DE102017214966A1 - Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem (100), das Befeuchtungssystem aufweisend einen Befeuchter (40), der eingerichtet ist zum Übertragen von Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad (32) strömenden Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad (31) strömenden Fluidstrom, wobei ein Gehalt an flüssigem Wasser im Befeuchter (40) durch die Messung eines Leckagestroms bestimmt wird, sowie ein für ein solches Verfahren ausgelegtes Kraftfahrzeug.

Description

  • Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
  • In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
  • Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff, über ein Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt und unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch zu Protonen oxidiert (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.
  • Der Kathode wird im Betrieb der Brennstoffzelle Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).
  • Um den Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums zu und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums zu und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel auf.
  • Die Maximalleistung „P“ des Brennstoffzellensystems ist durch eine definierte elektrische Spannung Upmax und einen definierten elektrischen Strom Ipmax des Brennstoffzellenstapels festgelegt. Besonders der Wirkungsgrad npmax des Brennstoffzellenstapels definiert diese Strom-Spannungs-Korrelation. Eine bedeutende Einflussgröße auf npmax des Brennstoffzellensystems hat die Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran. Eine zu geringe Membranfeuchte führt zu einer reduzierten Protonenleitfähigkeit der Membran und daraus resultierend zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Für eine definierte Einstellung der Membranfeuchte wird die der Brennstoffzelle zugeführten Luft mit Wasser befeuchtet. Die Befeuchtung der Luft wird innerhalb des Brennstoffzellensystems mit einem Luftbefeuchter umgesetzt. Die aus der Brennstoffzelle abströmende Luft (Abluft) wird durch das im Betrieb entstehende Produktwasser im Inneren des Stapels befeuchtet und anschließend dem Luftbefeuchter zugeführt. Ebenfalls wird dem Luftbefeuchter ein trockener Luftmassenstrom zugeführt (Zuluft), welcher innerhalb des Befeuchters durch die feuchte Abluft der Brennstoffzelle befeuchtet wird. Die befeuchtete Zuluft wird der Brennstoffzelle zugeführt.
  • Die in Brennstoffzellensystemen eingesetzten Befeuchter, wie z.B. Membran- oder Hohlfaserbefeuchter, entziehen der feuchten Abluft des Brennstoffzellenstapels gasförmiges Wasser und übertragen dies auf die Zuluft des Brennstoffzellenstapels. Um eine variable Eintrittsfeuchte der Zuluft der Brennstoffzelle einstellen zu können, kann darüber hinaus eine Bypassleitung um den Befeuchter sowie eine Bypassklappe als Regeleinrichtung zum Einsatz kommen. Die in Brennstoffzellensystemen eingesetzten Befeuchtereinrichtungen unterliegen einer signifikant absinkenden Feuchte- Übertragungsfähigkeit ηFeuchteübertragung über der Lebensdauer t der Komponente. Die Alterung des Befeuchters ist abhängig von der im Betrieb erfahrenen Schädigung der Membranmaterialien. Hohe Temperaturen in Verbindung mit niedrigen Gasfeuchten stellen ein erhöhtes Schädigungspotential dar. Darüber hinaus führt auch das Gefrieren flüssigen Wassers innerhalb des Befeuchters zu dessen Schädigung. Bezogen auf ein Befeuchtungssystem, das in einem Kraftfahrzeug für die Befeuchtung eines Brennstoffzellensystems eingesetzt ist, wird dies im Folgenden erläutert.
  • Während des Abschalten des Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs wird je nach Betriebsstrategie immer oder bei absehbarem Frostbetrieb das Gesamtsystem an kritischen Stellen von Flüssigwasser befreit. Ziel ist die Sicherstellung des erfolgreichen Wiederstarts des Systems nach dem Einfrieren. Blockierte Ventile, Klappen oder in diesem Fall ein blockiertes Befeuchterströmungsfeld beziehungsweise Befeuchterhohlfasern sind dabei zu vermeiden oder unbedingt zu verhindern. Für den Befeuchter führt ein Einfrieren neben dem Nachteil eines erhöhten Strömungswiderstands, einer reduzierten Wasserübertragungsfähigkeit durch mit Eis blockierten Strömungsfeld auch die Schädigung durch den Einfriervorgang selbst. Die Dichteänderung beim Phasenwechsel führt zu einer mechanischen Beanspruchung des Membranmaterials des Befeuchters, bis hin zur Rissbildung. Dies wirkt sich negativ auf die Übertragungsfähigkeit und Effizienz der Komponente aus und führt damit zu einer beschleunigten Befeuchteralterung.
