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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig in seiner Luftversorgungsleitung einen Verdichter, einen die Luftversorgungsleitung stromab des Verdichters mit einer Kathodenabgasleitung verbinden-den Systembypass mit einem Bypassventil, ein in der Luftversorgungsleitung stromab des Systembypasses angeordnetes erstes Absperrventil und ein in der Kathodenabgasleitung stromauf des Systembypass angeordnetes zweites Absperrventil aufweist, wobei in der Luftversorgungsleitung stromauf des Systembypasses ein erster Luftmassensensor und in dem Systembypass ein zweiter Luftmassensensor angeordnet ist, umfassend die Schritte des Schließens des ersten Absperrventils und des zweiten Absperrventils, des Erfassens des Luftstromes durch den ersten Luftmassensensor und durch den zweiten Luftmassensensor und Vergleich der Messdaten des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit der Überprüfung auf Konsistenz. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Daher wird ein Befeuchter genutzt, der bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirkt, indem die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft an einer für Wasserdampf durchlässigen Befeuchtermembran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.
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Bei Brennstoffzellenvorrichtung mit dem vorstehend genannten Aufbau werden die Messdaten der Luftmassensensoren ausgelesen und verarbeitet, um daraus die Größe des dem Brennstoffzellenstapels zugeführten Luftmassenstromes bestimmen zu können. Dies ist bedeutsam für den kontrollierten Ablauf der elektrochemischen Reaktion mit der erforderlichen Bereitstellung der an der Reaktion beteiligten Reaktanten in dem gewünschten stöchiometrischen Verhältnis. Allerdings können aufgrund von Toleranzen in der Fertigung der Luftmassensensoren und Veränderungen von deren Verhalten mit zunehmender Alterung während ihrer Laufzeit die Messdaten verfälscht werden, was dazu führen kann, dass der dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luftmassenstrom und der den Systembypass nutzende Luftmassenstrom falsch bestimmt wird. Dies führt zu ungewollten Systemzuständen mit der Wahl falscher Betriebspunkte, was die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung beeinträchtigt und diese sogar schädigen kann.
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In der
DE 10 2011 118 689 A1 ist ein Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem beschrieben, das bereits während der Montage ausgeführt wird unter anderem beinhaltet, die Luftfördereinrichtung kurzzeitig zu betreiben, wobei mit Hilfe eines Luftmassensensors und mehreren Drucksensoren bei verschiedenen Stellungen von Drosselklappen Werte für den Luftmassenstrom und den Druck erfasst und mit Vorgabewerten verglichen werden.
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Die
DE 10 2012 018 102 A1 schlägt vor, bei einem Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzellen durch eine regelbare Luftfördereinrichtung einen Luftmassenstrom zu erzeugen, der durch einen Luftmassensensor erfasst wird. Für eine in Strömungsrichtung von dem Luftmassensensor liegende Stelle erfolgt eine rechnerische Abschätzung des dort vorliegenden Luftmassenstromes, um den Einsatz weiterer Luftmassensensoren vermeiden zu können. Auch ist die Möglichkeit offenbart, an dem Ort der rechnerischen Abschätzung einen weiteren Luftmassensensor zu positionieren und dessen Messwert mit dem Schätzwert zu vergleichen zur Funktionsüberwachung. Die Verwendung zweier voneinander beabstandeter Luftmassensensoren ist auch in
DE 10 2012 018 101 A1 erläutert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die vorstehend genannten Nachteile gemildert oder sogar beseitigt werden können. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das eingangs genannte Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in der gewählten Konfiguration der durch den Verdichter generierte Luftmassenstrom nacheinander ohne Veränderungen beide Luftmassensensoren durchströmen muss und damit Veränderungen der Messdaten mit einer Drift über die Laufzeit erkannt werden können. Somit kann die Alterung der Luftmassensensoren mit einer Änderungen ihres Verhaltens erkannt werden.
