MAF bei ca. 6 g/s (Gramm pro Sekunde) angegeben wird.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Ausgangstemperatur T2 über die Zeit t. Die Ausgangstemperatur T2 wird beispielsweise am Fluidausgang 102 der Kathodenseite gemessen. Die Ausgangstemperatur T2 wird eingestellt, indem beispielsweise das Kühlfluid des Brennstoffzellensystems 100 über die Zeit t erhitzt wird oder der Volumenstrom des Kühlfluids reduziert wird.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm des Eingangsdrucks P1 über die Zeit t. Beispielsweise wird bis zu einer Dauer von 1500 Sekunden der Eingangsdruck P1 mittels des Luftkompressors 112 konstant auf knapp über 1000 mbar gehalten. Zur Regulierung des Feuchtegehalts des Brennstoffzellensystems 100 wird, wie weiter unten beschrieben, der Eingangsdruck P1 auf ca. 1600 mbar ab 1500 Sekunden erhöht.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm des Ausgangsdrucks P2 über die Zeit t. Beispielsweise wird bis zu einer Dauer von 1500 Sekunden der Ausgangsdruck P2 mittels des Luftkompressors 112 konstant auf 1000 mbar gehalten. Zur Regulierung des Feuchtegehalts des Brennstoffzellensystems 100 wird, wie weiter unten beschrieben, der Ausgangsdruck P2 auf ca. 1500 mbar ab 1500 Sekunden erhöht. Dies kann beispielsweise mittels der Abgasgegendruck- Drosselklappe 113 durchgeführt werden.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm des Strom Stärkenverlaufs I über die Zeit t. Während des gezeigten Beispiels wird die Stromstärke I konstant auf ca. 100 A gehalten.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm des Spannungsverlaufs über die Zeit t. Während des gezeigten Beispiels wird die Spannung entlang der Zeit t gemessen. Für die eingestellte Druckdifferenz zwischen 0 und 1500 Sekunden P1-P2 weist die Spannung ein Maximum bei ca. 750 Sekunden auf. Nach der Regulierung des Eingangsdrucks P1 und des Ausgangsdrucks P2 ab 1500 Sekunden stellt sich eine allgemein höhere Spannung U ein.
In Fig. 9 bis Fig. 17 werden die bestimmten bzw. gemessenen Größen der erfindungsgemäßen Diagnosefunktion entlang der Zeit basierend auf den oben eingestellten Parametern angegeben.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des Luft-Volumenstroms VL über die Zeit t. Der Volumenstrom VL steigt konstant ausgehend von ca. 350 l/min an bis zu der Regulierung des Eingangsdrucks P1 und des Ausgangsdrucks P2 ab 1500 Sekunden. Danach sinkt der Volumenstrom auf ca. 200 l/min durch die Druckerhöhung bei konstantem Massenstrom.
Fig. 10 zeigt ein Diagramm einer gemessenen Druckdifferenz P1-P2 (203) über die Zeit t. Die gemessene Druckdifferenz P1 -P2 sinkt leicht von ca. 145 mbar bis auf ca. 130 mbar bis zu der Regulierung des Eingangsdrucks P1 und des Ausgangsdrucks P2 ab 1500 Sekunden. Dieses Absinken kann beispielsweise in der Austrocknung der Membran 103 aufgrund des Anstiegs der Temperatur T2 des Brennstoffzellensystems 100 begründet sein. Danach sinkt die gemessene Druckdifferenz P1-P2 auf ca. 80 mbar durch das Absinken des Luft-Volumenstrom und steigt danach leicht an.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer bestimmten Trocken-Druckdifferenz P1 -P2 (202) über die Zeit t. Die bestimmten Druckdifferenz P1 -P2 steigt leicht unter anderem aufgrund steigenden Volumenstroms VL von 100 mbar auf ca. 110 mbar bis zu der Regulierung des Eingangsdrucks P1 und des Ausgangsdrucks P2 ab 1500 Sekunden. Danach sinkt die bestimmte Druckdifferenz P1-P2 (202) auf ca. 60 mbar. Die Werte für die bestimmten Trocken-Druckdifferenz P1-P2 (202) für eine ausgetrocknete Membran 103 über die Zeit t und bezüglich des Volumenstroms VL können beispielsweise aus einer Datenbank abgerufen werden. Fig. 12 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des ersten Referenzwerts R1 über die Zeit t. Der Referenzwert R1 spiegelt Druckdifferenz zwischen dem gemessenen Druckverlust 203 (siehe Fig. 10) und dem Trocken-Druckverlust 202 (siehe Fig. 11 ) wieder. Bis zu der Regulierung des Eingangsdrucks P1 und des Ausgangsdrucks P2 ab 1500 Sekunden sinkt der Referenzwert R1 von ca. 30 mbar auf ca. 15 mbar ab.
