DE102020124075A1

DE102020124075A1 - Bestimmung des Membranwiderstands einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102020124075A1
Application number: DE102020124075.9A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Thomas Wisniewski
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Membranwiderstandes einer Brennstoffzelle durch Impedanz-Spektroskopie.

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Membranwiderstands einer Brennstoffzelle durch Impedanz-Spektroskopie.
Die Impedanz -Spektroskopie wird verwendet um Brennstoffzellensysteme in ihren Eigenschaften zu untersuchen. In Laborsystemen werden hierzu hochwertige Impedanz-Messgeräte verwendet, die hohe Frequenzen des aufzumodulierenden Messsignals erlauben. Mittels entsprechend hoher Frequenzen lässt sich der Membranwiderstand der Brennstoffzelle direkt bestimmen. In geschlossenen Brennstoffzellensystemen, wie sie in einem Fahrzeug verwendet werden, ist dagegen in der Regel eine kostengünstige Impedanz-Messeinheit verbaut, die nur in einem eingeschränkten Frequenzbereich messen kann. Eine Messung mit integrierter Impedanz-Messeinheit mit zu niedriger maximaler Frequenz ergibt jedoch zu ungenaue Messwerte, die bis zu 10% von den tatsächlichen Werten abweichen können. Auf der Basis einer solchen Schwankung ist die Bestimmung eines Membranwiderstands R_PEM(T, rF) der Brennstoffzelle mit einer zu großen Unsicherheit verbunden. Zudem müssen eventuell viele Frequenzen eingestellt werden, da vorab nicht bekannt ist, wo die Ortskurve vom idealen bzw. gewünschten Verlauf abweicht.
Die EP 3 285 322 A1 betrifft ein Verfahren zum Bestimmen kritischer Betriebszustände in einem Brennstoffzellenstapel, der aus in Reihe geschalteten Einzelzellen besteht, wobei ein niederfrequentes Strom- oder Spannungssignal an den Brennstoffzellenstapel angelegt. das resultierende Spannungs- oder Stromsignal gemessen und der Klirrfaktor thd bestimmt wird. Die gewichtete Summe eines vom Membranwiderstand R_m abhängigen Terms und eines vom Klirrfaktor thd abhängigen Terms wird verwendet, um einen Indikator THDA_dryout zu bestimmen, der mit dem Austrocknen der Brennstoffzellenmembranen des Brennstoffzellenstapels korreliert. Der Membranwiderstand R_m wird durch Impedanzmessung erfasst.
Die DE 10 2014 224 290 A1 offenbart ein Verfahren zum Messen einer Impedanz einer Brennstoffzeile, bei dem mittels einer Steuereinrichtung ein Strom einer zugehörigen Welle in die Brennstoffzelle eingespeist wird; durch die Steuereinrichtung, eine Spannung als Antwort von der Brennstoffzelle auf den Strom der zugehörigen Welle empfangen wird; und mittels der Steuereinrichtung eine Impedanz der Brennstoffzelle unter Verwendung des Stroms der zugehörigen Welle und der Antwortspannung gemessen wird, wobei die zugehörige Welle eine nicht-sinusförmige periodische Welle ist.
Aus der DE 10 2018 107 175 A1 geht ein Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalts in einer Brennstoffzelle hervor, bei dem ein Messfehler des Wassergehalts von einer Phasendifferenz einer niedrigen Frequenz abhängt. Die Niederfrequenz ist eine niedrigere von zwei Frequenzen in einem Wechselstromsignal, das zur Berechnung einer Impedanz einer Zelle verwendet wird. Die Phasendifferenz ist eine Differenz zwischen einer Phase eines Stromwerts eines Wechselstromsignals, das an einen Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und einer Phase eines Spannungswerts des Ausgangsstroms. Der berechnete Wert des Wassergehalts wird nicht verwendet, wenn die Phasendifferenz der Niederfrequenz anzeigt, dass der Messfehler stark schwanken kann.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Membranwiderstandes einer Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die auch bei Verwendung einer Impedanz-Messeinheit, deren Messfrequenzbereich eingeschränkt ist, eine genaue Bestimmung des Membranwiderstandes ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung des Membranwiderstands R_PEM einer Brennstoffzelle. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung soll der Begriff „Brennstoffzelle“ sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch einen Brennstoffzellenstapel („Stack“), der eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen umfasst, mit einschließen. In der Regel umfassen in Kraftfahrzeugen eingesetzte Brennstoffzellensysteme mindestens einen Brennstoffzellenstapel.