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Bevorzugt ist dabei, wenn nach der Startanforderung für die Betriebsaufnahme der Brennstoffzellenvorrichtung die Testmessung durchgeführt und anschließend die Startprozedur fortgesetzt wird, da so bei einem klar definierten Ausgangszustand ohne Einfluss auf den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung die Testmessung durchgeführt werden kann, die nicht zeitaufwändig ist und daher die Startprozedur für den Nutzer nur unwesentlich verzögert.
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Alternativ oder auch ergänzend besteht auch die Möglichkeit, dass die Testmessung beim Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt wird, wenn die Betriebssituation das zeitweilige Schließen des ersten Absperrventils und des zweiten Absperrventils ermöglicht. Eine derartige Betriebssituation ist insbesondere in einem Start-Stopp-Betrieb gegeben, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung keine Leistung abgeben muss.
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Von Vorteil ist weiterhin, wenn ein Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung hinterlegt ist, und die Messdaten des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit dem Referenzwert abgeglichen und korrigiert werden. Damit ist die Möglichkeit gegeben, dass nicht nur eine Abweichung zwischen den Messdaten der Luftmassensensoren oder eine Drift über die Laufzeit erkannt werden kann, sondern auch eine Korrektur erfolgen kann, also während der Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung erneute Kalibrierungen der Luftmassensensoren möglich sind, um die gemäß der Korrekturen neu erlernten Daten für den weiteren Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung zu nutzen.
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Bevorzugt ist weiterhin, wenn der Abgleich und die Korrektur über den gesamten Betriebsbereich des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit unterschiedlichen Verdichterleistungen und daraus resultierenden Luftmassenströmen durchgeführt wird, um eine verbesserte Kontrolle zu erlangen.
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Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen des Verfahrens mit seinen Varianten gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig in seiner Luftversorgungsleitung einen Verdichter, einen die Luftversorgungsleitung stromab des Verdichters mit einer Kathodenabgasleitung verbinden Systembypass mit einem Bypassventil, ein in der Luftversorgungsleitung stromab des Systembypasses angeordnetes erstes Absperrventil und ein in der Kathodenabgasleitung stromauf des Systembypass angeordnetes zweites Absperrventil aufweist, wobei in der Luftversorgungsleitung stromauf des System bypasses ein erster Luftmassensensor und in dem Systembypass ein zweiter Luftmassensensor angeordnet ist, und mit einem Steuergerät, das eingerichtet ist zur Durchführung eines der vorstehend genannten Verfahren und eine Speichereinheit für den jeweiligen Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung aufweist, wobei der erste Luftmassensensor stromauf des Verdichters und der zweite Luftmassensensor in dem Systembypass stromab des Bypassventils und stromauf der Einmündung des System bypasses in die Kathodenabgasleitung angeordnet sind. Die sinngemäße Geltung bezieht sich auch auf ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des kathodenseitigen Aufbaus einer Brennstoffzellenvorrichtung, und
- 2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Einbindung des Verfahrens in die Startprozedur einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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In der 1 ist schematisch der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine in der 1 dargestellte Kathode 2 sowie eine die Anode von der Kathode 2 trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden 2 kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode 2 hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode 2 oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Über einen Kathodenraum kann der Kathode 2 das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Da in dem Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem, in der Zeichnung nicht dargestellten, dem Verdichter 3 nachgelagerten Befeuchter, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
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Für die Einstellung der gewünschten stöchiometrischen Verhältnisse der Reaktanten bei unterschiedlichen Betriebszuständen und Betriebspunkten ist eine ausreichende Kontrolle über den Luftmassenstrom gewünscht. Dazu ist der Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung 1 kathodenseitig gewählt mit einer Luftversorgungsleitung 4 mit dem Verdichter 3, mit einem die Luftversorgungsleitung 4 stromab des Verdichters 3 mit einer Kathodenabgasleitung 5 verbindenden Systembypass 6 mit einem Bypassventil 7, mit einem in der Luftversorgungsleitung 4 stromab des Systembypasses 6 angeordneten ersten Absperrventil 8 und einem in der Kathodenabgasleitung 5 stromauf des Systembypass 6 angeordneten zweiten Absperrventil 9. Weiterhin ist in der Luftversorgungsleitung 4 stromauf des System bypasses 6 ein erster Luftmassensensor 10 und in dem Systembypass 6 ein zweiter Luftmassensensor 11 angeordnet. Bei diesem Aufbau besteht die Möglichkeit, ein Verfahren mit einer Testmessung durchzuführen, umfassend die Schritte des Schließens 13 des ersten Absperrventils 8 und des zweiten Absperrventils 9, bei Offenhaltung des Bypassventils 7, des Erfassens 14 des vom Verdichter 3 generierten Luftstromes durch den ersten Luftmassensensor 10 und durch den zweiten Luftmassensensor 11 und Vergleich der Messdaten des ersten Luftmassensensors und des zweiten Luftmassensensors mit der Überprüfung auf Konsistenz. In dieser Konfiguration der Brennstoffzellenvorrichtung 1 muss der gesamte durch den Verdichter 3 bereit gestellte Luftmassenstrom zunächst den ersten Luftmassensensor 10 und sodann den zweiten Luftmassensensor 11 durchströmen, so dass zum Einem die Förderleistung des Verdichters 3 kontrolliert und abgeglichen werden kann und auch eine Kontrolle möglich ist, ob beide Luftmassensensoren 10, 11 die gleichen Messdaten anzeigen.