  • Ein Freiblasen des Befeuchters beim Abstellen oder in anderen Zuständen der Betriebsstrategie kann das kritische Flüssigwasser austragen und damit eine Schädigung verhindern. Dies erfordert jedoch eine nicht unerhebliche Menge an Energie zum Betrieb der Nebenaggregate und verlängert beispielsweise den Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems erheblich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren bereitzustellen, dass es ermöglicht, das Freiblasen gezielt auszulösen. Insbesondere soll das Verfahren eine Methode zur Minimierung der benötigten Energie und Zeit liefern sowie eine Möglichkeit zur Bestimmung des Zustands der Komponente hinsichtlich der Einfrierbarkeit liefern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem. Das Befeuchtungssystem weist einen Befeuchter auf, der eingerichtet ist, Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad strömenden Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad strömenden Fluidstrom zu übertragen. Dabei wird ein Gehalt an flüssigem Wasser, also ein Flüssigwassergehalt, im Befeuchter durch die Messung eines Leckagestroms bestimmt, wobei der Leckagestrom ein vom durch den ersten Strömungspfad strömenden Fluidstrom auf einen durch den zweiten Strömungspfad geströmter Fluidstrom ist. Der Leckagestrom ist also dem bezweckten Befeuchtungsstrom entgegengerichtet.
  • Vor diesem Hintergrund bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Flüssigwassergehalts eines Befeuchters über eine Leckageratemessung von Hochdruck- zu Niederdruckseite der Komponenente. Dadurch kann ein Flüssigwassergehalt gezielt eingestellt werden, der eine Beschädigung des Befeuchters beim Einfrieren bei niedrigen Umgebungstemperaturen verhindert. Die Alterung des Befeuchters kann dadurch effektiv reduziert bzw. verlangsamt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht demnach die Bestimmung des Flüssigwassergehaltes innerhalb eines Befeuchters eines Brennstoffzellensystems durch Korrelation gegen den Leckagestrom zwischen Hoch- und Niedrigdruckseite. Dies ermöglicht die Minimierung der Nachlauf- beziehungsweise Trocknungszeit des Befeuchters zum Austrag von Flüssigwasser sowie die damit verbundene Einsparung parasitärer Leistungen der Nebenverbraucher. Dies ist begründet durch den durch das erfindungsgemäße Verfahren messbaren Flüssigwassergehalt des Befeuchters, der gezielt reduziert werden kann. Beispielsweise wird der Flüssigwassergehalt nur soweit reduziert, bis eine Schädigung beim Einfriervorgang verhindert wird. Die Alterung des Befeuchters kann somit durch das erfindungsgemäße Verfahren verlangsamt werden, ohne dass häufige Zeit- und kostenintensive Wartungsprozesse des Befeuchters nötig sind.
  • Bei dem Leckagestrom handelt es sich um einen von dem ersten Strömungspfad durch den Befeuchter in den zweiten Strömungspfad strömenden Leckagefluidstrom, der ebenfalls bevorzugt als Volumen- oder Massestrom ermittelt wird.
  • Bei dem Befeuchter handelt es sich bevorzugt um einen für die Anordnung in Brennstoffzellensystemen üblicherweise verwendeten Befeuchter. Bevorzugt weist der Befeuchter zumindest einen ersten Strömungskanal für einen zu befeuchtenden Fluidstrom mit einer ersten Fluidzuleitung und einer ersten Fluidableitung und zumindest einen zweiten Strömungskanal für einen feuchten Fluidstrom mit einer zweiten Fluidzuleitung und einer zweiten Fluidableitung auf. Dabei ist der erste Strömungskanal Teil des oben genannten ersten Strömungspfads und der zweite Strömungskanal Teil des oben genannten zweiten Strömungspfads. Der Befeuchter weist ferner zumindest eine wasserdurchlässige Membran zum Übertragen von Feuchtigkeit von dem feuchten Fluidstrom auf den zu befeuchtenden Fluidstrom auf.