Erfindungsgemäß wird die Impedanz Z_FC(ω) der Brennstoffzelle bei mindestens drei Messfrequenzen ω₁, ω₂, und ω₃ gemessen, wobei ω₁ im Bereich von 0,1 bis 10 Hz, ω₂ im Bereich >10 Hz bis <1000 Hz und ω₃ im Bereich von 1 kHz bis 6 kHz liegen. Aus den erhaltenen Messwerten wird die Ortskurve der Impedanz Z_FC(ω) interpoliert. Anschließend wird der Membranwiderstand R_PEM als Grenzwert von Z_FC(ω) für ω→∞ bestimmt. Dieser Grenzwert wird auch als High Frequency Resistance (HFR) bezeichnet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus dem erhaltenen Membranwiderstand R_PEM eine mittlere relative Feuchte rF der Polymerelektrolytmembran (PEM) der Brennstoffzelle ermittelt. In einer Ausführungsform gehen in die Ermittlung neben der HFR auch bei anderen Frequenzen bestimmte Widerstandswerte ein. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird aus dem erhaltenen Membranwiderstand R_PEM ein aktueller Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ermittelt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Impedanz Z_FC(ω) der Brennstoffzelle bei mindestens drei Messfrequenzen ω₁, ω₂, und ω₃ gemessen. In einer Ausführungsform erfolgen die Messungen im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems. In einer weiteren Ausführungsform erfolgen die Messungen über eine integrierte Impedanz-Messeinheit mit eingeschränktem Messfrequenzbereich. In einer Ausführungsform ist der Messfrequenzbereich auf einen Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 6 kHz eingeschränkt, in einer weiteren Ausführungsform auf einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 4 kHz. Die Impedanz-Messeinheit kann beispielsweise im Brennstoffzellenwandler integriert sein.
Eine erste Messfrequenz ω₁ liegt in einem Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 0,5 Hz bis 5 Hz, z.B. bei 1 Hz. Eine zweite Messfrequenz ω₂ liegt in einem Bereich >10 Hz bis <1000 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 15 bis 100 Hz, z.B. bei 20 Hz. Eine dritte Messfrequenz ω₃ liegt in einem Bereich von 1 kHz bis 6 kHz, beispielsweise in einem Bereich von 2 bis 5 kHz, z.B. bei 4 kHz.
In einer Ausführungsform wird die Messung dauerhaft ausgeführt, wobei von Zeit zu Zeit zwischen den Messfrequenzen umgeschaltet wird. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens werden die Messungen periodisch wiederholt. In einer Ausführungsform beträgt die Zeitdauer zwischen zwei Messungen von 1 Sekunde bis 300 Sekunden, beispielsweise von 5 Sekunden bis 120 Sekunden, oder von 10 Sekunden bis 60 Sekunden. Dabei kann die Reihenfolge der Messfrequenzen auch variiert werden. In einer Ausführungsform variiert auch die Häufigkeit der Messungen bei den einzelnen Messfrequenzen. Da die Veränderungen der Ortskurve bei höheren Messfrequenzen weniger stark ausfallen, ist es beispielsweise möglich, weniger häufig bei der dritten Messfrequenz ω₃ zu messen als bei Messfrequenz ω₂ und insbesondere Messfrequenz ω₁.
Außerdem kann die Reihenfolge der Messungen je nach erwartetem Betriebszustand der Brennstoffzelle variiert werden, wobei zuerst bei der jeweils wichtigsten Frequenz gemessen wird und die weiteren Frequenzen erst danach nach Priorität eingestellt und die Messungen bei diesen Frequenzen durchgeführt werden. Beispielsweise droht bei niedriger Temperatur eher eine Flutung der Brennstoffzelle, die sich am deutlichsten an der Impedanz bei der Messfrequenz ω₁ erkennen lässt. Daher sollte vorrangig bei dieser Messfrequenz gemessen werden. Bei niedriger Belastung der Brennstoffzelle wird wenig Wasser produziert und es ist eine niedrige relative Feuchte zu erwarten. Ein Austrocknen der Membran lässt sich am deutlichsten an der Impedanz bei der Messfrequenz ω₃ erkennen.