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Um diese Testmessung möglichst ohne Störung des Nutzers durchführen zu können, wird nach der Startanforderung 12 für die Betriebsaufnahme der Brennstoffzellenvorrichtung 1 die Testmessung durchgeführt und anschließend die Startprozedur mit dem Schritt 17 fortgesetzt. Der Betrieb 18 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird also nicht beeinträchtigt.
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Es ist aber nicht zwingend, dass die Testmessung nur auf den Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1 beschränkt ist. Vielmehr ist beim Betrieb 18 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 die Durchführung gleichfalls möglich, wenn die Betriebssituation das zeitweilige Schließen des ersten Absperrventils 8 und des zweiten Absperrventils 9 ermöglicht, wie dies insbesondere bei einem Start-Stopp-Betrieb der Fall ist. Auch ist die Testmessung für den Nutzer nicht störend.
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Es ist ein Referenzwert für den Luftmassenstrom bei gegebener Verdichterleistung in einem zur Durchführung des Verfahrens eingerichteten Steuergerät in einer Speichereinheit hinterlegt, wobei die Messdaten des ersten Luftmassensensors 10 und des zweiten Luftmassensensors 11 mit dem Referenzwert in einem Verfahrensschritt 16 abgeglichen und korrigiert werden, um die gemäß der Korrekturen neu erlernten Daten für den weiteren Betrieb 18 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 zu nutzen. Dabei wird optional der Abgleich und die Korrektur über den gesamten Betriebsbereich des ersten Luftmassensensors 10 und des zweiten Luftmassensensors 11 mit unterschiedlichen Leistungen des Verdichters 3 und daraus resultierenden Luftmassenströmen durchgeführt.
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Bei der in 1 gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung 1 sind der erste Luftmassensensor 10 stromauf des Verdichters 3 und der zweite Luftmassensensor 11 in dem Systembypass 6 stromab des Bypassventils 7 und stromauf der Einmündung des Systembypasses 6 in die Kathodenabgasleitung 5 angeordnet. Diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist besonders zur Nutzung in einem Kraftfahrzeug geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Kathode
- 3
- Verdichter
- 4
- Luftversorgungsleitung
- 5
- Kathodenabgasleitung
- 6
- System bypass
- 7
- Bypassventil
- 8
- Erstes Absperrventil
- 9
- Zweites Absperrventil
- 10
- Erster Luftmassensensor
- 11
- Zweiter Luftmassensensor
- 12
- Startanforderung
- 13
- Schließen von 8 und 9
- 14
- Generierung Luftmassenstrom durch 3
- 15
- Vergleich der Messdaten von 8 und 9
- 16
- Adaptation von 10 und 11
- 17
- Fortsetzung der Startprozedur
- 18
- Betrieb
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011118689 A1 [0005]
- DE 102012018102 A1 [0006]
- DE 102012018101 A1 [0006]
