DE102021202053B4 - Diagnosis of the moisture condition of a PEM fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
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 (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),
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.
Method for determining a moisture state of a membrane (103) of a fuel cell system (100), the method comprising
Determining an optimal pressure loss (201) between an inlet pressure (P1) of air at a fluid inlet (101) of the fuel cell system (102) 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 moisture state of the membrane (103) of the fuel cell system (100),
Determining a dry pressure loss (202) 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) for a dried-out membrane (103) of the fuel cell system (100),
Measuring a pressure loss between the inlet pressure (P1) of air at the fluid inlet (101) and the outlet pressure (P2) at the fluid outlet (102) as a function of the inlet volume flow (VL) of air at the fluid inlet (101),
Forming a first reference value (R1) consisting of a difference between the measured pressure loss and the dry pressure loss (202),
Forming a second reference value (R2) consisting of a difference between the optimal pressure loss (201) and the dry pressure loss (202),
Forming a quotient from the first reference value (R1) and the second reference value (R2),
where the quotient is indicative of a moisture state of the membrane (103).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustands einer Membran eines Brennstoffzellensystems.The present invention relates to a method for determining a moisture state of a membrane of a fuel cell system.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
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.Energy generation systems with no or reduced production 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 the chemical reaction between hydrogen and atmospheric oxygen and releases water as a product. In fuel cell systems, hydrogen is usually supplied to an anode side, where electrons are released and hydrogen protons diffuse through a corresponding membrane (e.g., a polymer electrolyte membrane) towards a cathode side of a fuel cell system to react with atmospheric oxygen. On the cathode side, the hydrogen protons react with atmospheric oxygen to form water, which is then removed as a product on the cathode side.
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.The efficiency of a fuel cell system depends in particular on the humidity level or optimal humidification of the membrane. If the membrane is too dry, efficiency decreases due to an increase in electrical resistance in the membrane. If the membrane is too humid, too much water condenses. The resulting water droplets flood the channels of a bipolar plate of the fuel cell system on the cathode side. This impedes mass transport and reduces the efficiency of the fuel cell system by limiting the chemical reaction.
Aus der
Aus der
Aus der
Darstellung der ErfindungDescription of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistung eines Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von einem Feuchtezustand einer Membran des Brennstoffzellensystems zu verbessern.It is an object of the present invention to improve the performance of a fuel cell system depending on a moisture state of a membrane of the fuel cell system.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Bestimmen eines Feuchtezustands einer Membran eines Brennstoffzellensystems sowie mit einem Brennstoffzellensystems gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.This object is achieved by a method for determining a moisture state of a membrane of a fuel cell system and by a fuel cell system according to the independent claims.
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.According to a first aspect of the present invention, a method for determining a moisture content of a membrane of a fuel cell system is described. According to the method, an optimal pressure loss 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 optimal moisture content of the membrane of the fuel cell system.
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.Furthermore, a dry pressure loss between the inlet pressure of air at the fluid inlet and an outlet pressure at the fluid outlet is determined depending on the inlet volume flow when the membrane of the fuel cell system is dried out.
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.An (actual) pressure loss 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.
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.According to the method, a first reference value R1 is then calculated, consisting of a difference between the measured pressure loss and the dry pressure loss, and a second reference value R2 is calculated, consisting of a difference between the optimal pressure loss and the dry pressure loss. A quotient R1/R2 is calculated from the first reference value R1 and the second reference value R2, with the quotient being indicative of the membrane's moisture content.
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.According to a further aspect of the present invention, a fuel cell system is described which has a membrane separating a cathode side and an anode side. Furthermore, the fuel cell system has a fluid inlet through which air can be supplied to the cathode side at an inlet pressure, and a fluid outlet through which a fluid can be discharged from the cathode side as a product at an outlet pressure. The fuel cell system further has a control unit configured to carry out the above-described inventive method.
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.The fuel cell system initially has an anode side and a cathode side, between which an electrical load or consumer is coupled, forming an electrical circuit. A hydrogen supply, for example a hydrogen tank, is coupled to the anode side. The membrane, through which hydrogen ions can diffuse towards the cathode side, is coupled between the anode and cathode sides. The released electrons are conducted to the cathode side via the electrical circuit. On the cathode side is the fluid inlet, through which air usually flows in. The oxygen in the air is ionized at the cathode and forms water with the hydrogen protons. The produced water is discharged via the fluid outlet on the cathode side. Typically, a larger amount of air flows in than the oxygen required for the reaction with hydrogen. The lambda value is therefore greater than 1. Accordingly, air also flows out at the fluid outlet. The produced water is absorbed by the air and flowed out through the flood outlet.