  • Bevorzugt erfolgt ein Verbinden des ersten Strömungspfads und des zweiten Strömungspfads über den Befeuchter, indem der erste Strömungspfad in dem ersten Strömungskanal endet und der zweite Strömungspfad in dem zweiten Strömungskanal endet. Mit anderen Worten wird jeweils eine von der ersten Fluidzu- und -ableitung und der zweiten Fluidzu- und -ableitung zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens geschlossen. Eine Verbindung zwischen dem ersten Strömungspfad und dem zweiten Strömungspfad besteht somit über die zumindest eine wasserdurchlässige Membran des Befeuchters und über den zumindest einen dritten Strömungspfad.
  • In einer ebenfalls bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens ist der Befeuchter in einem Brennstoffzellensystem angeordnet und handelt es sich bei dem ersten Strömungspfad um einen Kathodenversorgungspfad des Brennstoffzellensystems, bei dem zweiten Strömungspfad um einen Kathodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems und bei dem zumindest einen dritten Strömungspfad um ein den Kathodenversorgungspfad stromaufwärts des Befeuchters mit der Kathodenabgasleitung stromabwärts des Befeuchters verbindende Wastegateleitung. Gemäß dieser Durchführungsform ist zudem stromaufwärts des Befeuchters ein Verdichter zum Einstellen des ersten Fluidstroms und des bestimmten Überdrucks in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet. Ferner ist ein erstes Absperrmittel zum Sperren des ersten Strömungspfads stromabwärts des Befeuchters in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet und ein zweites Absperrmittel zum Sperren des zweiten Strömungspfads stromaufwärts des Befeuchters in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Mit anderen Worten wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Leckagestrom eines Befeuchter bestimmt, der in einem Brennstoffzellensystem angeordnet ist.
  • Das Brennstoffzellensystem weist dabei bevorzugt einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und einer Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad und mit einem Kathodenabgaspfad auf. Der Befeuchter ist bevorzugt in dem Kathodenversorgungspfad und in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Ferner sind zwischen dem Befeuchter und dem Brennstoffzellenstapel ein erstes Absperrmittel in dem Kathodenversorgungspfad und ein zweites Absperrmittel in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Stromaufwärts des Befeuchters ist ein Verdichter in dem Kathodenversorgungspfad angeordnet. Ferner verbindet eine Wastegateleitung den Kathodenversorgungspfad stromaufwärts des Verdichters und stromaufwärts des Befeuchters mit dem Kathodenabgaspfad.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Befeuchtungssystem zusätzlich Drucksensoren aufweist, die stromauf- und stromab im ersten und/oder zweiten Strömungspfad angeordnet sind. Dabei wird der Leckagestrom über eine Differenz aus stromauf und stromab des Befeuchters gemessenen Drücken bestimmt. Wird der Leckagestrom direkt als Differenzdruck über die Befeuchtungströmungspfade des zu befeuchtenden und/oder des feuchten Gasstroms gemessen, ermöglicht das direkt die Korrelation auf den Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters. Die derartige Bestimmung des Leckagestroms stellt eine direkte und zudem eine einfache und schnell zugängliche Messung des Leckagestroms dar. Dies erfordert jedoch zusätzliche Sensorik in Form von Differenzdrucksensoren.
  • Alternativ wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Leckagestroms verwendet, das vorteilhafterweise ohne diese zusätzlichen Sensoren auskommt und im Wesentlichen die folgenden Schritte aufweist. Ein erster Schritt besteht darin, den ersten Strömungspfad und den zweiten Strömungspfad über den Befeuchter und zumindest einen dritten Strömungspfad miteinander zu verbinden, insbesondere fluidführend miteinander zu verbinden. Die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad besteht dabei insbesondere ausschließlich über den Befeuchter und den zumindest einen dritten Strömungspfad. In einem dritten Strömungspfad erfolgt per definitionem im Wesentlichen keine chemische Umsetzung eines darin strömenden Fluides, insbesondere Betriebsmittels. Somit wird zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens jede Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Strömungspfad, in der eine chemische Umsetzung eines darin strömenden Fluides erfolgen könnte, gesperrt.