Bei sehr niedriger Belastung der Brennstoffzelle bzw. sehr geringen Strömen kann es sinnvoll sein, die Amplitude des Messsignals zu reduzieren, um zu verhindern, dass in der Brennstoffzelle negative Stromamplituden auftreten bzw. die Kurvenform des Messsignals verzerrt wird.
Aus den erhaltenen Messwerten wird die Ortskurve der Impedanz Z_FC(ω) interpoliert. Die Interpolation erfolgt auf der Grundlage einer vorab ermittelten Referenzkurve bzw. einer Schar von Referenzkurven.
Die Referenzkurve entspricht der Formel $Z_{F C} (ω) = R_{P E M} + R_{C A} * \frac{t a n h {(j ω τ)}^{n}}{{(j ω τ)}^{n}} + \frac{R_{T r a n s}}{{(j ω)}^{n} * R_{T r a n s} * C_{T r a n s}}$
In der Formel repräsentiert der erste Term den Membranwiderstand (den Beitrag der Polymerelektrolytmembran) der Brennstoffzelle, der zweite Term die auf Diffusionsvorgänge zurückgehende Warburg-Impedanz der Brennstoffzelle, und der dritte Term den Beitrag des Ionentransports in der Brennstoffzelle.
Es bedeuten

RPEM: den ohmschen Widerstand der Polymerelektrolytmembran (PEM) der Brennstoffzelle,
RCA: den ohmschen Widerstand der Kathode der Brennstoffzelle,
τ: die Zeitkonstante der Reaktion,
RTrans: einen auf den Ionentransfer zurückgehenden ohmschen Widerstand,
CTrans: einen auf den Ionentransfer zurückgehenden kapazitiven Widerstand.

Der Exponent n hat den Wert 3. Durch Variation des Exponenten n lässt sich die Referenzkurve zusätzlich an die am realen System gemessenen Impedanz-Ortskurven anpassen.
Die Parameter der Referenzkurve für die Brennstoffzelle lassen sich empirisch bestimmen über eine vor Einbau der Brennstoffzelle einmalig im Labor durchgeführte Impedanzspektroskopie. In einer Ausführungsform wird lediglich für ein Exemplar eines Modells oder einer Baureihe von Brennstoffzellen eine Referenzkurve ermittelt, die dann für alle Exemplare dieses Modells oder dieser Baureihe verwendet wird.
In einer Ausführungsform wird eine Schar von Referenzkurven für unterschiedliche Werte relativer Feuchte rF in der Brennstoffzelle ermittelt. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Schar von Referenzkurven für unterschiedliche von der Brennstoffzelle abgegebene Stromstärken, d.h. unterschiedliche Lastbereiche der Brennstoffzelle ermittelt.
Auf Grundlage der Referenzkurve(n) lässt sich mit den erhaltenen Messwerten die Ortskurve der Impedanz Z_FC(ω) ermitteln. Somit ist es möglich, mit nur wenigen Messpunkten die Ortskurve zu bestimmen und damit sehr schnell ein Ergebnis zu bekommen.
Anschließend wird der Membranwiderstand R_PEM als Grenzwert von Z_FC(ω) für ω→∞ bestimmt. Es kann also durch eine effiziente Messung mit mindestens drei Messwerten der Membranwiderstand der Brennstoffzelle im laufenden Betrieb mit geringer Abweichung ermittelt werden.
Aus R_PEM lässt sich auch die Feuchte bestimmen, die tatsächlich im System im Mittel gegeben ist. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird aus dem erhaltenen Membranwiderstand R_PEM eine mittlere relative Feuchte rF der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle ermittelt. Der Membranwiderstand R_PEM ist eine monoton fallende Funktion der relativen Feuchte rF. Je höher die relative Feuchte ist, desto geringer wird der Membranwiderstand R_PEM. Da die Steigung der Funktion relativ groß ist, lässt sich die relative Feuchte rF mit guter Genauigkeit bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird aus dem erhaltenen Membranwiderstand R_PEM ein aktueller Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ermittelt. Der Wirkungsgrad nimmt mit steigendem Membranwiderstand ab, da mehr Verlustwärme erzeugt wird. Durch intelligente Nachregelung der Eingangsfeuchte vor dem Brennstoffzellenstapel lässt sich der Feuchtegrad im Brennstoffzellensystem im laufenden Betrieb optimieren. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems um bis zu 2% erhöhen.