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.The incoming air can be controlled, for example, via an air compressor at the fluid inlet. Furthermore, the outlet pressure can be controlled, for example, via a controlled exhaust backpressure throttle valve. Furthermore, the fuel cell system is cooled. For this purpose, coolant channels are formed, through which a coolant flows.
Die Membran ist insbesondere eine Protonenaustauschmembran (PEMFC) und dient als Ionenaustauschermembran. 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.The membrane is, in particular, a proton exchange membrane (PEMFC) and serves as an ion exchange membrane. The membrane can, for example, 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). Hydrogen molecules dissociate on the anode side and are oxidized to two protons each, releasing two electrons. These protons diffuse through the membrane. On the cathode side, oxygen is reduced by the electrons, which previously performed electrical work in an external circuit. Together with the protons transported through the membrane, water is produced. To utilize the electrical work, the anode and cathode are connected to the electrical load.
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.Furthermore, it has been found that the transport of protons through the membrane, as well as the ohmic resistance, are strongly correlated with the membrane's moisture content. If the membrane is dry, the proton flow is reduced and the ohmic resistance increases. If the moisture content is too high or the membrane is flooded, the proton flow is also disrupted and the ohmic resistance increases. The method according to the invention determines the membrane's moisture content accordingly, enabling a diagnosis of the condition of the fuel cell system.
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.It has been shown that, on the one hand, an optimal membrane moisture content is indicative of maximum fuel cell performance. Furthermore, it has been shown that a pressure difference between the inlet pressure of air at a fluid inlet and the outlet pressure of a fuel cell product (e.g., humid air or water) is indicative of fuel cell performance, so that the moisture content of the fuel cell membrane can be determined from this.
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.In order to determine the moisture content of a membrane in a fuel cell system, a so-called optimal 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 loss Loss is the pressure loss between the inlet pressure and the outlet pressure on the cathode side at which the maximum power of the fuel cell is achieved for a specific inlet air flow rate. The determination of the maximum power of the fuel cell as a function of a specific inlet air flow rate can, for example, be carried out offline on a test bench and saved in a table or corresponding setpoint file. Alternatively, the optimal pressure loss can be measured online, i.e., during operation of a fuel cell, as described in detail below.
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.Accordingly, a dry pressure drop between the inlet pressure and the outlet pressure on the cathode side is determined when the membrane is completely dry. The dry pressure drop 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 membrane can be closed. In this state, a reference pressure drop characteristic curve, i.e. a dry pressure drop as a function of the inlet volume flow, is determined. The dry pressure drop can, for example, be determined on a test bench and saved in a table or corresponding setpoint file. Alternatively, the dry pressure drop can be measured online, i.e. during operation of a fuel cell, as described in detail below.
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.During fuel cell operation, a pressure loss between the inlet air pressure and the outlet pressure at the fluid outlet is also measured at a specific measured input flow rate. This specific actual pressure loss is then used to calculate the first reference value R1, which represents the difference between the measured pressure loss and the dry pressure loss at a specific input flow rate. The second reference value R2 is calculated by calculating the difference between the optimal pressure loss and the dry pressure loss at the specific input flow rate.
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.
- a.) R1/R2 =1 the membrane has an optimal humidity of 100%.
- b.) R1/R2 > 1 a humidity level of > 100% and thus flooding of the membrane is present, and
- c.) R1/R2 = 0 stands for 0% humidity and for a completely dried out membrane or fuel cell.
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.The present invention thus provides a quick and easy way to determine the moisture content of a membrane and thus the performance of the fuel cell. Only a few parameters, such as inlet pressure, outlet pressure, and air flow rate, are required, which are obtained from existing sensors of a fuel cell system. Accordingly, existing fuel cell systems can also be retrofitted with the analysis method described.