  • Anschließend wird ein erster Fluidstrom in dem ersten Strömungspfad eingestellt beziehungsweise in diesem oder in diesen gefördert. Der erste Fluidstrom wird so eingestellt, dass ein bestimmter Überdruck vom ersten Strömungspfad zum zweiten Strömungspfad eingestellt wird. Anschließend werden der in dem ersten Strömungspfad stromaufwärts des Befeuchters tatsächlich strömende erste Fluidstrom und zumindest ein durch den zumindest einen dritten Strömungspfad tatsächlich strömender zweiter Fluidstrom ermittelt oder erfasst. Bei den ermittelten oder erfassten Fluidströmen handelt es sich bevorzugt um Fluidvolumenströme oder Fluidmasseströme. Schließlich wird der Leckagestrom durch den Befeuchter als Differenz des ersten Fluidstroms und des zumindest einen zweiten Fluidstroms ermittelt. Bei dem Leckagestrom handelt es sich dabei um einen von dem ersten Strömungspfad durch den Befeuchter in den zweiten Strömungspfad strömenden Leckagefluidstrom, der ebenfalls bevorzugt als Volumen- oder Massestrom ermittelt wird. Mit dem Leckagestrom steht vorteilhaft ein bislang unbekannter beziehungsweise bislang nicht ermittelter Kennwert eines Befeuchters zur Verfügung.
  • Unabhängig von der Bestimmung des Leckagestroms ist bevorzugt, dass das Befeuchtungssystem ferner ein Steuersystem aufweist, welches eingerichtet ist, Signale aus dem Befeuchtungssystem und/oder aus einem mit diesem verbunden Brennstoffzellensystem zu empfangen und in deren Abhängigkeit die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszulösen. Vorteilhafterweise bilden Komponentenversuche eine Datengrundlage darüber, welche exakte Menge an Flüssigwasser zu einer Schädigung der Komponenten beispielsweise beim Einfriervorgang führen. Anhand dieser Datengrundlage wird vorzugsweise eine Korrelation zum Leckagestrom des Befeuchters erstellt, die dann bevorzugt im Steuersystem hinterlegt wird. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Befeuchters wird innerhalb des Steuersystems der jeweils gemessene Leckagestrom mit der vorgenannten Korrelationsfunktion verglichen. Sofern dieser Abgleich einen potentiell zu hohen Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters ergibt, wird der Austrag von Flüssigwasser aus dem Befeuchter auf die dafür vorgesehene Art und Weise der Betriebsstrategie ausgelöst, fortgesetzt oder verlängert.
  • Ein derartiges Steuersystem hat ferner den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren automatisch, insbesondere in Abhängigkeit von definierten Variablen, durchgeführt wird. Eine derartige Variable ist beispielsweise die Betriebsdauer des Befeuchtungssystems.
  • Somit ist in weiter bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Verfahren nach einer definierten Anzahl von Betriebsstunden ausgeführt wird. Dies bringt den Vorteil, dass in regelmäßigen Abständen der Feuchtigkeitsgehalt des Befeuchters bestimmt wird.
  • Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das Verfahren als Teil eines Abstellvorgangs und/oder in einer speziellen Konditionierung des Brennstoffzellensystems kurz vor dem tatsächlichen Einfriervorgang des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird. Der tatsächliche Einfriervorgang wird dabei beispielsweise durch einen autonomen Zustand im abgestellten Fahrzeug dargestellt. Sofern der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Flüssigwassergehalt im Befeuchter einen kritischen Wert nicht überschreitet, erfolgt keine zusätzliche Konditionierung, also kein zusätzlicher Austrag von Flüssigwasser aus dem Befeuchter. Ein bereits laufender Wasseraustrag kann beendet werden. Dadurch ergibt sich gegenüber einer lediglich zeitabhängigen Applikation dieser Einfrier-Vorkonditionierung der Vorteil eines reduzierten Zeitbedarfs sowie eine Minimierung der parasitären Leistungen. Dies ist insbesondere bei der Anwendung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug von Vorteil, da der Flüssigwassergehalt des Befeuchters beim Abstellen des Fahrzeugs stets verschieden ist und unter anderem von dem zuvor abgefahrenen Lastprofil, den Umgebungsbedingungen, der Neigungen und Beschleunigungen im Fahrzeug und auch durch Alterungseffekte, wie Ablagerungen in Schläuchen und Komponenten beeinflusst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere in den vorgenannten Ausführungsformen gegen derartige Einflussfaktoren auf den Flüssigwassergehalt des Befeuchters robust, da eine Messung im jeweils vorliegenden Fahrzeugzustand erfolgt und der Abgleich zur Einfrierfähigkeit des Befeuchters darauf basiert.
  • Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug aufweisend ein Befeuchtungssystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichteten Brennstoffzellensystems;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Befeuchters und
    • 3 ein Entscheidungsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausgestaltung.
  • 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können.
  • Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, das geträgert auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ist ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 ein Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
  • Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
  • Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 im Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.
  • Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 eine Brennstoffrezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 26 angeordnet, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenen Brennstoff zurück in den Anodenversorgungspfad 21 zu leiten.
  • Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenversorgungspfad 31 zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Kathodenbetriebsmediums in die Kathodenräume 13 des Brennstoffzellenstapels 10. Dabei handelt es sich beispielsweise um aus der Umgebung angesaugte Luft. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer Abgasanlage zuführt.
  • Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist ein Verdichter 33 in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet. Dieser ist beispielsweise als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
  • Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Wastegate-Leitung 37 auf, welche den Kathodenversorgungspfad 31 mit dem Kathodenabgaspfad 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Betriebsmediums.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Befeuchter 40 auf. Der Befeuchter 40 ist so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 40 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas, kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner eine Bypassleitung 41 auf, welche den Kathodenversorgungspfad 31 stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 40 miteinander verbindet. In der Bypassleitung 41 ist ein Bypassventil 42 angeordnet. Über den Öffnungsgrad des Bypassventils 42 ist einstellbar, wieviel des Kathodenbetriebsmediums durch den Befeuchter 40 strömt und darin befeuchtet wird, währenddessen das restliche Kathodenbetriebsmedium den Befeuchter 40 umgeht. Somit ist die Befeuchtung des Kathodenbetriebsmediums mittels des Bypassventils 42 steuerbar.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 ist zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung eingerichtet, indem es neben der Wastegateleitung 37, dem Wastegateventil 38, dem Verdichter 33 und dem Befeuchter 40 ferner ein erstes Absperrmittel 61 und ein zweites Absperrmittel 62 aufweist. Zudem weist das dargestellte Brennstoffzellensystem 100 einen ersten Luftmassenmesser 51 und einen zweiten Luftmassenmesser 52 auf. Der erste Luftmassenmesser 51 ist unmittelbar stromabwärts des Verdichters 33 in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet. Der zweite Luftmassenmesser 52 ist stromaufwärts des Wastegateventils 38 in der Wastegateleitung 37 angeordnet. Das erste Absperrmittel 61 ist zwischen Befeuchter 40 und Brennstoffzellenstapel 10 in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet und das zweite Absperrmittel 62 ist zwischen Befeuchter 40 und Brennstoffzellenstapel 10 in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet.
  • Die Absperrmittel 61, 62 dienen zum einen dem Abtrennen des abgeschalteten Brennstoffzellenstapels 10 von der Umgebung. Somit soll insbesondere das Eindringen von Luft zunächst in die Kathodenräume 13 und von dort in die Anodenräume 12 des abgeschalteten Stapels 10 verhindert werden. Zudem ermöglichen die Absperrmittel 61, 62 gemeinsam mit dem Bypassstellmittel 38 das Einstellen eines definierten Druckgefälles über den Befeuchter 40 mittels des Verdichters 33. Die Luftmassenmesser 51, 52 ermöglichen das Erfassen aller aufgrund dieses Druckgefälles in der Kathodenversorgung 30, insbesondere in dem Kathodenversorgungspfad 31 und der Wastegateleitung 37, erzeugten Fluidströme.
  • Der in 2 dargestellte Befeuchter weist einen ersten Strömungskanal 43 mit einer ersten Fluidzuleitung 44 und einer ersten Fluidableitung 45 auf, der in dem Kathodenversorgungspfad (= erster Strömungspfad) 31 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 angeordnet ist. Der Befeuchter weist ferner eine wasserdurchlässige Membran 46 auf, die den ersten Strömungskanal 43 von einem zweiten Strömungskanal 47 trennt, der eine zweite Fluidzuleitung 48 und eine zweite Fluidableitung 49 aufweist und der in dem Kathodenabgaspfad (= zweiter Strömungspfad) 32 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 angeordnet ist.
  • Im Folgenden wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 kurz erläutert.