Fig. 13 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des zweiten Referenzwerts R2 über die Zeit t. Der zweite Referenzwerts R2 bestehend aus einer Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust 201 und dem Trocken-Druckverlust 202. Bis zu der Regulierung des Eingangsdrucks P1 und des Ausgangsdrucks P2 ab 1500 Sekunden sinkt der Referenzwert R2 kaum ab und bleibt bei ca. 24 mbar konstant.
Fig. 14 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des Quotienten R1/R2 über die Zeit t. Aus dem ersten Referenzwert R1 und dem zweiten Referenzwert R2 wird der Quotient R1/R2 gebildet, wobei der Quotient indikativ für einen Feuchtezustand der Membran ist. Der Quotient R1/R2 sinkt von einem Wert über 1 bis zu einem Wert von 0,6 bei ca. 1500 Sekunden, zu welchem Zeitpunkt der Eingangsdruck P1 und der Ausgangsdruck P2 reguliert werden, ab. Nach Regulierung des Eingangsdrucks P1 und des Ausgangsdrucks P2 sinkt der Quotient aufgrund der Trägheit des Systems bzw. der Zeit verzögerten erneuten Befeuchtung der Membran 103 weiter leicht ab bevor er sich bei ca. 1750 Sekunden bei einem idealen Wert von 1 einpendelt.
Fig. 15 zeigt ein Diagramm des Verlaufs eines prozentualen Feuchtegrads über die Zeit t.
Im Folgenden werden beispielhaft die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand Fig. 9 bis Fig. 17 zusammengefasst. Insbesondere wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mithilfe der Parameter Luftmassenstrom MAF, Eingangsdruck P 1 , Ausgangsdruck P2, Ausgangstemperatur T2 der Befeuchtungszustandes der Membran 103 berechnet, welcher als Ursache für die niedrigen Zellspannungen identifiziert wird. Zunächst wird aus einem Massenstromsignal des MAF Sensors zunächst der benötigte Volumenstrom VL gemessen (siehe Fig. 3 und Fig. 9). Dies kann beispielsweise über die ideale Gasgleichung mit Hilfe des Eingangsdrucks P1 und der Temperatur T2 am Fluidausgang 102 als Mittelwert abgeschätzt werden.
Der gemessene Druckverlust P1 - P2 (Fig. 10) über Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems 100 wird als aktuell gemessener Wert ermittelt (Fig. 10)
Der vorab kalibrierte Referenz-Trocken-Druckverlustverlauf P1 - P2 (voll ausgetrocknet, siehe Fig. 11 ) des erzwungenen ausgetrockneten Brennstoffzellensystems 100 ist aus der z.B. offline Voruntersuchung für jeden berechneten Volumenstrom VL vorab bekannt.
Für jeden Messpunkt entlang der Zeit t wird nun die Differenz R1 als Druckverlusts zwischen aktuell gemessenen mit dem Druckverlust bei ausgetrockneter Membran (siehe Fig. 12) berechnet.
Zudem wird die Differenz R2 des Druckverlustverlaufs zwischen ausgetrockneter und optimal befeuchteter Membran bzw. Brennstoffzellensystems aus den vorab kalibrierten Daten (siehe zum Beispiel Fig. 2) ermittelt. Zur Bestimmung des Druckverlustverlauf P1 - P2 (optimal befeuchtete Membran) kann entweder die offline Methode vorab oder online Methode, wie zuvor beschrieben, angewendet werden. Der Vorteil in der offline Methode besteht darin das im Brennstoffzellenbetrieb für die Diagnose keine Zellspannungsmessung mehr notwendig ist.