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.According to a further exemplary embodiment of the method, an upper threshold and a lower threshold are determined for the quotient. If the upper threshold is exceeded, flooding of the membrane is defined, and if the lower threshold is undershot, drying of the membrane is defined. In other words, a percentage range of the quotient can be determined in which an optimal or permissible operating state exists depending on the membrane moisture content. For example, the upper threshold can be selected 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 0.7 or 70%, for example, drying of the fuel cell is defined, so that flooding processes or humidification measures of the fuel cell are carried out accordingly.
Entsprechend kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens der Feuchtezustand der Membran basierend auf dem gebildeten Quotienten umgesetzt werden.Accordingly, according to an exemplary embodiment of the method, the moisture state of the membrane can be implemented based on the formed quotient.
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.According to an exemplary embodiment, the adjustment of the moisture state of the membrane is implemented by adjusting the inlet pressure at the fluid inlet. For example, a compressor can be arranged at the fluid inlet of the fuel cell, which compressor 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 a too dry state of the Membrane to approximate the optimal pressure loss or the optimal moisture state of the membrane. This can be explained, for example, by the fact that less moisture is transported away at a higher pressure loss.
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.According to another exemplary embodiment, the moisture content of the membrane is controlled by adjusting the volume flow. For example, with an increased volume flow, more water in the air can be absorbed and thus more effectively removed. This leads to a drying out of the membrane. Thus, the air lambda value on the cathode side is increased, in particular, because more air or more atmospheric oxygen is supplied than is required for the reaction with the hydrogen protons.
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.According to another exemplary embodiment, the moisture content of the membrane is adjusted by adjusting the temperature of the fuel cell system. If the fuel cell is operated at higher temperatures, the membrane and, accordingly, the fuel cell system will dry out further. If the fuel cell is operated at cooler temperatures, the membrane and, accordingly, the fuel cell system will be humidified or operated at a higher humidity. Accordingly, the moisture content of the membrane can be adjusted by regulating the cooling fluid.
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.According to a further exemplary embodiment, the temperature of the fuel cell system is adjusted by adjusting the temperature of a cooling medium and/or controlling a coolant supply of the cooling medium that cools the fuel cell system. The fuel cell system can, for example, have an integrated cooling system, wherein a cooling fluid, for example a cooling gas or a cooling liquid, is guided through corresponding cooling channels through the fuel cell system. The temperature of the fuel cell system can, for example, be controlled by the volume flow of the cooling fluid through the fuel cell in order to regulate heat transport. Furthermore, the temperature of the cooling fluid itself can be adjusted in order to regulate heat transport accordingly. A correspondingly warmer cooling fluid cools the fuel cell less, so that it operates at a higher temperature. Accordingly, a reduced volume flow of the cooling fluid contributes to hotter operation of the fuel cell.
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.According to another exemplary embodiment, the determination of an optimal pressure drop is determined by first operating the fuel cell system from a minimum to a maximum current and measuring the resulting cell voltage of the fuel cell system. The control parameters of the fuel cell system are adjusted or controlled until a constant cell voltage is established. When the constant cell voltage is established, a fuel cell power is determined, whereby the achievement of maximum fuel cell power is indicative of the optimal moisture content of the membrane. As explained above, the optimal or maximum fuel cell power can be achieved when the membrane is at an optimal moisture content. The optimal moisture content of the membrane, in turn, depends on the control parameters of the fuel cell. For example, a certain temperature of the fuel cell system leads to a certain moisture content of the membrane. If maximum power is achieved at this certain moisture content of the membrane, this is the optimal moisture content of the membrane and can be recorded or stored for further determination depending on the adjusted air volume flow at the fluid inlet on the cathode side.
Das Durchführen der Bestimmung des optimalen Feuchtezustand der Membran kann beispielsweise offline auf einem Prüfstand durchgeführt werden oder online während des Betriebs einer Brennstoffzelle.The determination of the optimal moisture state of the membrane can, for example, be carried out offline on a test bench or online during the operation of a fuel cell.
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.According to an exemplary embodiment, 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.
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 werdenThe described method for determining the moisture content of a membrane of a fuel cell system, as well as the fuel cell system itself, can be used, for example, for stationary energy generation. Furthermore, the method and the fuel cell system can be used in mobile systems, such as a hydrogen-powered automobile, watercraft, or aircraft.