  • 3 stellt das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausgestaltung als Entscheidungsdiagramm dar. In dieser Ausgestaltungsform ist das Verfahren im Abstellvorgang des Brennstoffzellensystems implementiert. Es wird gemäß Verfahrensschritt I geprüft, ob eine Frostvorkonditionierung erforderlich ist. Dies kann im Abstellvorgang routinemäßig der Fall sein oder beispielsweise erst nach Ablauf einer vordefinierten Zahl von Betriebsstunden. Im Verfahrensschritt II erfolgt die Messung des aktuellen Leckagestroms im Befeuchter 40. Der gemessene Wert wird im Verfahrensschritt III durch eine Korrelation mit Referenzdaten einem Flüssigwassergehalt φ im Befeuchter 40 zugeordnet. Der gemessene tatsächliche Flüssigwassergehalt φ also der Gehalt flüssigen Wassers im Befeuchter, wird dann mit einem zulässigen Gehalt flüssigen Wassers φMax im Befeuchter verglichen, was dem Verfahrensschritt IV entspricht. Es wird entschieden (V) ob der tatsächliche Flüssigwassergehalt φ höher ist als der zulässige maximale Flüssigwassergehalt φMax. Ist dies der Fall, erfolgt die Durchführung einer Trocknungsprozedur, beispielsweise durch ausblasen der Feuchtigkeit im Verfahrensschritt VI. Ist der Flüssigwassergehalt φ kleiner als der definierte maximale Flüssigwassergehalt φMax, wird der Abestellvorgang beendet und das Brennstoffzellensystem deaktiviert (VII). Alternativ oder zusätzlich werden die Verfahrensschritte II-VI nicht im Abstellvorgang sondern in einem vordefinierten Intervall, also nach einer bestimmten Betriebsdauer des Befeuchter und/oder des Brennstoffzellensystems und/oder in Abhängigkeit anderer Konditionierungsprozesse, wie beispielsweise kurz vor einem erwarteten Einfriervorgang, durchgeführt.
  • Der Leckagestrom wird beispielsweise als Differenzdruck über die Befeuchtungströmungspfade des zu befeuchtenden und/oder des feuchten Gasstroms gemessen oder aber durch das anhand der 1 und 2 nachfolgend beschriebene Verfahren.
  • Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird der in 2 dargestellte Befeuchter von zu befeuchtendem Kathodenbetriebsmittel mit dem Massestrom ṁ1 durchströmt, das stromaufwärts des Befeuchters 40 einen Druck p'1 , eine Temperatur T'1 und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ'1 aufweist und stromabwärts des Befeuchters einen Druck p"1 , eine Temperatur T"1 und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ“1 aufweist. Zudem wird der Befeuchter 40 im Gegenstrom von feuchtem Kathodenbetriebsmittel mit dem Massestrom ṁ2 durchströmt, das stromaufwärts des Befeuchters 40 einen Druck p'2 , eine Temperatur T'2 und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ'2 aufweist und stromabwärts des Befeuchters einen Druck p"2 , eine Temperatur T"2 und einen Feuchtigkeitsgehalt ϕ"2 aufweist. In dem Befeuchter erfolgt ein Übergang von Wasser mit einem Massestrom ṁ̇H2O von dem feuchten auf das zu befeuchtende Betriebsmittel.
  • Zudem strömt in Abhängigkeit der Betriebsdauer beziehungsweise des Alterungszustandes des Befeuchters 40 und in Abhängigkeit eines Überdrucks in dem ersten Strömungskanal 43 zu dem zweiten Strömungskanal 47 trockenes Kathodenbetriebsmittel mit dem Leckagestrom ṁLEAK über die wasserdurchlässige Membran in den zweiten Strömungskanal 47. Das Verfahren dient dem Bestimmen von ṁLEAK für zumindest einen bestimmten Überdruck zwischen erstem und zweitem Strömungskanal 43, 47.
  • In einem ersten Schritt des bevorzugten Verfahrens zur Bestimmung des Leckagestroms werden das erste Absperrmittel 61 und das zweite Absperrmittel 62 geschlossen. Die Absperrmittel 61, 62 sind bevorzugt als regelbare Klappen ausgebildet. Anschließend wird mittels des Verdichters 33 ein erster Kathodenbetriebsmittelstrom in dem Kathodenversorgungspfad 31 eingestellt. Um genaue Kenntnis über den tatsächlich in dem Kathodenversorgungspfad strömenden ersten Kathodenbetriebsmittelstrom zu erhalten, wird dieser mittels des ersten Luftmassenmessers 51 erfasst. Aufgrund des vom Verdichter 33 geförderten ersten Kathodenbetriebsmittelstroms stellt sich ein bestimmter Überdruck von dem Kathodenbetriebsmittelpfad 31 zu dem Kathodenabgaspfad 32 und somit von dem ersten Strömungskanal 43 zu dem zweiten Strömungskanal 47 des Befeuchters 40 ein.