Nun wird der Quotient R1/R2 gebildet (siehe Fig. 14), mit Hilfe dessen sich schlussfolgern lässt, ob sich die Membran in einen überfeuchteten oder zu trockenen Zustand befindet.
Dabei lässt sich der Quotient alternativ auch prozentual in Form einer "fiktiven relativen Feuchte" der Membran als Feuchtegrad in % quantifizieren (siehe Fig. 15). Darin gilt: a.) R1/R2 =1 die Membran weist eine optimale Feuchte von 100% auf. b.) R1/R2 > 1 zeigt einen Feuchtegrad von > 100% und somit eine Flutung der Membran, und c.) R1/R2 = 0 für 0% Feuchte und für eine komplett ausgetrocknete Membran bzw. Brennstoffzelle.
Fig. 16 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer binären Diagnosefunktion bei Austrocknung über die Zeit t und Fig. 17 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer binären Diagnosefunktion bei Flutung über die Zeit t.
Beispielsweise wird ein oberer Schwellwert und ein unterer Schwellwertes für den Quotienten R1/R2 bestimmt. Bei Überschreiten des oberen Schwellwertes wird eine Flutung der Membran 103 definiert und bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes eine Austrocknung der Membran 103 definiert. Mit anderen Worten kann ein prozentualer Bereich des Quotienten bestimmt werden, in welchen ein optimaler bzw. ein zulässiger Betriebszustand in Abhängigkeit der Membranfeuchte vorliegt.
Beispielsweise kann der obere Schwellwert des Quotienten R1/R2 bei 110 % und der untere Schwellwert bei 70 % gewählt werden. Überschreitet der Quotient beispielsweise den Wert 1 ,1 bzw. 110 % (siehe Fig. 15 und Fig. 17), so wird eine Flutung des Brennstoffzellensystems 100 definiert, sodass Trocknungsvorgänge eingeleitet werden. Die Diagnose (Flutung) wird bei Überschreiten des oberen Schwellwertes somit =1 . Daraus wird eine geringere Effizienz des Brennstoffzellensystems 100 und somit kleinere Zellspanungsmessungen resultieren, wie man der Zellspannung in Fig. 8 am Anfang entnehmen kann. Ein weiterer Grund für die sinkende Effizienz liegt in der Änderung in der Elektrochemie durch anfänglich geringere Betriebstemperaturen in dem Brennstoffzellensystem 100. Tritt keine Überfeuchte mehr auf und wird der obere Schwellwert unterschritten wird die Diagnose (Flutung) = 0 (siehe Fig 17). Aufgrund des Anstiegs der Temperatur des Brennstoffzellensystems 100 in dem vorliegenden Beispiel trocknet die Membran 103 sowie Flussplattenkanäle der Luft langsam aus, sodass ab ca. 600 Sekunden eine ausreichende Trocknung erzielt worden ist und keine Flutung mehr festgestellt wird.
Unterschreitet der Quotient beispielsweise den Wert von 0,7 bzw. 70 %, so wird eine Austrocknung der Brennstoffzelle definiert (siehe Fig. 15 und Fig. 16), sodass entsprechend Flutungsvorgänge bzw. Befeuchtungsmaßnahmen der Brennstoffzelle vorgenommen werden sollten. In dem vorliegenden Beispiel wird ab ca. 1100 Sekunden der Zustand „Austrocknung“ festgestellt. Die Diagnose (Austrocknung) wird somit =1 . Aufgrund dessen wird, neben der sich ändernden Elektrochemie, ebenfalls eine geringere Effizienz der Brennstoffzelle 100 resultieren. Tritt keine Unterfeuchte mehr auf wird die Diagnose Austrocknung = 0. Ab 1500 Sekunden wird in dem vorliegenden Beispiel der Eingangsdruck P1 und der Ausgangsdruck P2 justiert, damit die Zellen Spannung nicht noch weiter absinken und dadurch die Membran von einem dauerhaften thermischen Schaden bewahrt wird. Zwar sinkt aufgrund der Trägheit des Systems nach 1500 Sekunden kurzzeitig der Feuchtegrads weiter ab (siehe Fig. 15), doch steigt danach der Feuchtegrads weiter an. Ab ca. 1800 Sekunden wird der untere Schwellwert des Feuchtegrads überschritten, sodass keine Austrocknung mehr festgestellt wird (siehe Fig. 15 und Fig. 17). Der Feuchtegrads pendelt sich idealerweise bei einem Quotienten von 1 bzw. 100 % ein.