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.With the method according to the invention, a small number of common sensors (e.g., in an automobile) in the cathode circuit of the fuel cell system are sufficient to diagnose the moisture content of the membrane or the fuel cell system. These sensors monitor both the mass air flow (MAF) and the pressure at the inlet (P1) and outlet (P2) of the fuel cell system, as well as the exhaust gas temperature (T2) at the fluid outlet. The diagnostic result cannot be distorted by dynamic load changes in the fuel cell. By pre-off line measurement to determine the pressure losses in the cathode circuit of the optimally humidified membrane or fuel cell system, there is no need for additional cell voltage monitoring in the subsequent fuel cell system during operation. Furthermore, simple calibration means that the diagnostic function can be individually applied to a wide variety of different fuel cell systems, e.g. in the automotive sector. The diagnostic function does not lead to 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 distinction between cases is important to diagnose because, for example, drying out and flooding of the membrane should be treated with opposing measures in the fuel cell system control system in order to avoid permanent damage to the fuel cell.
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.In addition to improving fuel cell efficiency, the drying and flooding of the membrane are fully reversible within a time frame of several seconds. This applies if the humidity level is controlled back to 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. The system and method according to the invention prevent this by actively monitoring and controlling the moisture content of the membrane during operation of the fuel cell system.
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.The diagnostic function according to the invention is characterized by simple calibration, which allows it to be applied to a wide variety of different fuel cell systems for mobile and stationary applications. The offline method for determining pressure losses via pressure sensors in the cathode circuit allows for the detection of a reduction in fuel cell efficiency due to drying out and flooding in the fuel cell system without the need to install additional cell voltage monitoring in the fuel cell system.
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.The method may in particular represent a computer-implemented control method which contains instructions for controlling a computer system, in particular the control unit, in order to coordinate the operation of the fuel cell system or the method in a suitable manner in order to achieve the effects associated with the method according to the invention.
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.The control unit comprises, in particular, a processor and is coupled to the relevant pressure sensors, in particular at the fluid inlet and outlet, as well as 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 adjust the control parameters. Accordingly, the control unit can be coupled to a compressor for the inlet air at the fluid inlet and to a controllable exhaust backpressure 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.
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.It should be noted that the embodiments described here represent only a limited selection of possible variants of the invention. It is thus possible to combine the features of individual embodiments in a suitable manner, so that a multitude of different embodiments can be considered as obviously disclosed to those skilled in the art with the variants explicitly described here.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. -
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. -
3 zeigt ein Diagramm des Luftmassenstroms MAF über die Zeit t. -
4 zeigt ein Diagramm der Ausgangstemperatur T2 über die Zeit t. -
5 zeigt ein Diagramm des Eingangsdrucks P1 über die Zeit t. -
6 zeigt ein Diagramm des Ausgangsdrucks P2 über die Zeit t. -
7 zeigt ein Diagramm des Stromstärkenverlaufs über die Zeit t. -
8 zeigt ein Diagramm des Spannungsverlaufs der mittleren Zellspannung über die Zeit t. -
9 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des Luft-Volumenstroms über die Zeit t. -
10 zeigt ein Diagramm einer gemessenen Druckdifferenz über die Zeit t. -
11 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer bestimmten Trocken-Druckdifferenz über die Zeit t. -
12 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des ersten Referenzwerts R1 über die Zeit t. -
13 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des zweiten Referenzwerts R2 über die Zeit t. -
14 zeigt ein Diagramm des Verlaufs des Quotienten R1/R2 über die Zeit t. -
15 zeigt ein Diagramm des Verlaufs eines prozentualen Feuchtegrads über die Zeit t. -
16 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer binären Diagnosefunktion bei Austrocknung über die Zeit t. -
17 zeigt ein Diagramm des Verlaufs einer binären Diagnosefunktion bei Flutung über die Zeit t.
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1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. -
2 shows a diagram in which the pressure loss between fluid inlet and fluid outlet is represented at a certain air volume flow, according to an exemplary embodiment of the present invention. -
3 shows a diagram of the air mass flow MAF over time t. -
4 shows a diagram of the initial temperature T2 over time t. -
5 shows a diagram of the inlet pressure P1 over time t. -
6 shows a diagram of the output pressure P2 over time t. -
7 shows a diagram of the current intensity over time t. -
8 shows a diagram of the voltage curve of the average cell voltage over time t. -
9 shows a diagram of the air volume flow over time t. -
10 shows a diagram of a measured pressure difference over time t. -
11 shows a diagram of the course of a certain dry pressure difference over time t. -
12 shows a diagram of the course of the first reference value R1 over time t. -
13 shows a diagram of the course of the second reference value R2 over time t. -
14 shows a diagram of the course of the quotient R1/R2 over time t. -
15 shows a diagram of the course of a percentage humidity level over time t. -
16 shows a diagram of the course of a binary diagnostic function during dehydration over time t. -
17 shows a diagram of the course of a binary diagnostic function during flooding over time t.