  • Aufgrund des bestimmten Überdrucks strömt ein zweiter Kathodenbetriebsmittelstrom durch die Wastegateleitung 37 und das geöffnete Wastegateventil 38 von dem Kathodenversorgungspfad 31 zu dem Kathodenabgaspfad 32. Dieser zweite Kathodenbetriebsmittelstrom wird mittels des zweiten Luftmassenmessers 52 erfasst. Zudem strömt ein Leckagestrom ṁLEAK wie oben beschrieben in den Befeuchter 40. Da die Absperrmittel 61, 62 geschlossen sind und die Wastegateleitung 37 und der Befeuchter 40 die einzigen fluidführenden Verbindungen zwischen dem Kathodenversorgungspfad und dem Kathodenabgaspfad darstellen, entspricht der Leckagestrom ṁLEAK der Differenz aus dem ersten und zweiten Kathodenbetriebsmittelstrom und kann als diese bestimmt werden. Der bestimmte Leckagestrom kann genutzt werden, um eine aktuelle Übertragungseffizienz des Befeuchters 40 anhand einer Referenzalterungsfunktion zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann der Leckagestrom ṁLEAK dafür genutzt werden, das in [1] veröffentlichte Stofftransportmodell anzupassen.
  • Der Flüssigwassergehalt im Befeuchter beeinflusst das Strömungsverhalten der durchtretenden Gase. Ein hoher Anteil an Flüssigwasser bildet eine Zweiphasenströmung mit erhöhten Druckverlusten aus beispielsweise aufgrund der gestiegenen Strömungswiderstände im Vergleich zu einem „trockenen“ Befeuchterströmungsfeld. Dieser Zusammenhang wirkt sich auch auf den Leckagemassenstrom des Befeuchters aus, der bei zunehmender Flüssigwassermenge innerhalb des Befeuchters reduziert wird. Eine Messung des Leckagemassenstroms von Hoch- zu Niederdruckseite ermöglicht damit eine indirekte Messung des Flüssigwassergehalts im Befeuchterströmungsfeld.
  • Komponentenversuche können die Datengrundlage bieten, welche exakte Menge an Flüssigwasser zu einer Schädigung der Komponente beim Einfriervorgang führt. Anhand dieser Messungen kann die notwendige Korrelation zum Leckagemassenstrom des Befeuchters (III) erstellt werden und diese im Betrieb des Brennstoffzellensystems auf dem Steuersystem mit dem aktuell gemessenen Leckagemassenstrom verglichen werden (IV). Sofern dieser Abgleich einen potentiell zu hohen Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters ergibt, wird der Austrag von Flüssigwasser aus der Komponente innerhalb der dafür vorgesehenen Art und Weise der Betriebsstrategie fortgesetzt beziehungsweise verlängert (VI). Dadurch ist auch die Anwendung der Erfindung innerhalb des Fahrzeugbetriebs ersichtlich, z.B. innerhalb des Abstellvorgangs oder u.U. in einer speziellen Konditionierung des Brennstoffzellensystems kurz vor dem tatsächlichen Einfriervorgang (beispielsweise durch einen autonomen Zustand im abgestellten Fahrzeug). Sofern der Flüssigwassergehalt φ, gemessen anhand der vorgestellten Methode, den kritischen Wert φmax nicht überschreitet, muss keine zusätzliche Konditionierung erfolgen, beziehungsweise letztere kann beendet werden. Dadurch ergibt sich gegenüber einer lediglich zeitabhängigen Applikation dieser Einfrier-vorkonditionierung der Vorteil eines reduzierten Zeitbedarfs sowie einer Minimierung der parasitären Leistung.