Insgesamt ergibt sich also mit der einfachen erfindungsgemäßen Methode eine Indikation für den aktuellen Wirkungsgrad und den Feuchtehaushalt der Brennstoffzelle.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Ermittlung des Membranwiderstands R_PEM einer in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Brennstoffzelle. Die Vorrichtung ermöglicht die Ermittlung des Membranwiderstands R_PEM bei laufendem Betrieb des Brennstoffzellensystems. Die Vorrichtung ist dafür eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Impedanz-Messeinheit mit eingeschränktem Messfrequenzbereich. In einer Ausführungsform erstreckt sich der Messfrequenzbereich von 0,1 Hz bis 6 kHz In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Messfrequenzbereich von 1 Hz bis 4 kHz. In einer anderen Ausführungsform ist die Impedanz-Messeinheit dafür ausgelegt, die Impedanz der Brennstoffzelle mit drei diskreten Messfrequenzen zu messen, von denen eine erste Messfrequenz ω₁ in einem Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 0,5 Hz bis 5 Hz, z.B. bei 1 Hz liegt, eine zweite Messfrequenz ω₂ in einem Bereich >10 Hz bis <1000 Hz, beispielsweise in einem Bereich von 15 bis 100 Hz, z.B. bei 20 Hz liegt, und eine dritte Messfrequenz ω₃ in einem Bereich von 1 kHz bis 6 kHz, beispielsweise in einem Bereich von 2 bis 5 kHz, z.B. bei 4 kHz liegt. In einer Ausführungsform ist die Impedanz-Messeinheit im Brennstoffzellenwandler integriert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst auch eine erste Steuereinheit, die dafür eingerichtet ist, die Messfrequenzen der Impedanz-Messeinheit einzustellen und zwischen verschiedenen Messfrequenzen umzuschalten. In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, periodisch die Messfrequenz zu wechseln. In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, verschiedene Messfrequenzen in einer vorgegebenen Abfolge einzustellen. In einer weiteren Ausführungsform ist die vorgegebene Abfolge von Betriebsparametern der Brennstoffzelle abhängig. Die Betriebsparameter umfassen Temperatur und relative Feuchte in der Brennstoffzelle und von der Brennstoffzelle abgegebene elektrische Leistung bzw. Stromstärke des von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Stroms.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst auch eine Einheit zur Messung der Stromstärke eines von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Stroms. In einer Ausführungsform ist die Strom-Messeinheit im Brennstoffzellenwandler integriert. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einheit zur Messung einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle. In einer Ausführungsform ist die Spannungs-Messeinheit im Brennstoffzellenwandler integriert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst auch eine Recheneinheit, die dafür eingerichtet ist, Messwerte der Impedanz-Messeinheit zu empfangen, aus den Messwerten und einer Referenzkurve eine Ortskurve der Impedanz Z_FC(ω) zu ermitteln, und den Membranwiderstand R_PEM der Brennstoffzelle als Grenzwert von Z_FC(ω) für ω→∞ zu bestimmen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit auch dafür eingerichtet, aus dem Membranwiderstand R_PEM eine mittlere relative Feuchte rF der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle zu ermitteln. In einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit auch dafür eingerichtet, aus dem Membranwiderstand R_PEM einen aktuellen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle abzuleiten.
Die Recheneinheit ist mit einer Speichereinheit verbunden, in der mindestens eine Referenzkurve der Impedanz Z_FC(ω) der Brennstoffzelle hinterlegt ist. In einer Ausführungsform ist in der Speichereinheit eine Schar von Referenzkurven der Impedanz Z_FC(ω) hinterlegt. In einer Ausführungsform umfasst die Schar Referenzkurven für unterschiedliche Werte der relativen Feuchte rF. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schar Referenzkurven für unterschiedliche Werte der Stromstärke des von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Stroms. In einer anderen Ausführungsform ist in der Speichereinheit eine Kennlinie hinterlegt, die die Abhängigkeit der Referenzkurve(n) von der Stromstärke des von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Stroms abbildet. In wieder einer anderen Ausführungsform ist in der Speichereinheit eine Kennlinie hinterlegt, die die Abhängigkeit der Referenzkurve(n) von der relativen Feuchte rF der der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle abbildet.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine zweite Steuereinheit, die dafür eingerichtet ist, die Eingangsfeuchte vor der Brennstoffzelle zu regeln, um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zu optimieren. Die Regelung der Eingangsfeuchte erfolgt auf Grundlage der von der Recheneinheit ermittelten relativen Feuchte rF und des von der Recheneinheit ermittelten Wirkungsgrads.
Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählen die präzise und schnelle Ermittlung des Membranwiderstandes einer Brennstoffzelle mit kostengünstiger Technik und eine schnelle Messung der Membranfeuchte. Zudem liefert sie eine Indikation des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle, die als Basis für eine Optimierung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle durch Anpassung der Feuchte genutzt werden kann. Auch weitere Parameter wie Vergiftung und Degradation der Polymerelektrolytmembran können im laufenden Betrieb bewertet werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:

1 eine Kurvenschar von Referenzkurven der Impedanz einer beispielhaften Brennstoffzelle sowie eine mit drei Messpunkten interpolierte Ortskurve;
2 ein Diagramm eines beispielhaften Verlaufs der Belastung einer Brennstoffzelle über die Zeit;
3 eine Variation der Frequenz der Messung der Impedanz der Brennstoffzelle über die Zeit, die mit dem in 2 dargestellten Lastverlauf korrespondiert;
4 eine beispielhafte Ortskurve der Impedanz einer Brennstoffzelle mit drei eingezeichneten Messpunkten;
5 ein Diagramm der Impedanz einer beispielhaften Brennstoffzelle als Funktion der Messfrequenz, das die Abhängigkeit der Impedanz von verschiedenen Betriebszuständen Zelle illustriert.

1 zeigt eine Kurvenschar von Referenzkurven der Impedanz einer beispielhaften Brennstoffzelle. Gezeigt sind Ortskurven der Impedanz für unterschiedliche relative Feuchte und unterschiedliche Stromstärken. Die Referenzkurven lassen sich empirisch im Labor erhalten, indem unter kontrollierten Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle Impedanzmessungen über einen großen Frequenzbereich durchgeführt werden, der bis zu sehr hohen Messfrequenzen reicht.
In der Abbildung gestrichelt eingezeichnet ist eine mit drei Messpunkten interpolierte Ortskurve, die durch Anpassung der entsprechenden Referenzkurve erhalten wird und es erlaubt, den Parameter R_PEM der Brennstoffzelle zu bestimmen als Grenzwert der Funktion für ω→∞ bzw. als Schnittpunkt der Ortskurve mit der Achse des Realteils der Impedanz.
Die drei Messpunkte werden im laufenden Betrieb der Brennstoffzelle im Fahrzeug ermittelt. Sie entsprechen drei markanten Frequenzen, z.B. 1 Hz, 20 Hz und 4 kHz (von rechts nach links im Diagramm; 4 kHz entspricht dabei der maximalen Frequenz der im Fahrzeug integrierten Messeinheit). Aus dem ermittelten R_PEM lässt sich auch die Feuchte bestimmen, die tatsächlich im System im Mittel gegeben ist. Wie aus 2 ersichtlich, verringert sich R_PEM mit steigender relativer Feuchte.
2 ist ein Diagramm eines beispielhaften Verlaufs der Belastung (abgegebene Leistung P) einer Brennstoffzelle über die Zeit t. Eingezeichnet sind auch ein Bereich niedriger Last A, ein Bereich mittlerer Last B und ein Bereiche hoher Last C. Ein Zeitfenster mit mittlerer Belastung der Brennstoffzelle ist durch senkrechte Linien markiert.
3 zeigt eine Variation der Frequenz der Messung der Impedanz der Brennstoffzelle über die Zeit, die mit dem in 2 dargestellten Lastverlauf korrespondiert. Die Messfrequenz wird zwischen drei Werten variiert. In dem markierten Zeitfenster wird die Impedanz bei allen drei Frequenzen gemessen.