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen AusführungsformenDetailed description of exemplary embodiments
Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in der Figur mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in der Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.Identical or similar components are provided with the same reference numerals in the figure. The representation in the figure is schematic and not to scale.
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.The incoming air can be controlled, for example, via an
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.The
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.First, an optimal pressure loss or a
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.An (actual)
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.According to the method, a first reference value R1 consisting of a difference between the measured
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.Accordingly, a
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.Through a direct offline reference measurement (i.e., in advance) of the
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.To determine the optimal humidified membrane, the pressure loss
Die „offline“ Referenz-Vorabvermessung findet beispielsweise an einem Brennstoffzellen-Prüfstand mit einem für den Anwendungsfall repräsentativen Brennstoffzellensystem 100 mit Zellspannungsmessung statt.The “offline” reference preliminary measurement takes place, for example, on a fuel cell test bench with a
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.To record the reference pressure loss
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.For the case of the reference pressure loss
Ferner können die Druckverluste im laufenden Brennstoffzellenbetrieb (online) durchgeführt werden, wenn Zellspannungsmessungen im Brennstoffzellensystem verfügbar sind.Furthermore, the pressure losses can be measured during ongoing fuel cell operation (online) if cell voltage measurements are available in the fuel cell system.
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.The pressure loss
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.Furthermore, the pressure loss
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.During operation of the fuel cell, a
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.If one now sets R1/R2 one obtains a quotient with the help of which one can conclude whether the
In
Dabei beschreiben
Anhand der gezeigten Messung am Brennstoffzellensystem 100 soll die Diagnosefunktion beispielhaft dargestellt werden. Dabei sind die bekannten Sensoren bzw. Parameter aus
In
Im Folgenden werden beispielhaft die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand
Zunächst wird aus einem Massenstromsignal des MAF Sensors zunächst der benötigte Volumenstrom VL gemessen (siehe
Der gemessene Druckverlust P1 - P2 (
Der vorab kalibrierte Referenz-Trocken-Druckverlustverlauf P1 - P2 (voll ausgetrocknet, siehe
Für jeden Messpunkt entlang der Zeit t wird nun die Differenz R1 als Druckverlusts zwischen aktuell gemessenen mit dem Druckverlust bei ausgetrockneter Membran (siehe
Zudem wird die Differenz R2 des Druckverlustverlaufs zwischen ausgetrockneter und optimal befeuchteter Membran bzw. Brennstoffzellensystems aus den vorab kalibrierten Daten (siehe zum Beispiel
Nun wird der Quotient R1/R2 gebildet (siehe
Dabei lässt sich der Quotient alternativ auch prozentual in Form einer „fiktiven relativen Feuchte“ der Membran als Feuchtegrad in % quantifizieren (siehe
- 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.
- a.) R1/R2 =1 the membrane has an optimal humidity of 100%.
- b.) R1/R2 > 1 indicates a humidity level of > 100% and thus flooding of the membrane, and
- c.) R1/R2 = 0 for 0% humidity and for a completely dried out membrane or fuel cell.
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.For example, an upper threshold and a lower threshold are determined for the quotient R1/R2. If the upper threshold is exceeded, flooding of the
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
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.Due to the increase in temperature of the
Unterschreitet der Quotient beispielsweise den Wert von 0,7 bzw. 70 %, so wird eine Austrocknung der Brennstoffzelle definiert (siehe
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.Optionally, a dependency on the operating point of the fuel cell system 100 (e.g., current, pressure, air lambda) can also be assigned to the upper and lower threshold values. The example shown applies, for example, to a current of 100 A for the
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
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.Additionally, it should be noted that "comprising" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a plurality. Furthermore, it should be noted that features or steps described with reference to one of the above embodiments may also be used in combination with other features or steps of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limitations.
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