Optional kann in oberen und unteren Schwellwerten auch eine Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems 100 (z.B. Stromstärke, Druck, Luftlambda) zugeordnet werden. Das gezeigte Beispiel gilt zum Beispiel für 100 A Stromstärke des Brennstoffzellensystems 100.
Wurde eine Austrocknung oder Flutung diagnostiziert und der optimale Feuchtegrad für längere Zeit über- oder unterschritten kann diese Information an einen nachgeschalteten Feuchteregler bzw. die Steuereinheit 110 gegeben werden. Dieser Regler kann darauf aufbauend z.B. die Temperatur reduzieren oder über den Abgasgegendruck den Druck im Kathodenkreis oder das Luft-Lambda erhöhen oder erniedrigen. Im dargestellten Beispiel erfolgte die Erhöhung des Abgas Gegendrucks durch kontinuierliches schließen der Gegendruck Drosselklappe 113, was in Fig. 6 am Ende durch eine P2 Erhöhung ersichtlich ist. Dadurch kann das Feuchtemanagement wieder in den optimalen Bereich überführt werden, wie in Fig. 15 bis Fig 17 in einem Zeitbereich zwischen 600 und 1100 Sekunden oder ab ca. 1800 Sekunden im berechneten Feuchtegrad am Ende zeigt. Dadurch stabilisiert sich die Zellspannung wieder (Fig. 8).
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustands einer Membran (103) eines Brennstoffzellensystems (100), das Verfahren aufweisend
Bestimmen eines optimalen Druckverlustes (201) zwischen einem Eingangsdruck (P1) von Luft an einem Fluideingang (101) des Brennstoffzellensystems (102) und einem Ausgangsdruck (P2) an einem Fluidausgang (P2) des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von einem Eingangsvolumenstrom (VL) von Luft an dem Fluideingang (101) bei einem optimalen Feuchtezustand der Membran (103) des Brennstoffzellensystems (100),
Bestimmen eines Trocken-Druckverlustes (202) zwischen dem Eingangsdruck (P1) von Luft an dem Fluideingang (101) und einem Ausgangsdruck (P2) an dem Fluidausgang (102) in Abhängigkeit des Eingangsvolumenstroms (VL) bei einer ausgetrockneten Membran (103) des Brennstoffzellensystems (100),
Messen eines Druckverlustes zwischen dem Eingangsdruck (P1) von Luft am Fluideingang (101) und dem Ausgangsdruck (P2) an dem Fluidausgang (102) in Abhängigkeit von dem Eingangsvolumenstrom (VL) von Luft an dem Fluideingang (101 ),
Bilden eines ersten Referenzwerts (R1) bestehend aus einer Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlust und dem Trocken-Druckverlust (202),
Bilden eines zweiten Referenzwerts (R2) bestehend aus einer Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust (201) und dem Trocken-Druckverlust (202),
Bilden eines Quotienten aus dem ersten Referenzwert (R1) und dem zweiten Referenzwert (R2), wobei der Quotient indikativ für einen Feuchtezustand der Membran (103) ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 ,
Bestimmen eines oberen Schwellwertes und eines unteren Schwellwertes für den Quotienten, wobei bei Überschreiten des oberen Schwellwertes eine Flutung der Membran (103) definiert wird und bei Unterschreiten des unteren Schwellwertes eine Austrocknung der Membran (103) definiert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend Einstellen des Feuchtezustandes der Membran (103) basierend auf dem gebildeten Quotienten.