  • Dies wird vor allem dadurch deutlich, dass der Flüssigwassergehalt des Befeuchters beim Abstellen des Fahrzeugs stets verschieden ist und von dem zuvor abgefahrenen Lastprofil, den Umgebungsbedingungen, der Neigungen und Beschleunigungen im Fahrzeug und auch durch Alterungseffekte, wie Ablagerungen in Schläuchen und Komponenten, beeinflusst wird. Gegen diese und alle weiteren denkbaren Einflussfaktoren auf den Flüssigwassergehalt innerhalb des Befeuchters ist der vorgestellte Ansatz robust, da eine Messung im jeweils vorliegenden Fahrzeugzustand erfolgt und der Abgleich zur Einfrierfähigkeit des Befeuchters darauf basiert. Das garantiert auch den Komponentenschutz des Befeuchters.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzellensystem
    10
    Brennstoffzellenstapel
    11
    Einzelzelle
    12
    Anodenraum
    13
    Kathodenraum
    14
    Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
    15
    Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
    20
    Anodenversorgung
    21
    Anodenversorgungspfad
    22
    Anodenabgaspfad
    23
    Brennstofftank
    24
    Stellmittel
    25
    Brennstoffrezirkulationsleitung
    26
    Rezirkulationsfördereinrichtung
    30
    Kathodenversorgung
    31
    Kathodenversorgungspfad (erster Strömungspfad)
    32
    Kathodenabgaspfad (zweiter Strömungspfad)
    33
    Verdichter
    34
    Elektromotor
    35
    Leistungselektronik
    36
    Turbine
    37
    Wastegate-Leitung
    38
    Wastegateventil
    40
    Befeuchter
    41
    Bypassleitung
    42
    Bypassventil
    43
    erster Strömungskanal
    44
    erste Fluidzuleitung
    45
    erste Fluidableitung
    46
    wasserdurchlässige Membran
    47
    zweiter Strömungskanal
    48
    zweite Fluidzuleitung
    49
    zweite Fluidableitung
    51
    erster Luftmassenmesser
    52
    zweiter Luftmassenmesser
    61
    erstes Absperrmittel
    62
    zweites Absperrmittel

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Befeuchtungssystems für ein Brennstoffzellensystem (100), wobei das Befeuchtungssystem einen Befeuchter (40) aufweist, der zum Übertragen von Feuchtigkeit von einem durch einen zweiten Strömungspfad (32) strömenden Fluidstrom auf einen durch einen ersten Strömungspfad (31) strömenden Fluidstrom eingerichtet ist, wobei ein Gehalt an flüssigem Wasser im Befeuchter (40) durch die Messung eines Leckagestroms bestimmt wird und der Leckagestrom ein vom durch den ersten Strömungspfad (31) strömenden Fluidstrom auf einen durch den zweiten Strömungspfad (32) geströmter Fluidstrom ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befeuchtungssystem zusätzlich Drucksensoren aufweist, die stromauf- und stromab im ersten und/oder zweiten Strömungspfad (31, 32) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagestrom über eine Differenz zwischen stromauf- und stromab des Befeuchters (40) gemessenen Drücken bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagestrom mit einem Verfahren bestimmt wird, das die Schritte aufweist: Verbinden des ersten Strömungspfads (31) und des zweiten Strömungspfads (32) über den Befeuchter (40) und zumindest einen dritten Strömungspfad (37); Einstellen eines ersten Fluidstroms und eines bestimmten Überdrucks zu dem zweiten Strömungspfad (32) in dem ersten Strömungspfad (31); Erfassen oder Ermitteln des ersten Fluidstroms in dem ersten Strömungspfad (31); Erfassen oder Ermitteln zumindest eines zweiten Fluidstroms durch den zumindest einen dritten Strömungspfad (37) und Ermitteln des Leckagestroms als Differenz des ersten Fluidstroms und des zumindest einen zweiten Fluidstroms.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtungssystem ferner ein Steuersystem aufweist, welches eingerichtet ist, Messsignale aus dem Befeuchtungssystem und/oder einem mit diesem verbundenen Brennstoffzellensystem (100) zu empfangen und in deren Abhängigkeit die Durchführung des Verfahrens auszulösen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einer definierten Anzahl von Betriebsstunden ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Teil eines Abstellvorgangs des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, insbesondere innerhalb eines definierten Zeitabstands, vor einem Einfriervorgang des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Überschreiten eines definierten maximalen Gehalts von Wasser im Befeuchter (40) durchgeführt wird.
  9. Kraftfahrzeug aufweisend ein Befeuchtungssystem, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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