4 zeigt eine beispielhafte Ortskurve der Impedanz einer Brennstoffzelle mit drei eingezeichneten Messpunkten a, b, c. Messpunkt a entspricht einer Messung bei hoher Frequenz, z.B. 4 kHz. Im diesem Bereich der Ortskurve lässt sich ein Austrocknen der Polymerelektrolytmembran besonders gut erkennen. Messpunkt b entspricht einer Messung bei mittlerer Frequenz, z.B. 20 Hz. Messpunkt c entspricht einer Messung bei niedriger Frequenz, z.B. 1 Hz. Im diesem Bereich der Ortskurve lässt sich eine Flutung der Brennstoffzelle besonders gut erkennen.
5 zeigt die Abhängigkeit der Impedanz einer beispielhaften Brennstoffzelle von der Messfrequenz. Eingezeichnet sind Impedanzkurven, die verschiedenen Betriebszuständen der Brennstoffzelle entsprechen. Die Kurve mit den als Dreiecke dargestellten Messpunkten entspricht der Impedanz bei Normalbetrieb. Die Kurve mit den als Kreise dargestellten Messpunkten entspricht der Impedanz bei Bedingungen, die zu einer Flutung der Brennstoffzelle führen. Das Diagramm lässt erkennen, dass sich die Flutungsbedingungen besonders im Frequenzbereich von 1 Hz bis 10 Hz auswirken, so dass sie durch Impedanzmessungen in diesem Frequenzbereich frühzeitig erkannt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3285322 A1 [0003]
DE 102014224290 A1 [0004]
DE 102018107175 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Membranwiderstands R_PEM einer Brennstoffzelle, bei dem die Impedanz Z_FC(ω) der Brennstoffzelle bei mindestens drei Messfrequenzen ω₁, ω₂, und ω₃ gemessen wird, wobei ω₁ im Bereich von 0,1 bis 10 Hz, ω₂ im Bereich >10 Hz bis <1000 Hz und ω₃ im Bereich von 1 kHz bis 5 kHz liegen, aus den erhaltenen Messwerten die Ortskurve der Impedanz Z_FC(ω) interpoliert wird und anschließend der Membranwiderstand R_PEM als Grenzwert von Z_FC(ω) für ω→∞ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus dem erhaltenen Membranwiderstand R_PEM eine mittlere relative Feuchte rF der Polymerelektrolytmembran (PEM) der Brennstoffzelle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus dem erhaltenen Membranwiderstand R_PEM ein aktueller Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Messungen der Impedanz im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Messungen der Impedanz periodisch wiederholt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Interpolation der Ortskurve der Impedanz Z_FC(ω) auf der Grundlage einer vorab ermittelten Referenzkurve oder einer Schar von Referenzkurven erfolgt.
Vorrichtung zur Ermittlung des Membranwiderstands R_PEM einer in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Brennstoffzelle, umfassend a) eine Impedanz-Messeinheit mit einem Messfrequenzbereich von 0,1 Hz bis 6 kHz; b) eine erste Steuereinheit, die dafür eingerichtet ist, die Messfrequenzen der Impedanz-Messeinheit einzustellen und zwischen verschiedenen Messfrequenzen umzuschalten; c) eine Einheit zur Messung der Stromstärke eines von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Stroms und gegebenenfalls eine Einheit zur Messung einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; d) eine Recheneinheit, die dafür eingerichtet ist, Messwerte der Impedanz-Messeinheit zu empfangen, aus den Messwerten und einer Referenzkurve eine Ortskurve der Impedanz Z_FC(ω) zu ermitteln, und den Membranwiderstand R_PEM der Brennstoffzelle als Grenzwert von Z_FC(ω) für ω→∞ zu bestimmen; e) eine mit der Recheneinheit verbundene Speichereinheit, in der mindestens eine Referenzkurve der Impedanz Z_FC(ω) der Brennstoffzelle hinterlegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Impedanz-Messeinheit dafür eingerichtet ist, die Impedanz der Brennstoffzelle mit drei diskreten Messfrequenzen zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin die Recheneinheit auch dafür eingerichtet ist, aus dem Membranwiderstand R_PEM eine mittlere relative Feuchte rF der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle und einen aktuellen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle abzuleiten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, welche eine zweite Steuereinheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, die Eingangsfeuchte vor der Brennstoffzelle auf Grundlage der von der Recheneinheit ermittelten relativen Feuchte rF und des von der Recheneinheit ermittelten Wirkungsgrads zu regeln, um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zu optimieren.