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Einstellen des Feuchtezustandes der Membran (103) mittels Einstellens des Eingangsdrucks am Fluideingang (101 ) umgesetzt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das Einstellen des Feuchtezustandes der Membran (103) mittels einer Einstellung des Volumenstroms am Fluideingang (101 ) umgesetzt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Einstellen des Feuchtezustandes der Membran (103) mittels einer Einstellung einer Temperatur des Brennstoffzellensystems (100) umgesetzt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Einstellen der Temperatur des Brennstoffzellensystems (100) mittels einer Temperatureinstellung eines Kühlmediums und/oder einer Steuerung einer Kühlmittelzufuhr des Kühlmediums, welches das Brennstoffzellensystem (100) kühlt, umgesetzt wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bestimmen eines optimalen Druckverlustes (201 ) aufweist
Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) von einer minimalen bis zu einer maximalen Stromstärke und Messen der resultierenden Zellspannung des Brennstoffzellensystems (100),
Steuern zumindest eines Steuerparameters des Brennstoffzellensystems (100) bis sich eine konstante Zellspannung einstellt,
Messen einer Leistung Brennstoffzellenleistung bei der konstanten Zellspannung, wobei das Erreichen einer maximalen Brennstoffzellenleistung indikativ für den optimalen Feuchtezustand der Membran ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der zumindest eine Steuerparameter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dem Eingangsdruck (P1), dem Ausgangsdruck (P2), einem Luft-Lambda auf Kathodenseite und der Temperatur des Brennstoffzellensystems (100).
10. Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Membran (100), welche eine Kathodenseite und eine Anodenseite trennen, einen Fluideingang (101 ), durch welchen Luft mit einem Eingangsdruck (P1 ) der Kathodenseite zuführbar ist, einen Fluidausgang (102), durch welchen ein Fluid als Produkt mit einem Ausgangsdruck (P2) von der Kathodenseite abführbar ist, eine Steuereinheit (110), welche konfiguriert ist zum
Bestimmen eines optimalen Druckverlustes (201) zwischen dem Eingangsdruck P1) von Luft und dem Ausgangsdruck (P2) des Fluids in Abhängigkeit von einem Eingangsvolumenstrom (VL) von Luft an dem Fluideingang (101) bei einem optimalen Feuchtezustand der Membran (103) des Brennstoffzellensystems (100), Bestimmen eines Trocken-Druckverlustes (202) zwischen dem Eingangsdruck (P1) von Luft an dem Fluideingang (101) und dem Ausgangsdruck (P2) an dem Fluidausgang (102) in Abhängigkeit des Eingangsvolumenstroms (VL) bei einer ausgetrockneten Membran (103) des Brennstoffzellensystems (100),
Messen eines Druckverlustes zwischen dem Eingangsdruck (P1) von Luft an dem Fluideingang (101) und dem Ausgangsdruck (P2) an dem Fluidausgang (102) in Abhängigkeit von dem Eingangsvolumenstrom (VL) von Luft an dem Fluideingang (101 ),
Bilden eines ersten Referenzwerts (R1) bestehend aus einer Differenz zwischen dem gemessenen Druckverlust und dem Trocken-Druckverlust (202),
Bilden eines zweiten Referenzwerts (R2) bestehend aus einer Differenz zwischen dem optimalen Druckverlust (201) und dem Trocken-Druckverlust (202),
Bilden eines Quotienten aus dem ersten Referenzwert (R1) und dem zweiten Referenzwert (R2), wobei der Quotient indikativ für einen Feuchtezustand der Membran (103) ist.
PCT/EP2022/053681 2021-03-03 2022-02-15 Diagnose zum feuchtezustand eines pem brennstoffzellen-stacks WO2022184417A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021202053.4A DE102021202053A1 (de) 2021-03-03 2021-03-03 Diagnose zum Feuchtezustand eines PEM Brennstoffzellen-Stacks
DE102021202053.4 2021-03-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022184417A1 true WO2022184417A1 (de) 2022-09-09

Family

ID=80625211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/053681 WO2022184417A1 (de) 2021-03-03 2022-02-15 Diagnose zum feuchtezustand eines pem brennstoffzellen-stacks

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021202053A1 (de)
WO (1) WO2022184417A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010033975A (ja) * 2008-07-30 2010-02-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、燃料電池自動車、燃料電池の制御方法および燃料電池自動車の制御方法
EP3207389B1 (de) * 2014-10-17 2020-09-02 Stiftelsen Sintef Steuerung einer elektrochemischen vorrichtung mit integrierter diagnose, prognose und lebensdauerverwaltung
JP2021015773A (ja) * 2019-07-16 2021-02-12 株式会社デンソー 燃料電池システム

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008288148A (ja) 2007-05-21 2008-11-27 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの制御装置
JP2009259758A (ja) 2008-03-26 2009-11-05 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池の運転方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010033975A (ja) * 2008-07-30 2010-02-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、燃料電池自動車、燃料電池の制御方法および燃料電池自動車の制御方法
EP3207389B1 (de) * 2014-10-17 2020-09-02 Stiftelsen Sintef Steuerung einer elektrochemischen vorrichtung mit integrierter diagnose, prognose und lebensdauerverwaltung
JP2021015773A (ja) * 2019-07-16 2021-02-12 株式会社デンソー 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021202053A1 (de) 2022-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008047389B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Online-Bestimmung und Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms in einem Brennstoffzellenstapel
DE10334556B4 (de) Brennstoffzellensteuerungssystem
DE102009023882B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum zuverlässigen Starten desselben
DE102009050938B4 (de) Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel
DE102010051220B4 (de) Verfahren zum schätzen der relativen feuchte eines kathodeneinlasses und -auslasses eines brennstoffzellenstapels
DE102015119429B4 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE112006002187T5 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für das Brennstoffzellensystem
DE102014100751A1 (de) Gegenmaßnahmen bei Luftflussfehlern in einem Brennstoffzellensystem
DE102015210836A1 (de) Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels
DE102013101826A1 (de) Abschaltungsspülbetriebsstrategie für PEM-Brennstoffzellensystem in einer Unter-Null-Umgebung
DE102011013630A1 (de) Adaptive Belastung einer Brennstoffzelle
DE102009050934B4 (de) Verfahren und System für Abhilfemassnahmen in dem Fall des Ausfalls eines Kathodenbypassventils in einem Brennstoffzellensystem
DE102017102354A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Einstellen einer relativen Feuchte eines Kathodenbetriebsgases während einer Aufheizphase
DE102013105044B4 (de) Algorithmus zum Extremasuchen in einem variablen Zeitintervall zur Ermittlung eines Anodendrucksensorausfallfehlers in einem Brennstoffzellensystem
DE102016116004A1 (de) Verfahren zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts eines Betriebsmediums, Brennstoffzellensystem zum Durchführen eines solchen Verfahrens und Verwendung eines Verdichters als Feuchtigkeitssensor
DE102007037628B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels durch Überwachen der Membranhydratation
DE102010046148A1 (de) Auf ein Verhindern einer Zellenumpolung gerichtetes, verbessertes Stapelbetriebsverfahren
DE112013006226T5 (de) Brennstoffzellensystem und Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem
DE102018110807A1 (de) Modellierung und nutzung eines virtuellen temperatursensors am wirkraumauslass eines brennstoffzellenstapels mit stapelkühlmittel-bypass
DE102011009357A1 (de) Selbsterlernen eines basisstapelwiderstands für eine hfr-basierte rh-steuerung
DE102014100186A1 (de) Schätzung transienter relativer Feuchte eines Einlasses mittels eines adaptiven Modells einer Kathodenbefeuchtungseinheit und eines Hochfrequenzwiderstands
DE102017214966A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen
DE102020119137A1 (de) Verfahren für die modellbasierte Feuchteregelung einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug
DE102013112519B4 (de) Verfahren zur Diagnose von Brennstoffzellenbefeuchtungsproblemen
WO2022184417A1 (de) Diagnose zum feuchtezustand eines pem brennstoffzellen-stacks

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22707394

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22707394

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1